Hur Håller De Reda På Partiklarna I Lhc?

Som alla som har en skräpslåda vet är det svårt att hålla reda på små efemerabitar. Du svär att du hade tumblingar – de måste flyttas in där någonstans, eller hur? Tillsammans med limet? Eller finns de i den stora lådan med kontorsmateriel som också har några slumpmässiga bitar av gammal tv-utrustning, plus de klippare du använder för att klippa hunden varje sommar? Och va, alla bilder från ditt bröllop finns också i den rutan. Kanske skulle du hålla bättre reda på dem om de låg i skräpslådan? I de går.

Att hantera allt det slumpmässiga röran kan ge dig lite sympati för fysikerna vid Europeiska organisationen för kärnforskning. (Vilket är förkortat till CERN, i en förvirrande vändning av händelser som har att göra med en fransk-till-engelsk översättning.) CERN-forskare är de smarta galerna och killarna som driver Large Hadron Collider – vilket vi kommer att förkorta till mycket mer praktisk LHC. LHC är den stora partikelacceleratorn som ligger djupt under den schweiziska landsbygden, där fysiker bekräftade existensen av Higgs boson, en subatomär partikel som fick forskare att förstå mer om hur materien får massa i universum.

Nyckelordet här är ”subatomiskt.” Att säga att forskare vid CERN tittar på saker i liten skala är en enorm understatement. De tittar inte bara på två protoner – själva subatomära partiklar – kolliderar i varandra, utan de försöker också kartlägga det subatomära skräpet som flyger av när det händer. För de oinitierade kan det bara se ut som en skräp med små, små, snabbt rörliga partiklar … som förutom att de är så små förfaller nästan snabbare än du kan upptäcka dem.

Låt oss gå igenom hela processen med förflyttning för att få en känsla av vad det är som forskare måste hålla reda på. Vid LHC springer protoner runt ett cirkulärt spår med nästan ljusets hastighet. Och de är inte bara redo att bli dragkedja med ett ögonblick. Forskarna vid CERN måste leverera en stråle av protoner in i LHC genom att strömma vätgas till en duoplasmatron, som raderar elektronerna från väteatomerna, vilket bara lämnar protoner [källa: O’Luanaigh].

Protonerna kommer in i LINAC 2, den första acceleratorn i LHC. LINAC 2 är en linjär accelerator, som använder elektromagnetiska fält för att trycka och dra protoner, vilket får dem att påskynda [källa: CERN]. Efter att ha gått igenom den första accelerationen, reser protonerna redan med 1/3 av ljusets hastighet.

Sedan går de in i Proton Synchrotron Booster, som består av fyra ringar. Separata grupper av protoner springer runt var och en – samtidigt som de rusas upp med elektriska pulser och styrs med magneter. Vid denna punkt pacerar de med 91,6 procent av ljusets hastighet, och varje protongrupp fastnar närmare varandra.

Slutligen kastas de ut i Proton Synchrotron – nu i en mer koncentrerad grupp [källa: CERN]. I Proton Synchrotron cirkulerar protoner runt den 6260 meters ringen på cirka 1,2 sekunder per varv, och de når över 99,9 procent av ljusets hastighet [källa: CERN]. Det är vid denna tidpunkt som de verkligen inte kan komma mycket snabbare; istället börjar protonerna att öka i massa och blir tyngre. De kommer in i den superlativt namngivna Super Proton Synchrotron, en ring på 7 mil (7 kilometer), där de accelereras ännu längre (vilket gör dem ännu tyngre) så att de är redo att skjutas in i strålrören i LHC.

Det finns två vakuumrör i LHC; den ena har protonstrålen som reser ett sätt, medan den andra har en balk som tävlar motsatt väg. Men på fyra sidor av 16,5 mil (27 kilometer) LHC finns det en detektorkammare där balkar kan korsa varandra – och det är där magin i partikelkollision sker. Det är äntligen vår låda med subatomiskt röran.

”Kul”, kanske du tänker. ”Det är en cool historia om partikelacceleration, bro. Men hur vet fysiker var partiklarna går i gaspedalen? Och hur pekar de för att hålla reda på skräpkollisionen för att studera det?”

Magneter, yo. Svaret är alltid magneter.

För att vara rättvis är det faktiskt bara svaret på den första frågan. (Vi kommer till den andra på en sekund.) Men riktigt gigantiska, kalla magneter hindrar partiklarna från att gå på fel sätt. Magneterna blir superledare när de hålls vid en mycket låg temperatur – vi talar kallare än yttre rymden. Med de superledande magneterna skapas ett starkt magnetfält som styr partiklarna runt LHC – och så småningom in i varandra [källa: Izlar].

Som ger oss till vår nästa fråga. Hur följer forskare de partiklar som är resultatet av kollisionshändelsen? ”Spår” blir faktiskt ett talande ord i vår förklaring. Som ni kan föreställa er, tittar fysikerna inte bara på en storskärms-tv, och vänder mellan en skärm av protonfyrverkerier och omspelningar av ”Star Trek.” När de observerar protonkörningar och kollisioner tittar forskare mestadels på data.(Inte data.) Partiklarna som de ”håller reda på” efter kollisioner är faktiskt inte mer än spår med data som de kan analysera.

En av detektorerna kallas faktiskt en spårningsanordning, och det gör att fysikerna ”kan” se vägen som partiklarna tog efter kollision. Naturligtvis, vad de ser är en grafisk representation av partikelns spår. När partiklarna rör sig genom spårningsanordningen registreras elektriska signaler och översätts sedan till en datormodell. Kalorimeterdetektorer stoppar och absorberar också en partikel för att mäta sin energi, och strålning används också för att ytterligare mäta sin energi och massa, och på så sätt minskar en viss partikels identitet.

I huvudsak är det så att forskare kunde spåra och fånga partiklar under och efter processen med acceleration och kollision när LHC gjorde sin senaste körning. En fråga var dock att med så många kollisioner som inträffade per sekund – vi talar miljarder – var inte alla protonerna som krossade faktiskt så intressanta. Forskare behövde hitta ett sätt att sortera användbara kollisioner från de tråkiga. Det är där detektorerna kommer in: De ser partiklar som ser intressanta ut och kör dem sedan genom en algoritm för att se om de förtjänar en närmare titt [källa: Phoboo]. Om de behöver noggrannare undersökning, får forskare det.

När LHC slås på igen 2015 kommer det att bli ännu fler kollisioner än tidigare (och två gånger kollisionsenergin) [källa: Charley]. När det händer kommer systemet som utlöser en ”hej, titta på den” flaggan till fysikerna att skryta med en uppgradering: Mer fininställda val kommer att göras för att gå förbi det första steget, och sedan kommer alla dessa händelser att analyseras fullständigt .

Så håll dig uppdaterad för att ta reda på mer om hur fysiker spårar partiklar i LHC; saker och ting kan förändras där med nästan lätt hastighet.

Författarens anmärkning: Hur håller de reda på partiklarna i LHC?

Tack och lov protoner – till skillnad från möss eller råttor från andra vetenskapliga experiment – behöver inte matas och vattnas. Kommer miljarder kollisioner en sekund, partikelfysik får priset för de flesta uppgifter som samlas in med minsta mängd ost som belöning.