Zelfs op de heetste en droogste dagen, stralen van de zon zijn te zwak om een ​​vuur te ontsteken. Maar met een vergrootglas (of, in sommige ongelukkige gevallen, een glazen tuinornament), je kunt zonlicht concentreren in een straal die helder genoeg is om tondel in vuur en vlam te zetten.

Bij de Large Hadron Collider, wetenschappers passen hetzelfde principe toe bij het focussen van bundels protonen (of soms zware ionen) voordat ze door de vier botsingspunten van de versneller worden geleid. Hoogenergetische deeltjesbotsingen stellen wetenschappers in staat de fundamentele wetten van de natuurkunde te bestuderen en naar nieuwe deeltjes te zoeken. velden en krachten.

Door de protonenbundels scherp te focussen vlak voordat ze botsen, wetenschappers kunnen het aantal botsingsgebeurtenissen dat ze moeten bestuderen snel laten groeien.

wetenschappers, ingenieurs en technici bij CERN en over de hele wereld, inclusief bij Fermi National Accelerator Laboratory, Brookhaven National Laboratory en Lawrence Berkeley National Laboratory, samen als onderdeel van het High-Luminosity LHC Accelerator Upgrade Program van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science - bouwen ze nieuwe focusmagneten, die de botsende protonen in nog kleinere volumes zal persen. Ze ontwerpen ook nieuwe kicker-magneten, die de banen van de binnenkomende deeltjes zal stoten om de twee bundels te helpen elkaar face-to-face te ontmoeten op het botsingspunt.

Aan het eind van de jaren 2020, wetenschappers zullen een turbocharged High-Luminosity LHC inschakelen. De upgrade zal het totale aantal potentiële botsingen dat wetenschappers moeten bestuderen met minstens een factor 10 doen toenemen.

Waarom helderheid en geen botsingen?

Zoals je misschien gemerkt hebt, als natuurkundigen praten over deeltjesbotsingen, ze praten over een meting die helderheid wordt genoemd. Het vertelt wetenschappers niet precies hoeveel deeltjesbotsingen er plaatsvinden in een botser; liever, helderheid meet hoe dicht de deeltjes zijn in de bundels die elkaar kruisen. Hoe strakker de druk, hoe waarschijnlijker het is dat sommige deeltjes zullen botsen.

In de HL-LHC, Verwacht wordt dat 220 miljard protonen elke 25 nanoseconden nog eens 220 miljard protonen zullen passeren op de vier experimentele kruispunten van de versneller. Maar de overgrote meerderheid van de protonen zal niet echt met elkaar interageren. Zelfs met de beste bundelfocustechnologie van vandaag, de kans dat een proton in botsing komt met een ander proton in de LHC-ring is nog steeds aanzienlijk kleiner dan de kans om de Mega Millions Jackpot te winnen.

Protonen zijn geen vaste bollen die stuiteren, breken of breken wanneer ze met elkaar in contact komen. Liever, het zijn rommelige pakketjes velden en nog kleinere deeltjes die quarks worden genoemd.

Twee protonen kunnen dwars door elkaar heen gaan, en er is een kans dat ze alleen die scène uit de film Ghost naspelen, waarin acteur Patrick Swayze, het titulaire fantoom spelen, steekt zijn etherische hoofd in een rijdende trein - zonder resultaat. Je kunt de protonen in een frontale botsing brengen, maar je kunt ze niet laten interageren.

Zelfs als twee protonen op elkaar inwerken, telt het als een aanrijding? Als twee protonen langs elkaar vliegen en de schokgolf van hun elkaar kruisende elektromagnetische velden een paar fotonen uitwerpt, telt dat? Wat als een van deze verdwaalde fotonen door het hart van een ander proton duikt? Wat als twee protonen elkaar grazen en een hoop deeltjes afschieten, maar intact blijven?

Aanrijdingen zijn ingewikkeld. Dus natuurkundigen praten in plaats daarvan over helderheid.

Aanvaringspercentage

De snelheid waarmee deeltjes worden samengebracht om te botsen, wordt "onmiddellijke helderheid" genoemd.

"De momentane helderheid hangt af van het aantal deeltjes in elke botsende bundel en het gebied van de bundels, " zegt Paul Lujan, een postdoc aan de Universiteit van Canterbury die werkt aan lichtsterktemetingen voor het CMS-experiment. "Een kleinere bundelgrootte betekent meer potentiële botsingen per seconde."

in 2017, LHC-fysici bereikten een nieuw record toen ze een onmiddellijke helderheid van 2,06 x 10 . meten ³⁴ per vierkante centimeter per seconde. (Vermenigvuldig het aantal protonen in elke bundel, deel vervolgens door het straaloppervlak - in vierkante centimeters - in de loop van de tijd.)

"De eenheden van helderheid zijn een beetje niet-intuïtief, "Lujan zegt, "maar het geeft ons precies de informatie die we nodig hebben."

Wanneer wetenschappers de LHC laden met een nieuwe lading deeltjes om te botsen, ze houden ze draaiende zolang de stralen in voldoende goede staat zijn met genoeg deeltjes over om een ​​goede onmiddellijke helderheid te hebben.

Aangezien een gemiddelde LHC-vulling tussen de 10 en 20 uur duurt, het aantal mogelijke botsingen kan zeer snel oplopen. Wetenschappers geven dus niet alleen om onmiddellijke helderheid; ze geven ook om "geïntegreerde helderheid, " hoeveel potentiële botsingen zich ophopen gedurende die uren hardlopen.

Kon de brede kant van een staldeur niet raken

Het verschil tussen onmiddellijke helderheid en geïntegreerde helderheid is het verschil tussen, "Op dit moment rijd ik met 60 mijl per uur, " en "Meer dan tien uur, Ik heb 600 mijl gereden."

Voor geïntegreerde helderheid, natuurkundigen stappen over van vierkante centimeters naar een nieuwe oppervlakte-eenheid:de schuur, een verwijzing naar het idioom, 'Kon de brede kant van een schuur niet raken.' Vanuit het oogpunt van een subatomair deeltje, "de schuur" is zo enorm dat het moeilijk te missen zou zijn.

De schuur is uitgevonden in de jaren veertig. De werkelijke grootte - 10 tot 24 centimeter in het kwadraat - werd geclassificeerd tot het einde van de Tweede Wereldoorlog. Dat komt omdat het gelijk is aan de grootte van een uraniumkern, een belangrijk ingrediënt in de toen nieuw ontwikkelde atoombom.

De schuur bleef na de oorlog hangen en werd een standaard manier om oppervlakte te meten in de kern- en deeltjesfysica.

Praten in schuren - en een nog kleinere eenheid gelijk aan 10 ^-15 schuren genaamd de "femtobarn" - stelt natuurkundigen in staat een enorm aantal te nemen en om te zetten, het veranderen van iets dat te lang is om op de zijkant van een echte schuur te schrijven in iets dat op een ansichtkaart zou kunnen passen.

Natuurkundigen gebruiken ook femtobarns om de waarschijnlijkheid van een subatomair proces te meten, noemde zijn "dwarsdoorsnede."

"Stel je een voedselgevecht voor in een cafetaria, " zegt Lujan. "We kunnen het aantal mensen voorspellen dat bespat zal worden met een verdwaalde gehaktbal [een "gehaktbal-interactie, " als je wilt] op basis van het aantal aanwezigen, de oppervlakte en afmetingen van de cafetaria, hoe lang het voedselgevecht duurt [wat kan worden gebruikt om de "geïntegreerde helderheid" van alle mogelijke interacties te berekenen, inclusief gehaktbalinteracties] evenals de waarschijnlijkheid van dat specifieke proces [de "dwarsdoorsnede" van een gehaktbalinteractie]."

Om de wetten van de fysica te testen, natuurkundigen vergelijken hun voorspellingen over de waarschijnlijkheid van bepaalde processen met wat ze in de praktijk zien.

Met de HL-LHC-upgrade, wetenschappers verhogen het aantal protonen, het verkleinen van de diameter van de botsingspunten, en een betere afstemming van de banen van de protonen. Al deze veranderingen helpen om de kans te vergroten dat protonen met elkaar interageren wanneer ze door de kruispunten van de LHC varen. Het toegenomen aantal botsingen zal natuurkundigen helpen zeldzame processen en deeltjes te vinden en te bestuderen die essentieel zijn voor het begrijpen van de fundamentele wetten van de natuurkunde.