Collider Løsnet! Lhc'En Vil Snart Få Sin Styrke

{h1}

For første gang vil lhc snart nå sin mål energi og muligvis mere. Fermilab videnskabsmand don lincoln afslører de slags vanvittige energiniveauer vi vil se, og hvordan de utroligt lyse bjælker kan svare på grundlæggende spørgsmål om arten af

Don Lincoln er seniorforsker ved US Department of Energy's Fermilab, USAs største Research Institute for Large Hadron Collider. Han skriver også om videnskab for offentligheden, herunder hans seneste "The Great Hadron Collider: Higgs Bosons ekstraordinære historie og andre ting, der vil blæse dit sind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan følge ham på Facebook. Meningerne her er hans egen. Lincoln bidrog med denne artikel til WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Hvis du er en science groupie og ville elske noget bedre end for en hjørnesten videnskabelig teori at blive væltet og erstattet med noget nyere og bedre, så kan 2016 godt være dit år. Verdens største partikelaccelerator, Large Hadron Collider (LHC), genoptager operationer efter en pause i vintermånederne, hvor prisen for elektricitet i Frankrig er højest.

Så hvorfor er det så meget, at LHC kommer tilbage på nettet? Det er fordi dette er året acceleratoren vil fungere på noget, der nærmer sig dets designspecifikationer. Forskere vil smadre gaspedalen til gulvet, dreje brandslangen helt åben, dreje forstærkerknappen til elleve eller oprette uanset metafor du kan lide. I år er det første virkelige år med fuldskala LHC-operationer.

En partikel smasher genfødt

Nu hvis du faktisk er en science groupie, du ved hvad LHC er og har sikkert hørt om nogle af dens resultater. Du ved, det knuser sammen to bjælker af protoner, der kører næsten ved lysets hastighed. Du ved, at forskere ved hjælp af LHC fandt Higgs boson. Du ved, at dette vidunder er den største videnskabelige enhed, der nogensinde er bygget.

Så hvad er der anderledes nu? Nå, lad os gå tilbage i tiden til 2008, da LHC cirkulerede sine første bjælker. På den tid var verdens førende partikelaccelerator det amerikanske Department of Energy's Fermilab Tevatron, der kolliderede bjælker ved en kæmpestor 2 billioner elektronvolt (TeV) af energi og med en strålestyrke på ca. 2 × 1032 cm-2 s-1. Den tekniske term for stråle lysstyrke er "øjeblikkelig lysstyrke", og i grunden er det en tæthed. Nærmere bestemt, når en stråle passerer et mål, er den øjeblikkelige lysstyrke (L) antallet af partikler pr. Sekund i en stråle, der passerer et sted (ΔNB/ Δt) divideret med bjælkens areal (A) multipliceret med antallet af mål (NT), L = ΔNB/ Δt × (1 / A) × NT. (Og målet kan være en anden stråle.)

Den enkleste analogi, der hjælper dig med at forstå denne mængde er en lyskilde og et forstørrelsesglas. Du kan øge lysets "lysstyrke" ved at skrue op for lyskildens lysstyrke eller ved at fokusere lyset tættere. Det er på samme måde med en stråle. Du kan øge den øjeblikkelige lysstyrke ved at øge antallet af stråler eller målpartikler eller ved at koncentrere strålen ind i et mindre område.

LHC'en blev bygget til at erstatte Tevatron og trounce, at maskinens allerede imponerende præstationsnumre. Den nye accelerator blev designet til at kollidere bjælker ved en kollisionsenergi på 14 TeV og at have en stråle lysstyrke - øjeblikkelig lysstyrke - på mindst 100 × 1032 cm-2 s-1. Så strålenergien skulle være syv gange højere, og strålens lysstyrke ville stige 50 til 100 gange.

Desværre blev der i 2008 opdaget en konstruktionsfejl i LHC, da en elektrisk kort forårsagede alvorlig skade, hvilket kræver to år at reparere. Endnu, da LHC rent faktisk kørte i 2010, opererede den ved halvdelen af ​​designenergien (7 TeV) og ved en strålestyrke stort set den samme som Fermilab Tevatron. Den lavere energi var at give en stor sikkerhedsmargen, da designfejlen kun var patched, ikke fuldstændig reengineered.

Situationen blev forbedret i 2011, da strålens lysstyrke blev så høj som 30 × 1032 cm-2 s-1, selv med den samme stråleenergi. I 2012 blev stråleenergien hævet til 8 TeV, og strålens lysstyrke var højere stadig og toppede ved ca. 65 × 1032 cm-2 s-1.

LHC blev lukket i 2013 og 2014 for at eftermontere acceleratoren for at gøre det sikkert at køre tættere på designspecifikationerne. Eftermonteringen bestod hovedsagelig af yderligere industrielle sikkerhedsforanstaltninger, der muliggjorde bedre overvågning af de elektriske strømme i LHC. Dette hjælper med at sikre, at der ikke er elektriske shorts, og at der er tilstrækkelig udluftning. Udluftningen garanterer ingen katastrofale brud på LHC-magneterne (som styrer bjælkerne) i tilfælde af, at kryogene væsker - helium og nitrogen - i magneterne varmes op og bliver til en gas. I 2015 genoptog LHC operationer, denne gang ved 13 TeV og med en stråle lysstyrke på 40 × 1032 cm-2 s-1.

Så hvad forventes i 2016?

LHC'en kører ved 13 TeV og med en strålestyrke, som forventes at nærme sig 100 × 1032 cm-2 s-1 og muligvis endda lidt overstige dette mærke. I det væsentlige vil LHC køre på designspecifikationer.

Derudover er der en teknisk ændring i 2016. Protonerne i LHC bjælkerne vil blive spredt mere ensartet rundt om ringen, hvilket reducerer antallet af protoner, der kolliderer samtidigt, hvilket resulterer i bedre data, der er lettere at tolke.

På et teknisk niveau er det lidt interessant.En partikelstråle er ikke kontinuerlig som en laserstråle eller vand kommer ud af en slange. I stedet kommer bjælken i et par tusind forskellige "bunches". En flok ser lidt ud som en pind med uspecificeret spaghetti, undtagen den handler om en fod lang og meget tyndere - ca. 0,3 millimeter, mesteparten af ​​tiden. Disse bunker rejser i den enorme 16 km lange (27 kilometer) cirkel, der er LHC, med hver bunke adskilt fra de andre bunker med en afstand, der indtil nu har været omkring 50 fod.

Den tekniske ændring i 2016 er at tage det samme antal stråle protoner (ca. 3 × 1014 protoner) og opdele dem i 2.808 bunker, hver adskilt ikke med 50 fod, men ved 25 fod (7,6 m). Dette fordobler antallet af klaser, men skærer antallet af protoner i hver flok i halvdelen. (Hver flok indeholder ca. 1011 protoner.)

Fordi LHC har samme antal protoner, men adskilles i flere bunker betyder det, at når to bunker krydser og kolliderer i midten af ​​detektoren, er der færre kollisioner pr. Krydsning. Da de fleste kollisioner er kedelige og energibesparende affærer, har mange af dem samtidig med at der opstår en interessant kollision, bare at rydde dataene op.

Ideelt set vil du kun have en interessant kollision og ingen samtidige kedelige. Denne ændring af buntseparationsafstand fra 50 fod til 25 fod bringer dataopsamlingen tættere på idealen.

Lysstråler

Et andet vigtigt designelement er den integrerede stråle. Strålingsstyrken (øjeblikkelig lysstyrke) er relateret til antallet af protonkollisioner pr. Sekund, mens integreret stråle (integreret lysstyrke) er relateret til det samlede antal kollisioner, der opstår, når de to modrotorerende stråler løbende passerer gennem detektoren. Integreret lysstyrke er noget, der tilføjer over dage, måneder og år.

Enheden med integreret lysstyrke er en pb-1. Denne enhed er lidt forvirrende, men ikke så dårlig. "B" i "pb" står for en stald (mere om det på et øjeblik). En laden er 10-24 cm2. Et picobarn (pb) er 10-36 cm2. Udtrykket "ladning" er en enhed af området og kommer fra en anden partikelfysikbetegnelse kaldet et tværsnit, som er relateret til, hvor sandsynligt det er, at to partikler vil interagere og generere et bestemt udfald. To objekter, der har et stort effektivt område, vil interagere let, mens objekter med et lille effektivt område vil interagere sjældent.

Et objekt med et areal er en firkant med en længde på 10-12 cm. Det handler om størrelsen af ​​kernen i et uranatom.

Under anden verdenskrig arbejdede fysikere ved Purdue University i Indiana med uran og havde brug for at maskere deres arbejde af sikkerhedsmæssige årsager. Så de opfandt termen "laden" og definerede den som et område omkring størrelsen af ​​en urankerne. I betragtning af hvor stort dette område er i nukleare og partikelfysikernes øjne, samtykkede purduevidenskaberne sætningen "lige så stor som en laden". I lysstyrkeverdenen med sine enheder af (1 / laden) betyder små tal mere lysstyrke.

Denne tendens er tydelig i den integrerede lysstyrke, der ses i LHC hvert år, da forskere forbedrede deres evne til at betjene acceleratoren. Den integrerede lysstyrke i 2010 var 45 pb-1. I 2011 og 2012 var det 6.100 pb-1 og 23.300 pb-1, henholdsvis. Som tiden gik, kørte acceleratoren mere pålideligt, hvilket resulterede i langt højere antal registrerede kollisioner.

Fordi acceleratoren var blevet konfigureret igen i 2013-nedlæggelsen i 2013, var lysstyrken lavere i 2015 og kom ind på 4.200 pb-1, selv om selvfølgelig ved den meget højere stråleenergi. 2016 projektionen kunne være så høj som 35.000 pb-1. Den forventede stigning afspejler kun acceleratoroperatørernes øgede tillid til deres evne til at drive anlægget.

Det betyder i 2016, at vi faktisk kunne registrere otte gange så mange data som vi gjorde i 2015. Og det forventes, at 2017 vil give endnu højere ydeevne.

Lysende ny videnskab

Lad os tænke over, hvad disse forbedringer betyder. Da LHC først kolliderede bjælker, blev Higgs boson i 2010 stadig observeret. På den anden side var partiklen allerede forudsagt, og der var gode omstændigheder til at forvente, at Higgs ville blive opdaget. Og uden tvivl må det indrømmes, at opdagelsen af ​​Higgs boson var en enorm videnskabelig triumf.

Men at bekræfte tidligere forudsagte partikler, ligegyldigt hvor imponerende, er ikke, hvorfor LHC blev bygget.

Forskernes nuværende teori om partikelverdenen hedder standardmodellen, og den blev udviklet i slutningen af ​​1960'erne, et halvt århundrede siden. Selvom det er en utrolig succesrig teori, er det kendt at have huller. Selvom det forklarer, hvorfor partikler har masse, forklarer det ikke, hvorfor nogle partikler har mere masse end andre. Det forklarer ikke, hvorfor der er så mange grundlæggende partikler, da kun en håndfuld af dem er nødvendige for at udgøre det almindelige stof af atomer og hvalpe og pizzaer. Det forklarer ikke hvorfor universet udelukkende består af materie, når teorien forudsiger det, og antimateri skal eksistere i lige store mængder. Det identificerer ikke mørk materie, som er fem gange mere udbredt end almindeligt materiale, og det er nødvendigt at forklare, hvorfor galakser roterer stateligt og ikke rive sig fra hinanden.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

Når du kommer lige ned til det, er der meget, som standardmodellen ikke forklarer. Og mens der er masser af ideer om nye og forbedrede teorier, der kan erstatte det, er ideer billige. Tricket er at finde ud af, hvilken ide der er rigtig.

Det er her, hvor LHC kommer ind.LHC kan undersøge, hvad der sker, hvis vi udsætter sagen for mere og mere alvorlige forhold. Brug af Einsteins ligning E = mc2, kan vi se, hvordan højkollisionsenergierne kun opnås i LHC'en omdannes til former for materiel, der aldrig tidligere er set. Vi kan sive gennem LHC data for at finde spor, der peger os i den rigtige retning for forhåbentlig at finde ud af den næste større og mere effektive teori. Vi kan tage endnu et skridt i retning af vores endelige mål om at finde en teori om alting.

Med LHC'en, der nu opererer i hovedsagelig designspec, kan vi endelig bruge maskinen til at gøre, hvad vi har bygget det til: at udforske nye verdener, for at undersøge fænomener, som vi aldrig har set og stjæle en linje fra mit yndlings tv-show " hvor ingen er gået før. " Vi forskere er begejstrede. Vi er uhyggelige. Vi er pumpet. Faktisk kan der kun være en måde at udtrykke, hvordan vi ser det kommende år:

Det er showtime.

Få mere perspektiv på hvordan lightsabers virker, hvorfor supercolliders ikke kaster sorte huller og meget mere på Don Lincoln's Expert Voices destinationsside.

Følg alle spørgsmålene og debatterne fra Expert Voices - og blive en del af diskussionen - på Facebook, Twitter og Google+. Synspunkterne er de af forfatteren og afspejler ikke nødvendigvis udgiverens synspunkter. Denne version af artiklen blev oprindeligt udgivet på WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com