Hvordan holder de styr på partiklerne i LHC?

Som enhver, der har en uønsket skuffe ved, at holde styr på små stykker ephemera er svært. Du sværger på, at du havde tommelfingre - de skal skubbes derind et sted, ret? Sammen med limen? Eller er de i den store æske med kontorartikler, der også har et par tilfældige stykker gammelt fjernsynsudstyr, plus klipperen, du bruger til at klippe hunden hver sommer? Og, huh - alle billederne fra dit bryllup er også i den æske. Måske ville du holde styr på dem, hvis de var i uønsket skuffe? I går de.

At håndtere alt det tilfældige rod kan give dig en vis sympati for fysikerne ved European Organization for Nuclear Research. (Som forkortes til CERN, i en forvirrende vending, der har at gøre med en oversættelse fra fransk til engelsk.) CERN-forskere er de smarte jenter og fyre, der driver Large Hadron Collider-som vi vil forkorte til den langt mere praktiske LHC. LHC er den store partikelaccelerator placeret dybt under det schweiziske landskab, hvor fysikere bekræftede eksistensen af ​​Higgs boson, en subatomær partikel, der fik forskere til at forstå mere om, hvordan stof får masse i universet.

Nøgleordet her er "subatomisk". At sige, at forskere på CERN ser på ting i lille skala, er en enorm underdrivelse. Ikke nok med at de ser to protoner - selv subatomære partikler - støde sammen i hinanden, men de forsøger også at kortlægge det subatomære affald, der flyver af, når det sker. Til de uindviede, det kan bare ligne en skraldespand af teeny, lille bitte, hurtigt bevægelige partikler ... som, oven på at være så lille, henfalder næsten hurtigere, end du kan opdage dem.

Lad os gå igennem hele den proces med fling-fly-decay for at få en fornemmelse af, hvad det er, forskere skal holde styr på. På LHC, protoner kører rundt om et cirkulært spor med næsten lysets hastighed. Og de er ikke bare klar til at blive lynlåst med et øjebliks varsel. Forskerne ved CERN skal levere en stråle protoner ind i LHC ved at streame hydrogengas til en duoplasmatron, som fjerner elektronerne fra hydrogenatomerne, efterlader kun protoner [kilde:O'Luanaigh].

Protonerne kommer ind i LINAC 2, den første accelerator i LHC. LINAC 2 er en lineær accelerator, som bruger elektromagnetiske felter til at skubbe og trække protoner, får dem til at fremskynde [kilde:CERN]. Efter at have gennemgået den første acceleration, protonerne kører allerede med 1/3 af lysets hastighed.

Derefter går de ind i Proton Synchrotron Booster, som består af fire ringe. Separate grupper af protoner kører rundt om hver enkelt - alt imens de bliver fremskyndet med elektriske impulser og styret med magneter. På dette tidspunkt, de pacer med 91,6 procent af lysets hastighed, og hver protongruppe bliver klemt tættere sammen.

Endelig, de slynges ud i Proton Synchrotron - nu i en mere koncentreret gruppe [kilde:CERN]. I Proton Synchrotron, protoner cirkulerer omkring de 2, 028 fod (628 meter) ring på cirka 1,2 sekunder omgangen, og de når over 99,9 procent af lysets hastighed [kilde:CERN]. Det er på dette tidspunkt, at de virkelig ikke kan blive meget hurtigere; i stedet, protonerne begynder at stige i masse og bliver tungere. De går ind i den superlativt navngivne Super Proton Synchrotron, en 7 kilometer lang ring, hvor de accelereres endnu mere (hvilket gør dem endnu tungere), så de er klar til at blive skudt ind i LHC's strålerør.

Der er to vakuumrør i LHC; man har protonstrålen på vej en vej, mens den anden har en stråle, der kører den modsatte vej. Imidlertid, på fire sider af den 27,5 kilometer lange LHC, der er et detektorkammer, hvor stråler kan krydse hinanden - og det er her, magien ved partikelkollision sker. At, endelig, er vores skuffe med subatomisk rod.

"Sjovt, "du tænker måske." Det er en sej historie om partikelacceleration, brormand. Men hvordan ved fysikere, hvor partiklerne går i acceleratoren? Og hvordan fanden er de i stand til at holde styr på affaldskollisionen for at studere det? "

Magneter, yo. Svaret er altid magneter.

For at være fair, det er faktisk kun svaret på det første spørgsmål. (Vi kommer til den anden om et sekund.) Men virkelig gigantisk, kolde magneter forhindrer partiklerne i at gå den forkerte vej. Magneterne bliver superledere, når de opbevares ved en meget lav temperatur - vi taler koldere end det ydre rum. Med de superledende magneter, et stærkt magnetfelt skabes, der styrer partiklerne omkring LHC - og til sidst ind i hinanden [kilde:Izlar].

Hvilket bringer os til vores næste spørgsmål. Hvordan holder forskere styr på de partikler, der skyldes kollisionen? "Spor" bliver faktisk et sigende ord i vores forklaring. Som du kan forestille dig, fysikerne ser ikke bare et storskærms-tv, bladre mellem en fremvisning af protonfyrværkeri og genudsendelser af "Star Trek". Når de observerer protonløb og kollisioner, forskere ser mest data. (Ikke data.) Partiklerne, de "holder styr på" efter kollisioner, er faktisk ikke mere end spor af data, som de kan analysere.

En af detektorerne kaldes faktisk en sporingsenhed, og det tillader virkelig fysikerne at "se" den vej, som partiklerne tog efter at have kollideret. Selvfølgelig, hvad de ser er grafisk fremstilling af partikelens spor. Når partiklerne bevæger sig gennem sporingsenheden, elektriske signaler registreres og oversættes derefter til en computermodel. Kalorimeterdetektorer stopper og absorberer også en partikel for at måle dens energi, og stråling bruges også til yderligere at måle dens energi og masse, dermed indsnævring af en bestemt partikels identitet.

I det væsentlige, sådan var forskere i stand til at spore og fange partikler under og efter accelerations- og kollisionsprocessen, da LHC lavede sit seneste løb. Et problem, imidlertid, var det med så mange kollisioner, der forekommer i sekundet - vi taler milliarder - ikke alle protoner, der smadrede, var faktisk så interessante. Forskere skulle finde en måde at sortere de nyttige kollisioner fra de kedelige. Det er her detektorerne kommer ind:De ser partikler, der ser interessante ud, kør dem derefter gennem en algoritme for at se, om de fortjener et nærmere kig [kilde:Phoboo]. Hvis de har brug for en nærmere undersøgelse, forskere kommer på det.

Når LHC tændes igen i 2015, der vil være endnu flere kollisioner end før (og to gange kollisionsenergien) [kilde:Charley]. Når det sker, systemet, der udløser et "hej, se på dette "flag til fysikerne vil prale af en opgradering:Der vil blive foretaget mere finjusterede valg for at komme videre forbi den første etape, og derefter vil alle disse hændelser blive analyseret fuldstændigt.

Så, følg med for at finde ud af mere om, hvordan fysikere sporer partikler i LHC; ting kan ændre sig der omkring med næsten lyshastighed.

Masser mere information

Forfatterens note:Hvordan holder de styr på partiklerne i LHC?

Gudskelov protoner - i modsætning til mus eller rotter fra andre videnskabelige eksperimenter - behøver ikke at blive fodret og vandet. Vil milliarder af kollisioner et sekund, partikelfysik får præmien for de fleste data indsamlet med den mindste mængde ost givet som belønning.

Relaterede artikler:

• Sådan fungerer Large Hadron Collider
• Sådan fungerer Big Bang -teorien
• Sådan fungerer sorte huller
• 5 opdagelser foretaget af den store Hadron Collider (indtil videre)

Kilder:

• CERN. "Lineær accelerator 2." 2014. (17. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/accelerators/linear-accelerator-2
• CERN. "Trækker sammen." 2014. (17. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/engineering/pulling-together-superconducting-electromagnets
• CERN. "Acceleratorkomplekset." 2014. (17. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/accelerators
• Charley, Sarah. "Sporer partikler hurtigere ved LHC." Symmetry Magazine. 21. april kl. 2014. (17. juli, 2014) http://www.symmetrymagazine.org/article/april-2014/tracking-particles-faster-at-the-lhc
• Izlar, Kelly. "Fremtidige LHC-supermagneter passerer mønstring." Symmetry Magazine. 11. juli kl. 2013. (17. juli, 2014) http://www.symmetrymagazine.org/article/july-2013/future-lhc-super-magnets-pass-muster
• O'Luanaigh, Cian. "Tung metal." CERN. 4. februar kl. 2013. (17. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/02/heavy-metal-refilling-lead-source-lhc
• Phoboo, Abha Eli. "Opgradering af ATLAS -trigger -systemet." CERN. 19. december kl. 2013. (17. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/cern-people/updates/2013/12/upgrading-atlas-trigger-system
• Partikeleventyret. "Hvordan eksperimenterer vi med små partikler?" Berkeley -laboratoriet. (17. juli, 2014) http://www.particleadventure.org/accel_adv.html