Hvad betyder lysstyrke i partikelfysik?

Selv på de varmeste og tørreste dage, stråler fra solen er for svage til at antænde en ild. Men med et forstørrelsesglas (eller, i nogle uheldige tilfælde, et havepynt i glas), du kan fokusere sollys til en stråle, der er lys nok til at sætte tinder i brand.

Ved Large Hadron Collider, videnskabsmænd anvender det samme princip, når de fokuserer stråler af protoner (eller nogle gange tunge ioner), før de passerer dem gennem acceleratorens fire kollisionspunkter. Højenergipartikelkollisioner giver forskere mulighed for at studere fysikkens grundlæggende love og søge efter nye partikler, felter og kræfter.

Ved at fokusere protonstrålerne tæt før de kolliderer med dem, videnskabsmænd kan hurtigt øge antallet af kollisionshændelser, de skal studere.

Videnskabsfolk, ingeniører og teknikere hos CERN og rundt om i verden – inklusive hos Fermi National Accelerator Laboratory, Brookhaven National Laboratory og Lawrence Berkeley National Laboratory, sammen som en del af US Department of Energy Office of Sciences High-Luminosity LHC Accelerator Upgrade Program – bygger nye fokuseringsmagneter, som vil presse de kolliderende protoner til endnu mindre volumener. De designer også nye kicker-magneter, som vil støde de indkommende partiklers baner for at hjælpe de to stråler med at mødes ansigt til ansigt ved kollisionspunktet.

I slutningen af ​​2020'erne, forskere vil tænde en turboladet High-Luminosity LHC. Opgraderingen vil øge det samlede antal potentielle kollisioner, som forskere skal studere med mindst en faktor 10.

Hvorfor lysstyrke og ikke kollisioner?

Som du måske har bemærket, når fysikere taler om partikelkollisioner, de taler om en måling kaldet lysstyrke. Det fortæller ikke forskerne præcist, hvor mange partikelkollisioner der sker inde i en kolliderer; hellere, lysstyrken måler, hvor tæt pakkede partiklerne er i strålerne, der krydser hinanden. Jo strammere presset er, jo mere sandsynligt er det, at nogle af partiklerne kolliderer.

I HL-LHC, 220 milliarder protoner forventes at passere gennem yderligere 220 milliarder protoner hvert 25. nanosekund ved acceleratorens fire eksperimentelle skæringspunkter. Men langt størstedelen af ​​protonerne vil faktisk ikke interagere med hinanden. Selv med nutidens bedste strålefokuserende teknologi, oddsene for, at en proton kolliderer med en anden proton inde i LHC-ringen, er stadig betydeligt mindre end oddsene for at vinde Mega Millions Jackpot.

Protoner er ikke faste kugler, der hopper, går i stykker eller går i stykker, når de kommer i kontakt med hinanden. Hellere, de er rodede pakker af marker og endnu mindre partikler kaldet kvarker.

To protoner kunne passere lige igennem hinanden, og der er en chance for, at alt de ville gøre er at genspille den scene fra filmen Ghost, hvor skuespilleren Patrick Swayze, spiller det titulære fantom, stikker sit æteriske hoved ind i et tog i bevægelse - uden effekt. Du kan bringe protonerne ind i en frontal kollision, men du kan ikke få dem til at interagere.

Selvom to protoner interagerer, tæller det som en kollision? Hvis to protoner glider forbi hinanden, og chokbølgen fra deres krydsende elektromagnetiske felter udsender nogle få fotoner, tæller det? Hvad hvis en af ​​disse omstrejfende fotoner styrter gennem hjertet af en anden proton? Hvad hvis to protoner græsser hinanden og skyder en masse partikler af, men forblive intakt?

Kollisioner er komplicerede. Så fysikere taler om lysstyrke i stedet for.

Kollisionshastighed

Den hastighed, hvormed partikler bringes sammen for at kollidere, kaldes "øjeblikkelig lysstyrke."

"Den øjeblikkelige lysstyrke afhænger af antallet af partikler i hver kolliderende stråle og arealet af strålerne, " siger Paul Lujan, en postdoc ved University of Canterbury, der arbejder med lysstyrkemålinger til CMS-eksperimentet. "En mindre strålestørrelse betyder flere potentielle kollisioner pr. sekund."

I 2017, LHC-fysikere opnåede en ny rekord, da de målte en øjeblikkelig lysstyrke på 2,06 x 10 ³⁴ per kvadratcentimeter per sekund. (Multiplicer sammen antallet af protoner i hver stråle, divider derefter med strålearealet – i kvadratcentimeter – over tid.)

"Lysstyrkenhederne er lidt ikke-intuitive, " Lujan siger, "men det giver os præcis den information, vi har brug for."

Når videnskabsmænd fylder LHC op med en ny batch af partikler for at kollidere, de holder dem kørende, så længe strålerne er i god nok stand med nok partikler tilbage til at have en god øjeblikkelig lysstyrke.

I betragtning af, at en gennemsnitlig LHC-fyldning varer mellem 10 og 20 timer, antallet af potentielle kollisioner kan stige meget hurtigt. Så forskerne bekymrer sig ikke kun om øjeblikkelig lysstyrke; de bekymrer sig også om "integreret lysstyrke, "hvor mange potentielle kollisioner akkumuleres i løbet af disse timers løb.

Kunne ikke ramme den brede side af en stalddør

Forskellen mellem øjeblikkelig lysstyrke og integreret lysstyrke er forskellen mellem, "Lige nu kører jeg med 60 miles i timen, " og "Over ti timer, Jeg kørte 600 miles."

For integreret lysstyrke, fysikere skifter fra kvadratcentimeter til en ny arealenhed:laden, en henvisning til formsproget, "Kunne ikke ramme den brede side af en lade." Fra en subatomær partikels synspunkt, "laden" er så massiv, at den ville være svær at gå glip af.

Laden blev opfundet i løbet af 1940'erne. Dens faktiske størrelse - 10-24 kvadratcentimeter - blev klassificeret indtil slutningen af ​​Anden Verdenskrig. Det er fordi det svarer til størrelsen af ​​en urankerne, en nøgleingrediens i den dengang nyudviklede atombombe.

Laden blev hængende efter krigen og blev en standard måde at måle areal på i atom- og partikelfysik.

Taler i stalde - og en endnu mindre enhed svarende til 10 ^-15 lader kaldet "femtobarn" - giver fysikere mulighed for at tage et enormt antal og konvertere det, at gøre det fra noget for langt til at skrive ud på siden af ​​en egentlig stald til noget, der kunne passe på et postkort.

Fysikere bruger også femtobarns til at måle sandsynligheden for en subatomær proces, kaldet dens "tværsnit".

"Forestil dig en madkamp i et cafeteria, " siger Lujan. "Vi kan forudsige antallet af mennesker, der vil få sprøjtet en herreløs frikadelle [en "frikadelleinteraktion, "hvis du vil] baseret på antallet af tilstedeværende, cafeteriets areal og dimensioner, hvor længe madkampen varer [som kan bruges til at beregne den "integrerede lysstyrke" af alle mulige interaktioner, inklusive frikadelleinteraktioner] samt sandsynligheden for den pågældende proces ["tværsnittet" af en frikadelleinteraktion]."

For at teste fysikkens love, fysikere sammenligner deres forudsigelser om sandsynligheden for visse processer med det, de rent faktisk ser i praksis.

Med HL-LHC-opgraderingen, forskere øger antallet af protoner, formindskelse af diameteren af ​​kollisionspunkterne, og bedre justering af protonernes baner. Alle disse ændringer er med til at øge sandsynligheden for, at protoner vil interagere med hinanden, når de krydser gennem LHC's kryds. Det øgede antal kollisionsmuligheder vil hjælpe fysikere med at finde og studere sjældne processer og partikler, der er nøglen til at forstå fysikkens grundlæggende love.