Utrolig Teknologi: Hvordan Atom Smashers Arbejde

{h1}

Partikelacceleratorer, også kaldet atommaskere, kolliderer subatomære partikler med meget høj energi for at afsløre grundlæggende egenskaber om universet.

Redaktørens note: I denne ugentlige serie undersøger WordsSideKick.com hvordan teknologi driver videnskabelig efterforskning og opdagelse.

Partikelfysikere har det sejeste job: smadrende subatomære partikler sammen ved vanvittige hastigheder for at opgrave universets mysterier.

Atomsmashers eller partikelacceleratorer kolliderer partikler med atomer eller andre subatomære partikler tæt på lyshastighed, hvilket skaber nye partikler og stråling, der fortæller forskere om stoffets byggesten.

"Vores mål er altid at forstå, hvordan verden er sat sammen," siger Roger Dixon, leder af acceleratorafdelingen ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Batavia, Ill.

Når folk taler om atommassage, refererer de normalt til de gigantiske partikelacceleratorer i underjordiske fysiklaboratorier rundt om i verden. Men faktisk er nogle tv'er endda partikelacceleratorer. Udtrykket "røret" får sit navn fra katodestrålerør, vakuumrør, der skyder en elektronstråle på en fluorescerende skærm. Elektronerne kolliderer med fosformolekylerne i skærmen og producerer et lyspunkt eller pixel.

Gigantiske smashere fungerer med et lignende princip, men i en meget større skala. Partiklerne rejser meget hurtigere, og kollisionerne producerer mere subatomære partikler og stråling - omdanner energi til masse, som beskrevet af Einsteins berømte E = mc ^ 2 ligning. [Wacky Physics: De fedeste små partikler i naturen]

Dette billede viser tunnelen af ​​Large Hadron Collider, hvor bjælker af partikler passerer gennem de centrale rør før de kolliderer med hinanden.

Dette billede viser tunnelen af ​​Large Hadron Collider, hvor bjælker af partikler passerer gennem de centrale rør før de kolliderer med hinanden.

Kredit: CERN

Partikelacceleratorer tager to former: Lineære acceleratorer sender partikler i en ret linje til deres mål, mens cirkulære acceleratorer eller synkrotroner sender partikler, der pisker rundt om et cirkulært spor.

De store spillere

Verdens største, kraftigste accelerator er Synthrotrotronen til Large Hadron Collider (LHC) hos CERN i Genève. Bundet 574 fod (175 meter) under den fransk-schweiziske grænse, slår LHC 17 miles i omkredsen. At være underjordisk beskytter acceleratoren fra kosmisk stråling, som kan producere svigtende partikler, der forvirrer eksperimenterne.

Inden for LHC pisker to protonbjælker rundt om tunnelen i modsatte retninger, sped op af mange radiofrekvenshulrum. Hulrummet producerer et elektrisk felt i samme retning som partiklerne, hvilket giver partiklerne et energikast, mens de zoomer rundt, sagde Myers - ligesom en forælder, der skubber et barn på en legeplads rundt.

Hver stråle bevæger sig i sit eget rør, som holdes ved ultrahøjt vakuum (lavere lufttryk end månens overflade). Bjælkerne styres af en 8,3-tesla superledende elektromagnet, som er omkring 100.000 gange styrken af ​​jordens magnetfelt. Magneterne afkøles til en temperatur på 2 Kelvin eller -456 Fahrenheit (-271 C) under anvendelse af verdens største kryogene system. [Billeder: Verdens største Atom Smasher (LHC)]

Når de accelererede protoner kolliderer, "detekterer detektorer" de resulterende partikler og stråling, de producerer.

Forskere bruger LHC'en til at genskabe forholdene umiddelbart efter Big Bang. I juli 2012 trak LHC international opmærksomhed, da forskere rapporterede opdagelsen af ​​Higgs boson, partiklen troede at forklare, hvordan andre partikler får deres masse.

"Vi ville ikke være her, vi ville ikke have masse, vi ville ikke eksistere uden denne partikel", siger Steve Myers, direktør for acceleratorer og teknologi hos CERN. At finde det var "som at lede efter en nål i en million høstakser", sagde Myers. [Galleri: Søg efter Higgs Boson]

LHC blev lukket i 2013 for at opgradere sin stråleenergi, og planlægges at genåbne i begyndelsen af ​​2015.

I USA huser Fermilab verdens næststørste partikelaccelerator, Tevatron. Før den blev lukket ned i 2011, var Tevatron den første accelerator til at bruge superledende elektromagneter, og blev brugt til at opdage en ny subatomic partikel kendt som top quark.

Fermilabs hovedinjektor til Tevatron er stadig operationel, og forskere bruger det til at sende en stråle neutrinoer eller spøgelsesagtige partikler, der sjældent vekselvirker med det normale stof, til en underjordisk mine i Minnesota 455 miles (732 km) væk. Fermilabs hovedinjektor er en del af en kæde af forbundne partikelacceleratorer, som (førte til) til Tevatron. Det accelererer protoner og antiprotoner, som bliver fodret ind i Tevatron.

I fremtiden håber Fermilabs ingeniører at lave en lineær accelerator, der bruger superledende radiofrekvenshulrum, som er metallkamre, der producerer de elektriske felter, der er nødvendige for at accelerere partikler til høje energier.

Den eneste amerikanske partikelkollider, der aktuelt er i drift, er den Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory i Upton, N.Y.

Disse maskiner er "intet andet end lygter, der bliver mere og mere kraftfulde", sagde Dixon, Fermilabs chef for acceleratorafdelingen. "Når du gør energien højere og højere, kan du se finere og finere detaljer om materie og hvordan det er sat sammen," sagde Dixon.

Andre acceleratorer

Hvis LHC og Tevatron er rumfartøjerne i acceleratorverdenen, der opererer i tera (billioner) elektronvoltområde, er giga (milliard) elektronvolt (GeV) -acceleratorerne passagerflyene.

Tag Stanford Linear Accelerator, eller SLAC, i Menlo Park, Calif. På 2 km (3.2 km) er SLACs største lineære accelerator den længste i verden. Det producerer elektroner ved hjælp af en radiofrekvent ionkilde for at accelerere elektroner og positrons (antimater-modstykker af elektroner) op til 50 GeV.

Men disse acceleratorer er begrænset af den spænding, der kan anvendes, før de lider af elektrisk nedbrydning. Nu udvikler forskere ved University of Texas i Austin og andre steder en helt anden form for accelerator - der kan passe på en bordplade.

Gregory McLaskey undersøger en bordplade model af en fejl hos UC Berkeley.

Gregory McLaskey undersøger en bordplade model af en fejl hos UC Berkeley.

Kredit: Preston Davis.

Disse tabletop acceleratorer pulserer en laser ved heliumgas for at skabe plasma, en høj energi tilstand af materie, hvor atomerne fjernes fra deres elektroner. "En plasma er per definition allerede nedbrudt og så fuldstændig beskadiget som et materiale kan være og har derfor ingen nedbrydningsgrænse", siger fysiker Michael Downer, leder af UT Austin-holdet.

Ligesom en båd efterlader et vågne i vandet, efterlader laserstrålen et vække i plasmaet, og elektronerne accelererer ved at "surfe" på denne vågne. Ved hjælp af Downers system kan elektroner boostes til 2 GeV, en energi, der ville kræve længden af ​​to fodboldbaner med konventionelle acceleratorer.

Ved meget lavere energier er partikelacceleratorer almindeligt anvendt i medicin. Partikelterapi bruges til at behandle kræft ved hjælp af bjælker af højtydende protoner eller andre partikler.

Følge efter Tanya Lewis Twitterog Google+. Følg os @wordssidekick, Facebook& Google+. Originalartikel på WordsSideKick.com.


Video Supplement: The Art of Quantum Jumping.




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

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com