Hvorfor er LHC 27 kilometer i omkreds?

Stephen Hawking påpegede engang, at hvis vi ville springe gennem tiden, det ville hjælpe, hvis vi havde en maskine som LHC, der kunne accelerere os til næsten lysets hastighed. Ja Hr, LHC er imponerende nok til at Hawking kan se det som en transportmulighed med tidsrejser. Og det fik bestemt ikke sit ry for ingenting:Den buldrende partikelaccelerator tjente sine striber, da den gav os bevis for Higgs -bosonen i 2012 og 2013. At finde Higgs i LHC bekræftede grundlæggende fysikkens standardmodel, som skitserer de grundlæggende partikler og kræfter i universet. Ingen lille bedrift.

Selvfølgelig er "lille" ikke et begreb, vi normalt forbinder med LHC, eller European Organization for Nuclear Research (CERN) for den sags skyld. Overvej acceleratorkomplekset ved CERN, hvilket er meget mere end bare LHC. Hvis du bare ville dumpe protoner i LHC uden nogen indledende trin, der ville ikke være meget eksperimenter at tale om:Du skal ikke bare fremskynde protonerne, før de kommer ind i LHC, men koncentrer dem også i tætte bjælker. For at gøre det, der er et par trin, der skal tages, før de suser til deres voldelige skæbne i LHC [kilder:LHC Facts, CERN]:

• Først, protonerne skal føres ind i en lineær accelerator, der får deres oprindelige hastighed op - den linje er cirka 30 fod.
• Efter det, protonstrålerne kommer ind i Proton Synchrotron Booster, hvilket fremskynder dem endnu hurtigere med et pulserende elektrisk felt. Forstærkeren er 157 meter i omkreds, og - forudgående svaret på vores hovedspørgsmål - det er cirkulært, som gør det muligt for partiklerne at gå hurtigere. (Vi kommer mere ind på det med den vigtigste LHC.)
• Efter boosteren, pakkerne med protonstråler bevæger sig ind i Proton Synchrotron, et andet cirkulært spor designet til at piske disse protoner til en vanvid. Det er omkring 2, 000 fod (628 meter) i omkreds, og de begynder at bevæge sig så hurtigt, at de bogstaveligt talt ikke kan gå hurtigere. Protonerne bevæger sig med 99,9 procent lysets hastighed, hvilket betyder, at de begynder at få masse i stedet for hastighed. Klar til LHC, ret?
• Nix, stadig ikke god nok til vores små bundter af protonenergi. Det næste trin er Super Proton Synchrotron. (Ingen, Super Terrific Proton Synchrotron følger den ikke.) Dette er en næsten 4,5 kilometer (7 kilometer) cirkulær accelerator, der, godt, du ved:Det får protonerne til at gå "hurtigere, "hvilket faktisk betyder, at de tilføjer energi, som tilføjer masse. Først da-efter en rejse gennem miles af forskellige acceleratorer-når protonerne endda den 27 kilometer lange LHC, og komme til at tage en ikke så afslappet spadseretur gennem kolliderens vakuumrør.

Og nu er vi her:i den store Large Hadron Collider. Det ligner en smuk krystalhule. (Bare for sjov, det ligner et stærkt oplyst, obsessivt rene metrotunnel med et kæmpe rør, der løber gennem den.) Hvorfor har sådanne småstykker af knap nok stof brug for så stort et rum at færdes?

Det første svar er lidt antiklimaktisk:Vi begyndte at bruge LHC, fordi det allerede var der. CERN havde en tidligere accelerator (Large Electron-Positron Collider), der oprindeligt besatte pladsen, og det var så stort at rumme kollisionerne mellem (du gættede det!) elektroner og positroner. Så hvorfor var LEP'en den størrelse eller endda bygget 100 meter under jorden?

Det blev bygget under jorden af ​​en temmelig grundlæggende årsag:Det viste sig billigere at udgrave en tunnel end at købe jord og afbøde miljøpåvirkninger [kilde:CERN]. (Det var også nødvendigt at have lidt af en hældning for at minimere omkostninger som følge af placeringen af ​​lodrette aksler.) Men grunden til, at LEP havde en så bred omkreds, kommer til hjertet af, hvorfor LHC har brug for en bred kaj, også:Damen havde brug for et flot sæt kurver.

De afrundede bøjninger i LHC er nødvendige for den acceleration, der er så vigtig for vores partikelvenner. Det hele starter med Newtons bevægelseslove, der siger, at en partikel (eller noget, for den sags skyld - ingen ordspil beregnet) vil rejse med en konstant hastighed, medmindre den påvirkes af en kraft. Hvad betyder det? Denne partikel vil bevæge sig i en lige linje med samme hastighed, medmindre der bruges noget til at accelerere dem.

Og det "noget" er den cirkulære accelerators kurve. I modsætning til en lineær accelerator - hvor partiklerne bevæger sig i en lige linje - tillader en cirkulær accelerator partikler at få energi hver gang [kilde:Particle Adventure]. (De enorme magneter, der styrer protonerne, tilføjer ikke energi, men det elektriske felt øger accelerationen.) En cirkulær accelerator lader protonerne gå rundt og rundt, får energi, samtidig med at partiklerne kan kollidere flere punkter - en lineær accelerator, selvfølgelig, ville bare have et kollisionspunkt, i slutningen.

At svare på, hvorfor LHC er cirkulær, synes måske ikke at have noget at gøre med dens størrelse, men det hænger sammen. En mindre racerbane for protonerne ville betyde, at de skulle accelerere mere for at imødekomme de skarpere kurver, og ville miste mere energi - og dermed ville kollisionen ikke være lige så stærk [kilde:Butterworth]. Så en stor radius er nødvendig for at få partiklernes energi høj nok til både at accelerere og skabe kollisioner.

Og tro ikke, at alle forskerne er tilfredse med størrelsen på den nuværende LHC. Der tages seriøse overvejelser om at bygge et spor på 100 kilometer (100 kilometer), der vil give et endnu mere energisk forløb for partikelkollisioner [kilde:Pease]. Husk på, at jo højere energi der opnås, jo mere massive partikler der kan findes - en vigtig måde at identificere nye undvigende, tunge partikler [kilde:Rige].

Masser mere information

Forfatterens note:Hvorfor er LHC 27 kilometer i omkreds?

Jo da, det er lidt off-topic, men jeg tror, ​​vi alle vil vide:Hvad ville der ske, hvis vi snuble ind i LHC, mens protonstrålerne udførte deres magi? Ingen er helt sikre, men det er et ret godt gæt, at du ville få et hul sprængt gennem din krop, og måske en kegle af protoneksploderende påvirkning, såvel.

relaterede artikler

• Kan supersymmetri og multiverset begge være sande samtidigt?
• Hvad ser partikelfysikere, når der sker kollisioner?
• Kan LHC bevise strengteori?
• 5 opdagelser foretaget af den store Hadron Collider (indtil videre)
• Har LHC fundet nogen praktisk anvendelse til Higgs boson?

Kilder

• Butterworth, Jon. "Hvorfor er LHC -tunnelen så stor?" Værgen. 8. juni kl. 2012. (20. juli, 2014) http://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2012/jun/08/why-is-lhc-big
• Enbger, Daniel. "Hvad ville der ske, hvis du blev zappet af Large Hadron Collider?" Populær videnskab. 3. oktober kl. 2013. (16. juli, 2014) http://www.popsci.com/science/article/2013-09/fyi-what-would-happen-if-you-got-zapped-large-hadron-collider
• European Organization for Nuclear Research (CERN). "LHC:Vejledningen." (20. juli, 2014) http://cds.cern.ch/record/1165534/files/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf
• European Organization for Nuclear Research (CERN). "Stor-elektron Positron Collider." 2014. (20. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/accelerators/large-electron-positron-collider
• Hawking, Stephen. "Sådan bygger du en tidsmaskine." Daily Mail. 27. april kl. 2010. (20. juli, 2014) http://www.dailymail.co.uk/home/moslive/article-1269288/STEPHEN-HAWKING-How-build-time-machine.html
• Lawrence Berkeley National Laboratory. "Hvordan eksperimenterer vi med små partikler?" Partikeleventyret. (20. juli, 2014) http://www.particleadventure.org/accel_adv.html
• LHC Fakta. "Lineær accelerator 2." (20. juli, 2014) http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=linac
• Musser, George. "Når Large Hadron Collider er for lille." Videnskabelig amerikansk. 30. september, 2013. (20. juli, 2014) http://blogs.scientificamerican.com/critical-opalescence/2013/09/30/when-the-large-hadron-collider-is-too-small/
• Pease, Roland. "CERN overvejer at bygge en kæmpe fysikmaskine." BBC. 18. februar kl. 2014. (20. juli, 2014) http://www.bbc.com/news/science-environment-26250716
• Rige, Eugene Samuel. "Fysikere planlægger at bygge en større LHC." Natur. 12. november kl. 2013. (20. juli, 2014) http://www.nature.com/news/physicists-plan-to-build-a-bigger-lhc-1.14149
• Science and Technology Facilities Council. "Stor Hadron Collider." Forskningsråd UK. (20. juli, 2014) http://www.stfc.ac.uk/646.aspx