Akceleratory cząstek, znane również jako kolidery cząstek lub Smashers Atom, były odpowiedzialne za niektóre z najbardziej ekscytujących ustaleń fizyki w ciągu ostatniego stulecia, w tym odkrycie nieuchwytnego Higgs Bosonpodstawowa cząstka przenosząca siłę pola Higgsa, która nadaje innym cząsteczkom ich masę.
Ale w jaki sposób działają kolidery cząstek?
Jak sama nazwa wskazuje, akceleratory cząstek obejmują przyspieszenie cząstek subatomowych do niezwykle dużych prędkości i rozbijanie ich w małe cele, zwykle jądra atomowe, aby osiągnąć pożądany efekt.
Aby dowiedzieć się o skalach, przy których działają akceleratory cząstek, rozważ jedną z podstawowych jednostek użytych w ich zastosowaniach: „stodoła”. Jest równy kwadratu zaledwie 10 femtometrów – 10 kwadlionów metra – z każdej strony. I tak, termin, wymyślony w latach 40. XX wieku przez fizyków z Purdue University w sercu Środkowego Zachodu, ma na celu wywołanie takich wypowiedzi, jak „to jest tak duże jak stodoła” i „Nie można trafić w szeroką stronę stodoły”.
Jednak najprostszymi i najwcześniejszymi akceleratorami były stosunkowo proste urządzenia. Było źródło elektronya następnie uruchomiłeś te elektrony przez wnękę wypełnioną pólami elektrycznymi. Elektrony uderzyły coś po drugiej stronie wnęki. Zrobione.
Przez kilka dziesięcioleci większość ludzi w USA miała w domu takiego kolidera cząstek: telewizję CRT. CRT oznacza „Rurkę Ray Cathode”, a promienie katodowe są starą nazwą elektronów (zanim naukowcy zdali sobie sprawę, że elektrony są cząsteczkami). Elektrony przyspieszyły i rozbiły się na ekran fosforescencyjny, który rozjaśnił naszą przyjemność oglądania.
Oczywiście tego rodzaju korekty mają granice wielkości wnęki i wytrzymałości pola elektrycznego, które można włożyć w tę jamę. Kolejny krok w ewolucji koliderów był znany jako liniowy zderzak. Największym działającym obecnie jest SLAC National Accelerator Laboratory, 2-kilometrowym (3,2 kilometra) urządzenia poza San Francisco.
Ideą liniowego zderzacza jest powtórzenie podstawowej operacji prostszych koliderów. Co najważniejsze, pola elektryczne mogą albo pchać lub ciągnąć ładunki elektryczne, w zależności od ich kierunku. Tak więc, gdy naładowana cząstka wchodzi do komory, pole elektryczne ciągnie ją, aby ją przyspieszyć. Następnie, gdy przejdzie w połowie, pole elektryczne przechodzi w tryb „pchania”, który kontynuuje przyspieszenie.
Następnie ładunek wychodzi z tej wnęki i wchodzi do innej z tą samą konfiguracją – a następnie kolejną, a następnie kolejną, powtarzającą się tak długo, jak można go uciec (lub dopóki finansowanie się nie skończy).
Małe liniowe akceleratory zasilają różne zastosowania na całym świecie. Potrzebujesz prześwietlenia u dentysty? Istnieje akcelerator, który strzela elektronom na kawałek metalu do wygenerowania tych promieni rentgenowskich. Potrzebujesz usuniętego guza? Proton Accelerator stanowi doskonałe urządzenie do celowania w komórki rakowe bez szkody otaczającej tkanki. Potrzebujesz nowego półprzewodnika? Ion implanter maluje mikroskopijne tranzystory w celu tworzenia obwodów. Potrzebujesz nowych opon? Akcelerator usiecił te polimery, aby tworzywa sztuczne i guma syntetyczna była bardziej trwała.
Ale co, jeśli możesz utrzymać przyspieszenie ładunku dla nieskończonej długości? Najłatwiejszym sposobem na utworzenie skończonej linii jest nieskończona, jest zgięcie jej w koło. Ładunek może następnie zapętlić się wokół i wokół, nie osiągając punktu zatrzymania.
Ale jednym z głównych wyzwań jest to wąskie gardło ze względności. Gdy cząstka przyspiesza, zyskuje energię kinetyczną – a energia równa masę, tak skutecznie, cząstka staje się cięższa i cięższa. To nie jest tak bardzo z czystego punktu widzenia przyspieszenia; Łatwo jest po prostu mocniej naciskać cząsteczki subatomowe. Raczej, aby poruszać się w kółko, musimy zastosować pola magnetyczne. Przy cięższej masie pole magnetyczne nie może nadążyć, a cząstka zaczyna dryfować i uderzać w bok okrągłej komory.
Tak więc pole magnetyczne musi pozostać zsynchronizowane ze rosnącą masą cząstki, zwiększając siłę, gdy cząsteczka bije. W ten sposób nazywamy tego rodzaju synchrotronami akceleratorów.
Flagowy synchrotron to Duży zderzak hadronowy (LHC), obsługiwane przez CERN (Europejska Organizacja Badań Nuklearnych). Ma pierścień o obwodzie 16,8 mil (27 km) o 36 000 ton magnesów i schłodzony do minus 459,58 stopni Fahrenheita (minus 273,1 stopni Celsjusza) – chłodniejsze niż przestrzeń kosmiczna – i może przyspieszyć protony do 99,9997828% prędkość światła.
LHC działa jednocześnie w obu kierunkach. Następnie, w ostatniej chwili-w prawo, gdy dwie wiązki cząstek osiągnęły swoją szczytową energię-uderzają się nawzajem z całkowitą energią 14 woltów elektronów Tera.
To mniej niż miliard energii rzuconego baseballu. Ale biorąc pod uwagę, że cała ta energia jest wbijana w niezwykle niewielki obszar, gęstości energii osiąga warunki nie widać we wszechświecie od najwcześniejszych chwil Wielki Wybuch. W tych energii krótkotrwałe cząstki pojawiają się z próżni, co daje fizykom widokiem na najbardziej podstawowe działanie natury.
