Een wetenschapper puzzelt over een kaart met toegangsvoorwaarden bij de Large Hadron Collider, slechts een paar dagen voordat het enorme ondergrondse laboratorium in september 2008 voor het eerst werd opgestart. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images

Stephen Hawking wees er ooit op dat als we door de tijd willen springen, het zou helpen als we een machine hadden zoals de LHC die ons zou kunnen versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Ja meneer, de LHC is indrukwekkend genoeg voor Hawking om het te zien als een vervoersoptie voor tijdreizen. En het kreeg zeker niet voor niets zijn reputatie:de kolossale deeltjesversneller verdiende zijn strepen toen hij ons bewijs leverde voor het Higgs-deeltje in 2012 en 2013. Het vinden van de Higgs in de LHC bevestigde in feite het standaardmodel van de natuurkunde, die de fundamentele deeltjes en krachten in het universum schetst. Geen geringe prestatie.

Natuurlijk is 'klein' geen term die we gewoonlijk associëren met de LHC, of de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) wat dat betreft. Denk aan het versnellercomplex bij CERN, wat veel meer is dan alleen de LHC. Als je protonen in de LHC zou dumpen zonder enige voorbereidende stappen, er zou niet veel worden geëxperimenteerd om over te praten:je moet de protonen niet alleen versnellen voordat ze de LHC binnenkomen, maar concentreer ze ook in dichte bundels. Om dat te doen, er zijn een paar stappen die moeten worden genomen voordat ze naar hun gewelddadige lot in de LHC suizen [bronnen:LHC-feiten, CERN]:

• Eerst, de protonen moeten in een lineaire versneller worden gevoerd die hun initiële snelheid verhoogt - die lijn is ongeveer 30 meter lang.
• Daarna, de protonenbundels gaan de Proton Synchrotron Booster binnen, wat ze nog sneller versnelt met een pulserend elektrisch veld. De booster heeft een omtrek van 157 meter, en -- een voorbode van het antwoord op onze hoofdvraag -- het is rond, waardoor de deeltjes sneller kunnen gaan. (We zullen daar meer op ingaan met de belangrijkste LHC.)
• Na de booster de pakketjes protonenbundels bewegen in de Proton Synchrotron, nog een cirkelvormig spoor ontworpen om die protonen tot waanzin te zwepen. Het is ongeveer 2, 000 voet (628 meter) in omtrek, en ze beginnen zo snel te bewegen dat ze letterlijk niet sneller kunnen gaan. De protonen bewegen met 99,9 procent van de lichtsnelheid, wat betekent dat ze massa beginnen te winnen in plaats van snelheid. Klaar voor LHC, Rechtsaf?
• Nee, nog steeds niet goed genoeg voor onze kleine bundels protonenenergie. De volgende stap is de Super Proton Synchrotron. (Nee, de Super Terrific Proton Synchrotron zal het niet volgen.) Dit is een cirkelvormige versneller van bijna 7 kilometer die, goed, je weet wel:het zorgt ervoor dat de protonen "sneller gaan, " wat eigenlijk betekent dat ze energie toevoegen, wat massa toevoegt. Pas dan - na een reis door kilometers verschillende versnellers - bereiken de protonen zelfs de 27 kilometer lange LHC, en maak een niet zo ontspannen wandeling door de vacuümbuizen van de versneller.

En nu zijn we hier:in de uitgestrekte Large Hadron Collider. Het ziet eruit als een prachtige kristallen grot. (Grapje, het ziet eruit als een helder verlichte, obsessief schone metrotunnel waar een gigantische pijp doorheen loopt.) Waarom hebben zulke piepkleine stukjes nauwelijks materie zo'n grote ruimte nodig om rond te dwalen?

Het eerste antwoord is een beetje een anticlimax:we begonnen de LHC te gebruiken omdat die er al was. CERN had een eerdere versneller (de Large Electron-Positron Collider) die aanvankelijk de ruimte in beslag nam, en het was zo groot om de botsingen van (je raadt het al!) elektronen en positronen op te vangen. Dus waarom was de LEP zo groot of zelfs 100 meter onder de grond gebouwd?

Het werd ondergronds gebouwd om een ​​vrij eenvoudige reden:het bleek goedkoper om eenvoudig een tunnel te graven dan om land te kopen en de milieueffecten te verminderen [bron:CERN]. (Het moest ook een beetje een helling hebben om de kosten als gevolg van de plaatsing van verticale schachten te minimaliseren.) Maar de reden waarom de LEP zo'n brede omtrek had, raakt de kern van waarom de LHC een brede ligplaats nodig heeft, ook:de dame had een mooie reeks rondingen nodig.

De afgeronde bochten van de LHC zijn nodig voor die versnelling die zo belangrijk is voor onze deeltjesvrienden. Het begint allemaal met de bewegingswetten van Newton, die zegt dat een deeltje (of wat dan ook, wat dat betreft - geen woordspeling bedoeld) zal met een constante snelheid reizen tenzij er een kracht op inwerkt. Wat betekent dit? Dat deeltje zal met dezelfde snelheid in een rechte lijn reizen, tenzij er iets is om ze te versnellen.

En dat "iets" is de curve van de cirkelvormige versneller. In tegenstelling tot een lineaire versneller - waarbij de deeltjes in een rechte lijn reizen - zorgt een cirkelvormige versneller ervoor dat deeltjes elke keer energie krijgen [bron:The Particle Adventure]. (De enorme magneten die de protonen sturen, voegen geen energie toe, maar het elektrische veld draagt ​​bij aan de versnelling.) Een cirkelvormige versneller laat de protonen rond en rond gaan, energie krijgen, terwijl het ook mogelijk maakt dat de deeltjes op meerdere punten botsen - een lineaire versneller, natuurlijk, zou slechts één aanvaringspunt hebben, helemaal op het einde.

Beantwoorden waarom de LHC cirkelvormig is, lijkt misschien niets te maken te hebben met zijn grootte, maar het heeft wel betrekking. Een kleiner circuit voor de protonen zou betekenen dat ze meer zouden moeten accelereren om de scherpere bochten op te vangen. en zou meer energie verliezen - en dus zou de botsing niet zo sterk zijn [bron:Butterworth]. Er is dus een grote straal nodig om de energie van de deeltjes hoog genoeg te krijgen om zowel te versnellen als botsingen te veroorzaken.

En denk niet dat alle wetenschappers tevreden zijn met de omvang van de huidige LHC. Er worden serieuze overwegingen gemaakt om een ​​100 kilometer lange baan te bouwen die een nog energiekere koers zal bieden voor deeltjesbotsingen [bron:Pease]. Houd er rekening mee dat hoe hoger de bereikte energie, hoe massiever de deeltjes zijn die gevonden kunnen worden -- een belangrijke manier om nieuwe ongrijpbare, zware deeltjes [bron:Reich].

Veel meer informatie

Notitie van de Auteur:Waarom heeft de LHC een omtrek van 27 kilometer?

Zeker wel, het is een beetje off-topic, maar ik denk dat we allemaal willen weten:wat zou er gebeuren als we de LHC zouden tegenkomen terwijl de protonenbundels hun magie aan het uitoefenen waren? Niemand is helemaal zeker, maar het is een vrij goede gok dat je een gat door je lichaam zou laten schieten, en misschien een kegel van proton-exploderende impact, ook.

gerelateerde artikelen

• Kunnen supersymmetrie en het multiversum beide tegelijkertijd waar zijn?
• Wat zien deeltjesfysici als er botsingen plaatsvinden?
• Kan de LHC de snaartheorie bewijzen?
• 5 ontdekkingen gemaakt door de Large Hadron Collider (tot nu toe)
• Heeft de LHC praktische toepassingen gevonden voor het Higgs-deeltje?

bronnen

• Butterworth, Jon. "Waarom is de LHC-tunnel zo groot?" De Wachter. 8 juni 2012. (20 juli, 2014) http://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2012/jun/08/why-is-lhc-big
• Enbger, Daniël. 'Wat zou er gebeuren als je zou worden gezapt door de Large Hadron Collider?' Populaire wetenschap. 3 oktober 2013. (16 juli, 2014) http://www.popsci.com/science/article/2013-09/fyi-what-would-happen-if-you-got-zapped-large-hadron-collider
• Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN). "LHC:de gids." (20 juli, 2014) http://cds.cern.ch/record/1165534/files/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf
• Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN). "De positron-botser met grote elektronen." 2014. (20 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/accelerators/large-electron-positron-collider
• Hawking, Stefanus. "Hoe bouw je een tijdmachine." De dagelijkse mail. 27 april 2010. (20 juli, 2014) http://www.dailymail.co.uk/home/moslive/article-1269288/STEPHEN-HAWKING-How-build-time-machine.html
• Het Lawrence Berkeley National Laboratory. "Hoe experimenteren we met kleine deeltjes?" Het deeltjesavontuur. (20 juli, 2014) http://www.particleadventure.org/accel_adv.html
• LHC-feiten. "Lineaire versneller 2." (20 juli, 2014) http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=linac
• Musser, George. "Als de Large Hadron Collider te klein is." Wetenschappelijke Amerikaan. 30 september 2013. (20 juli, 2014) http://blogs.scientificamerican.com/critical-opalescence/2013/09/30/when-the-large-hadron-collider-is-too-small/
• erwt, Roland. "CERN overweegt een enorme fysica-machine te bouwen." BBC. 18 februari, 2014. (20 juli, 2014) http://www.bbc.com/news/science-environment-26250716
• Rijk, Eugène Samuël. "Natuurkundigen zijn van plan een grotere LHC te bouwen." Natuur. 12 november 2013. (20 juli, 2014) http://www.nature.com/news/physicists-plan-to-build-a-bigger-lhc-1.14149
• Raad voor Wetenschap en Technologie Faciliteiten. "Large Hadron Collider." Onderzoeksraden VK. (20 juli, 2014) http://www.stfc.ac.uk/646.aspx