science >> Wetenschap > >> Fysica

Hoe houden ze de deeltjes in de LHC bij?

Een afbeelding die op een scherm wordt geprojecteerd, toont sporen van botsingen van deeltjes, tijdens de Large Hadron Collider Conference in Museo della Scienza e della Tecnica (Milaan Museum voor Wetenschap en Technologie) op 20 december, 2011 in Milaan, Italië. Foto door Pier Marco Tacca/Getty Images

Zoals iedereen die een rommellade heeft weet, het bijhouden van kleine stukjes ephemera is moeilijk. Je zou zweren dat je punaises had – die moeten daar ergens in gestopt worden, Rechtsaf? Samen met de lijm? Of zitten ze in die grote doos met kantoorbenodigdheden waar ook een paar willekeurige oude tv-apparatuur in zit, plus de tondeuse waarmee je de hond elke zomer scheert? En, huh - alle foto's van je bruiloft zitten ook in die doos. Misschien zou je ze beter kunnen volgen als ze in de rommellade lagen? Ze gaan erin.

Als je al die willekeurige rotzooi oplost, krijg je misschien wat sympathie voor de natuurkundigen van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek. (Wat wordt afgekort tot CERN, in een verwarrende gang van zaken die te maken heeft met een Frans-naar-Engelse vertaling.) CERN-wetenschappers zijn de slimme meiden en jongens die de Large Hadron Collider runnen – die we zullen inkorten tot de veel praktischere LHC. De LHC is de grote deeltjesversneller die zich diep onder het Zwitserse platteland bevindt, waar natuurkundigen het bestaan van het Higgs-deeltje bevestigden, een subatomair deeltje dat wetenschappers ertoe bracht meer te begrijpen over hoe materie aan massa wint in het universum.

Het sleutelwoord hier is 'subatomair'. Zeggen dat wetenschappers van CERN de dingen op kleine schaal bekijken, is een enorm understatement. Ze zien niet alleen hoe twee protonen – subatomaire deeltjes zelf – tegen elkaar botsen, maar ze proberen ook het subatomaire puin in kaart te brengen dat wegvliegt als het gebeurt. Aan de niet-ingewijden, het ziet er misschien uit als een rommellade van teeny, klein, snel bewegende deeltjes ... die, bovenop zo klein te zijn, verval bijna sneller dan je ze kunt detecteren.

Laten we door dat hele proces van vliegverval lopen om een idee te krijgen van wat wetenschappers precies moeten bijhouden. Bij de LHC, protonen racen rond een cirkelvormige baan met bijna de snelheid van het licht. En ze zijn niet alleen klaar om in een oogwenk te worden geritst. De wetenschappers van CERN moeten een bundel protonen afleveren in de LHC door waterstofgas in een duoplasmatron te laten stromen, die de elektronen van de waterstofatomen stript, waardoor alleen protonen achterblijven [bron:O'Luanaigh].

De protonen komen LINAC 2 binnen, de eerste versneller in de LHC. LINAC 2 is een lineaire versneller, die elektromagnetische velden gebruikt om protonen te duwen en te trekken, waardoor ze versnellen [bron:CERN]. Na die eerste versnelling te hebben doorgemaakt, de protonen reizen al met 1/3 van de lichtsnelheid.

Dan gaan ze naar Proton Synchrotron Booster, die uit vier ringen bestaat. Afzonderlijke groepen protonen racen om elkaar heen, terwijl ze worden versneld met elektrische pulsen en gestuurd met magneten. Op dit punt, ze ijsberen met 91,6 procent van de lichtsnelheid, en elke protonengroep wordt dichter bij elkaar gepropt.

Eindelijk, ze worden in de Proton Synchrotron geslingerd - nu in een meer geconcentreerde groep [bron:CERN]. In de protonsynchrotron, protonen circuleren rond de 2, 060 voet (628 meter) ring bij ongeveer 1,2 seconden per ronde, en ze bereiken meer dan 99,9 procent van de lichtsnelheid [bron:CERN]. Het is op dit punt dat ze echt niet veel sneller kunnen worden; in plaats daarvan, de protonen beginnen in massa toe te nemen en worden zwaarder. Ze betreden de overtreffende trap genaamd Super Proton Synchrotron, een ring van 7 kilometer, waar ze nog verder worden versneld (waardoor ze nog zwaarder worden) zodat ze klaar zijn om in de straalpijpen van de LHC te worden geschoten.

Er zijn twee vacuümleidingen in de LHC; men heeft de protonenstraal die in één richting reist, terwijl de andere een straal heeft die de andere kant op racet. Echter, aan vier zijden van de 27 kilometer lange LHC, er is een detectorkamer waar bundels elkaar kunnen kruisen - en dat is waar de magie van deeltjesbotsing plaatsvindt. Dat, Tenslotte, is onze lade van subatomaire rommel.

"Plezier, " denk je misschien. "Dat is een cool verhaal over deeltjesversnelling, broer. Maar hoe weten natuurkundigen waar de deeltjes in de versneller naartoe gaan? En hoe zijn ze in godsnaam in staat om de botsing tussen puin bij te houden om het te bestuderen?"

Magneten, ja. Het antwoord is altijd magneten.

Om eerlijk te zijn, het is eigenlijk alleen het antwoord op de eerste vraag. (We komen zo bij de tweede.) Maar echt gigantisch, koude magneten zorgen ervoor dat de deeltjes niet de verkeerde kant op gaan. De magneten worden supergeleiders als ze op een zeer lage temperatuur worden bewaard - we hebben het over kouder dan de ruimte. Met de supergeleidende magneten, er ontstaat een sterk magnetisch veld dat de deeltjes rond de LHC stuurt – en uiteindelijk in elkaar [bron:Izlar].

Dat brengt ons bij onze volgende vraag. Hoe houden wetenschappers de deeltjes bij die het gevolg zijn van de botsing? "Track" wordt eigenlijk een veelzeggend woord in onze uitleg. Zoals u zich kunt voorstellen, de natuurkundigen kijken niet alleen naar een grootbeeldtelevisie, schakelen tussen een weergave van protonvuurwerk en herhalingen van "Star Trek". Wanneer ze protonraces en botsingen observeren, wetenschappers kijken vooral naar data. (Geen gegevens.) De deeltjes die ze 'bijhouden' na botsingen zijn eigenlijk niet meer dan sporen van gegevens die ze kunnen analyseren.

Een van de detectoren heet eigenlijk een volgapparaat, en het stelt de natuurkundigen echt in staat om het pad te "zien" dat de deeltjes namen na hun botsing. Natuurlijk, wat ze zien is een grafische weergave van het spoor van het deeltje. Terwijl de deeltjes door het volgapparaat bewegen, elektrische signalen worden geregistreerd en vervolgens vertaald naar een computermodel. Calorimeterdetectoren stoppen en absorberen ook een deeltje om zijn energie te meten, en straling wordt ook gebruikt om de energie en massa verder te meten, waardoor de identiteit van een bepaald deeltje wordt verkleind.

Eigenlijk, zo konden wetenschappers deeltjes volgen en vangen tijdens en na het proces van versnelling en botsing toen de LHC zijn meest recente run deed. een kwestie, echter, was dat met zoveel botsingen per seconde – we hebben het over miljarden – niet alle protonen die inslaan eigenlijk zo interessant waren. Wetenschappers moesten een manier vinden om de nuttige botsingen te scheiden van de saaie. Dat is waar de detectoren binnenkomen:ze spotten deeltjes die er interessant uitzien, voer ze vervolgens door een algoritme om te zien of ze een nadere blik verdienen [bron:Phoboo]. Als ze nader onderzoek nodig hebben, wetenschappers gaan daar mee aan de slag.

Wanneer de LHC in 2015 weer wordt ingeschakeld er zullen nog meer botsingen zijn dan voorheen (en tweemaal de botsingsenergie) [bron:Charley]. Wanneer dat gebeurt, het systeem dat een "hey, kijk naar deze" vlag voor de natuurkundigen gaat bogen op een upgrade:er zullen meer verfijnde selecties worden gemaakt om voorbij de eerste fase te komen, en dan zullen al die gebeurtenissen volledig worden geanalyseerd.

Dus, blijf op de hoogte om meer te weten te komen over hoe natuurkundigen deeltjes in de LHC volgen; dingen kunnen daar met bijna de lichtsnelheid veranderen.

Veel meer informatie

Notitie van de Auteur:Hoe houden ze de deeltjes in de LHC bij?

Godzijdank hoeven protonen - in tegenstelling tot de muizen of ratten van andere wetenschappelijke experimenten - niet te worden gevoed en gedrenkt. Zullen miljarden botsingen per seconde, deeltjesfysica krijgt de prijs voor de meeste verzamelde gegevens met de minste hoeveelheid kaas als beloning.

bronnen:

CERN. "Lineaire versneller 2." 2014. (17 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/accelerators/linear-accelerator-2
CERN. "Samen trekken." 2014. (17 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/engineering/pulling-together-superconducting-electromagnets
CERN. "Het versnellercomplex." 2014. (17 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/accelerators
Charley, Sara. "Partikels sneller volgen bij LHC." Symmetrie tijdschrift. 21 april 2014. (17 juli, 2014) http://www.symmetrymagazine.org/article/april-2014/tracking-particles-faster-at-the-lhc
Izlar, Kelly. "Toekomstige LHC-supermagneten slagen erin." Symmetrie tijdschrift. 11 juli 2013. (17 juli, 2014) http://www.symmetrymagazine.org/article/july-2013/future-lhc-super-magnets-pass-muster
O'Luanaigh, Cian. "Zwaar metaal." CERN. 4 februari 2013. (17 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/02/heavy-metal-refilling-lead-source-lhc
Foboe, Abha Eli. "Het ATLAS-triggersysteem upgraden." CERN. 19 december 2013. (17 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/cern-people/updates/2013/12/upgrading-atlas-trigger-system
Het deeltjesavontuur. "Hoe experimenteren we met kleine deeltjes?" Het Berkeley-laboratorium. (17 juli, 2014) http://www.particleadventure.org/accel_adv.html