Büyük Hadron Çarpıştırıcısı neden dünyadaki en soğuk yerlerden biridir?
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı aslında çok "soğuk"
Sıvı helyum, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın (LHC) içindeki ve dışındaki karmaşık borularda sürekli olarak akmaktadır.Bu kriyojenik soğutma sistemi nedeniyle, LHC yıldızlararası uzaydan daha soğuktur. Öyleyse neden bu kadar soğuk bir sıcaklıkta tutulması gerekiyor?
Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü'nün (CERN) kriyojenik dondurma ekibinin başkanı Serge Claudet, mıknatısın soğuk tutulmadığı takdirde çalışmayacağını söyledi.
Bükülmüş kablo, LHC'nin güçlü elektromıknatısının, kabaca küçük bir şimşek işaretine eşdeğer olan 11.800 amper akım taşımasına izin verir. Parmak genişliğindeki bir kablonun yanmadan çok fazla akım taşıyabilmesi için süper iletken olması gerekir. Süper iletken, sıfır dirençli bir akım iletkenidir. Işığı her açtığınızda direniş bulabilirsiniz. Bir ampul filamenti süper iletken telden yapılmışsa, ne ısı üretmez ne de ışık yayar ve akım doğrudan geçer.
Çoğu endüstriyel süperiletken, süperiletkenliğin sihirli özelliklerini yalnızca mutlak sıfırın birkaç derece üzerinde (-273,15 santigrat derece) elde edebilir. LHC, yaklaşık 27 santigrat derece olan oldukça sıcak bir tünele yerleştirilir. Süper iletken mıknatısı bu ılıman iklimin etkisinden korumak için mühendisler, çekirdeği korumak için onu bir Rus bebeği gibi diğerinden daha soğuk hale getiren bir yalıtım tabakasıyla sarıyorlar.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı
En dış kısım, termos gibi bir vakum odasıdır. En içteki mıknatıs, 1.9 derece Kelvin (-271.25 santigrat derece) süperakışkan sıvı helyumdan oluşan statik bir odaya daldırılır ve sıvı helyum, LHC manyetik bobinin her köşesine nüfuz eder.
Mühendislerin yalnızca LHC'yi tünelin sıcaklığından koruma konusunda endişelenmesi gerekiyorsa, 60 cm sıvı helyum koruyucu katman yeterlidir. Ancak en büyük sorun içseldir.
Bilim adamları, ısının çoğunun içeride oluştuğunu, proton ışınlarından ve mıknatıslardan geldiğini söylüyor. Isı, kaç parçacığın çarpıştığını ölçen fiziksel bir niceliktir ve LHC çekirdeğinden akan 35 milyar proton şüphesiz büyük titreşimlere neden olacaktır. Bir proton bir köşeye uçtuğunda, çevredeki madde tarafından emilen ve uyuyan molekülleri uyandıran hızlı bir ışık darbesi yayar.
Aynı zamanda, bakır kaplı parçacık demeti tüpündeki elektronlar, bir elektrik akımı oluşturan pozitif yüklü proton ışınını yakalamak için metalde akarlar. Hatta bazı elektronlar atomların bağlarından kopacak ve bir boşluğa sıçrayarak çarpışmalara neden olacak ve daha fazla elektron bırakacaktır. Bunların tümü, gittikçe daha fazla ısı üretecek ve ayrıca mıknatısın süper iletkenliğini sürdürmek için hassas koşulları tehdit edecektir.
Parçacık çarpışması
Mıknatısların sıcaklığı 2,17 Kelvin'i (-270,98 santigrat derece) aşarsa süperiletkenliği kaybeder. Bu olduğunda, sadece birazcık olan iç ısıtma yakında çok fazla ısıya yükseltilecektir.
Bu mıknatısları soğuk tutmak için, mühendisler çok basit bir prensibi kullanan karmaşık bir kriyojenik sistem tasarladılar: Bir sıvı buharlaşarak gaza dönüştüğünde ısıyı emer. Bu yüzden duştan sonra üşüyoruz, su soğuk olduğu için değil, su damlacıkları cildimizden buharlaşarak ısımızı uzaklaştırdığı için.
İnce bir boru, mıknatıs destek yapısının içinden geçer ve basınçlı süper soğutulmuş sıvı helyum akışını taşır. Sıvı helyum aşırı ısıyı emdiğinde buharlaşır ve hızla dışarı pompalanır. Başka bir soğutma tüpü, parçacık ışını tüpünün içinden geçer ve kaynaktaki enerjiyi emer.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı
Tüm bu çabalara rağmen, Büyük Hadron Çarpıştırıcısının mıknatısları bazen süperiletkenliği kaybedecek kadar ısınır ve buna "süper iletken mıknatıs söndürme" olayı da denir. Genellikle tek bir konsantre nokta ısınır ve bu çok hızlı gerçekleşir.
Sensör, voltajdaki değişikliği algılar ve ısıyı mıknatıs boyunca dağıtan ve akımı mıknatıstan uzağa aktaran bir sistemi tetikler. Aynı zamanda, LHC parçacık ışını otomatik olarak parçacık ışını tuzağı adı verilen bir beton bloğa gönderilecektir Tüm hızlandırıcı birkaç saat süreyle askıya alınacak ve bu sırada mıknatıs ultra soğuk durumuna dönecektir. Bu sadece iki yılda bir gerçekleşir ve mühendisler her ne pahasına olursa olsun mıknatısı koruyacaktır.
