Büyük Hadron Çarpıştırıcısından sonra ne tür bir hızlandırıcı yapılmalıdır? Fiziği ilerletmek için
Dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı: 2013'te Higgs bozonunu keşfeden Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, ancak bugüne kadar, hatta gelecekte başka parçacıkları bulamayabilir, o zaman sıradayız Ne yapmalıyım?
"Bilginin ilerlemesini hiçbir şey durduramaz çünkü cehalet asla bilgi kadar iyi değildir!" - Enrico Fermi
CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), insanlık tarihindeki en büyük çarpışma enerjisine sahip parçacık hızlandırıcısıdır ve Standart Modeldeki en önemli temel parçacıklardan biri olan Higgs bozonunu keşfetmiştir. Daha sonra, LHC kapatıldı ve bir yıldan fazla bir süre bakım için yükseltildi Şimdi, LHC tarafından hızlandırılan protonların toplam çarpışma enerjisi, Dünya üzerindeki insanlar tarafından yaratılan en yüksek enerji çarpışması olan 13 TeV'dir.
LHC'nin 4,3 kilometre çapında ve 26 kilometre yeraltında çevresi olan bir ivme halkası vardır.Halkanın içinde bir vakum odası vardır.Hızlanmak için halkaya iki yönden yüksek enerjili protonlar enjekte edilir.
Halkanın içine, insanlık tarihindeki en güçlü ve çok sayıda elektromıknatıs yerleştirilir ve süper iletkenliği sağlamak için soğutma için sıvı helyum kullanılır.Böyle güçlü bir elektromıknatıs, gelecekte aşağıdaki iki görevi yerine getirecektir:
- Birincisi, proton geçerken, protona bir elektrik alanı sağlanır ve elektrik alanı protona bir ivme kazandırarak, protona hareket yönünde daha hızlı hareket etmesini sağlar.
- Ek olarak, manyetik alan protonları dairesel bir yola bükmek için kullanılır.Proton hızı arttıkça, protonların dairesel yörüngenin iç duvarına çarpmasını önlemek için manyetik alan buna göre güçlendirilecektir.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısından önce, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Fermi Hızlandırıcı Laboratuvarı eski bir rekor kırdı ve aynı zamanda dünyanın ikinci en yüksek enerji çıkışı proton-antiproton hızlandırıcısıdır.
O sırada, Fermilab hızlandırıcının çevresi yalnızca 6,3 kilometre veya yalnızca 1 kilometre yarıçaptı. Ve ayrıca biraz daha eski bir elektromıknatıs teknolojisi kullanıyordu, bu nedenle maksimum enerjisi sadece 1.96 TeV idi ve proton ve anti proton ışınlarının çarpışma enerjisi 0.98 TeV idi.
Bu yüzden herkesin sıklıkla bu halka hızlandırıcıların çarpışma için elektronlar (ve pozitronlar) yerine genellikle protonları (ve antiprotonları) kullandığına dair bir sorusu vardır. Sonuçta, bir proton, kuarklar ve gluonlardan oluşan bileşik bir parçacık iken, bir elektron tek bir temel parçacıktır.Çarpışmadan sonra, elektron daha net bir sinyal üretebilir ve üretileni tespit etmek daha kolaydır. Yeni parçacıklar. Ve tüm kinetik enerjiyi yeni oluşan parçacıklara dönüştürebilir.
Proton çarpışması sürecinde kinetik enerjinin çoğu genellikle kuarklar ve gluonlar içinde dağılacaktır, bu da enerji dağılımının yeni parçacıkların oluşması için elverişsiz olmasına neden olacaktır.Ayrıca proton çarpışmasından sonra sahne daha kaotik ve tespit daha zordur.
Sorun, manyetik bir alanda hareket eden yüklü parçacıkların senkrotron radyasyonu dediğimiz radyasyon yaymasıdır. Bu radyasyonun neden olduğu enerji kaybı, yüklü parçacığın kütlesinin dördüncü kuvveti ile ters orantılıdır.Bir elektron bir protondan 1836 kat daha hafif olduğu için, hızlanma sürecinde elektron protondan daha hızlı enerji kaybeder. (1836) ^ 4 e kadar olduğunu biliyor musunuz?
Yaklaşık 10 ^ 13 veya 10000.000.000.000. Bu, bir elektronun hızlandırıcıda elde edebileceği maksimum enerjiyi sınırlamak için yeterlidir, bu nedenle dairesel hızlandırıcı protonlar kullanır ve dairesel hızlandırıcının en yüksek enerji çarpışma kaydı protonlar ve antiprotonlar tarafından oluşturulur.
Basitçe ifade etmek gerekirse, parçacık hızlandırıcılarda daha yüksek enerji yaratmak, yeni keşifler için daha fazla olanak anlamına gelir. Bir üst kuarkın kütlesi 175 gev ise (doğal birimlerle hesaplanır), bir üst kuark parçacığı oluşturmak için en az 175 gev enerjiye sahip olması gerekir. Teoride, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 13 TeV kadar yüksek enerjili parçacıklar oluşturabilir; pratikte, 1000-2500 GeV veya 1.0-2.5 TeV kadar yüksek enerjilere sahip tespit edilebilir parçacıklar oluşturur.
Bununla birlikte, Standart Modelde bilinen parçacıklar dışında yeni parçacık yoksa, bu çoğu teorisyen ve fiziksel model kurucu için çok fazla soruna neden olacaktır.
İnsanlar tarafından keşfedilen birçok fenomen, keşfetmemizi bekleyen yeni fiziklerin olduğunu gösterdiğinden, standart modelin dışında parçacıklar bulmayı umuyoruz. Ayrıca LHC'nin sadece Higgs parçacığını keşfetmesi değil, aynı zamanda yeni fizik işaretleri bulabileceğini umuyoruz. Bulamazsanız, fizik için kesinlikle büyük bir sorun olacak ve hatta temel fiziğin yavaş gelişmesine yol açacaktır.
Bu nedenle, bir sonraki adım, ILC'yi veya Uluslararası Doğrusal Çarpıştırıcıyı oluşturmaktır. Doğrusal çarpıştırıcı, elektronların / pozitronların ışık yaydığı yerdir, çünkü parçacıkları bir halka şeklinde bükmemiz gerekmiyorsa, o zaman senkrotron radyasyonu hakkında endişelenmemize gerek kalmaz. Elektron çarpıştıktan sonra, tüm enerjilerde yüksek hassasiyetli bir sinyal üretilecek.Enerji 180Gev'e ulaştığı sürece, bilinen her parçacığı ayrıntılı olarak inceleyebiliriz.
Ancak ILC'nin yanı sıra, fizikçilerin daha da güçlü rüya makineleri var. Gerçekten aşırı enerji yaratabilen bir hızlandırıcı. Peki biz insanların düşünebileceği en büyük parçacık hızlandırıcı nedir?
Maksimum enerjiye ulaşmak istiyorsak, yine de bir halka hızlandırıcı yapmamız gerekir çünkü halka hızlandırıcı parçacıkları tekrar tekrar hızlandırabilir. Toroidal hızlandırıcının çarpışma enerjisini belirleyen iki faktör şunlardır: çift kutuplu mıknatısın kuvveti ile belirlenen döngüsel olarak bükülmüş partiküllerin manyetik alan kuvveti ve biri halkanın yarıçapıdır.
Kulağa bu kadar basit geliyor: Mıknatısın gücü şu anki insan teknolojisi gelişimine bağlıdır ve çok fazla belirsizlik vardır. En güçlü elektromıknatısı yaratamayabiliriz. Ancak, teknik destek gerektirmeyen, sadece büyük miktarda sermaye yatırımı gerektiren halkanın yarıçapını kontrol edebiliriz.
Başka bir deyişle, hızlandırıcının halkası ne kadar büyükse, proton hızı o kadar hızlıdır.
Parçacık fiziğindeki nihai rüya makinesine Fermitron adı verilir, ya dünyanın etrafında dönen ya da dünyanın etrafında sabit bir yörüngede hareket eden bir hızlandırıcıdır. Bu açıkça çok fazla mühendislik, sürekli yatırım ve uluslararası işbirliği gerektiriyor. Dünyanın ortalama yarıçapı 6,371 kilometredir ve bu, Büyük Hadron Çarpıştırıcısının yarıçapının yaklaşık 1.500 katıdır.
Bu, günümüzün mıknatıs teknolojisiyle (LHC'nin kullandığı mıknatıs) bile 20.7 PeV veya 20700 TeV enerjiye ulaşabileceğimiz anlamına gelir! (LHC sadece 13 ton.) Mevcut elektromıknatıs teknolojisini geliştirirsek, bu sayı ancak daha yüksek olacaktır.
Dünya çapında böylesine büyük ölçekli bir makine inşa etmenin önünde kesinlikle politik engeller olacak ve dünya hala sismik olarak aktif bir gezegen ve dünyanın yörüngesinde böyle bir makine yaratmak insan kafasında keskin bir kenar gibi geliyor. Yukarıdaki endişelere sahip olduktan sonra, dünyanın yakınında daha az aktif jeolojik aktivitelere sahip bir gezegen bulabilir ve ardından bunun üzerine dairesel bir pist inşa edebiliriz. Adaylarımız var mı?
Doğru, bu ay! Ayın ekvator yarıçapı 1738 kilometredir ve bu, bir parçacık hızlandırıcı yapmak için iyi bir yerdir! Herhangi bir proton-proton (veya proton-antiproton) hızlandırıcının enerji formülü basittir: Yarıçapı (km) Tesla manyetik alanıyla çarpın ve ardından TeV'deki hızlandırıcının maksimum enerjisini elde etmek için tamamını 0,4 ile çarpın.
1 ışıkyılı yarıçapında bir hızlandırıcı inşa edersek, enflasyon teorisini ve büyük birleşik teoriyi doğrudan test edebileceğimizi hayal edin!
Son tahlilde, bu şeylere ulaşmanın zor olmasının nedeni paranın olmamasıdır. Daha güçlü hızlandırıcılar inşa etmezsek, ancak enerji sınırını tespit etmek istiyorsak daha fazla kozmik ışının dünyayı bombalayacağını umabiliriz.
