Incredible Technology: Hoe Atom Smashers Werken

{h1}

Deeltjesversnellers, ook wel atom smashers genoemd, botsen subatomaire deeltjes tegen zeer hoge energie om fundamentele eigenschappen over het universum te onthullen.

Opmerking van de uitgever: In deze wekelijkse serie onderzoekt WordsSideKick.com hoe technologie wetenschappelijke verkenning en ontdekking stimuleert.

Deeltjesfysici hebben de coolste taak: subatomaire deeltjes samen op krankzinnige snelheden slaan om de mysteries van het universum te ontrafelen.

Atom smashers, of deeltjesversnellers, botsen deeltjes met atomen of andere subatomaire deeltjes tegen bijna de lichtsnelheid, waardoor nieuwe deeltjes en straling ontstaan ​​die wetenschappers over de bouwstenen van de materie vertellen.

"Ons doel is altijd om te begrijpen hoe de wereld in elkaar zit", zei Roger Dixon, hoofd van de acceleratorafdeling bij Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Ill.

Wanneer mensen het hebben over het inslaan van atomen, verwijzen ze meestal naar de gigantische deeltjesversnellers in ondergrondse natuurkunde-laboratoria over de hele wereld. Maar in feite zijn sommige televisies zelfs deeltjesversnellers. De term "de buis" dankt zijn naam aan kathodestraalbuizen, vacuümbuizen die een elektronenstraal op een fluorescerend scherm opnemen. De elektronen botsen met de fosformoleculen in het scherm en produceren een lichtvlek of pixel.

Gigantische atoombommachines werken volgens een vergelijkbaar principe, maar op een veel grotere schaal. De deeltjes reizen veel sneller en de botsingen produceren meer subatomaire deeltjes en straling - het omzetten van energie in massa, zoals beschreven door de beroemde E = mc ^ 2-vergelijking van Einstein. [Wacky Physics: de coolste kleine deeltjes in de natuur]

Deze foto toont de tunnel van de Large Hadron Collider, waar deeltjes deeltjes door de centrale buizen passeren voordat ze tegen elkaar botsen.

Deze foto toont de tunnel van de Large Hadron Collider, waar deeltjes deeltjes door de centrale buizen passeren voordat ze tegen elkaar botsen.

Credit: CERN

Deeltjesversnellers nemen twee vormen aan: Lineaire versnellers sturen deeltjes in een rechte lijn naar hun doel, terwijl cirkelvormige versnellers of synchrotrons deeltjes rond een cirkelvormige baan zwaaien.

De belangrijkste spelers

'S Werelds grootste, krachtigste versneller is de Large Hadron Collider (LHC) synchrotron bij CERN, in Genève. 175 meter onder de Frans-Zwitserse grens begraven, slingert de LHC 17 mijl (27 kilometer) in omtrek. Ondergronds schermen beschermt de versneller tegen kosmische straling, die losse deeltjes kan produceren die de experimenten verwarren.

Binnen in de LHC zwiepen twee protonenbundels rond de tunnel in tegengestelde richtingen, versneld door vele radiofrequente holtes. De holtes produceren een elektrisch veld in dezelfde richting als de deeltjes, waardoor de deeltjes een kick van energie krijgen als ze zoomen, zegt Myers - net als een ouder die een kind op een rotonde op een speelplaats duwt.

Elke straal reist in zijn eigen buis, die op ultrahoog vacuüm wordt gehouden (lagere luchtdruk dan het oppervlak van de maan). De bundels worden gestuurd door een supergeleidende elektromagneet van 8,3 tesla, die ongeveer 100.000 keer de sterkte van het magnetisch veld van de aarde is. De magneten worden gekoeld tot een temperatuur van 2 Kelvin, of -456 Fahrenheit (-271 C) met behulp van 's werelds grootste cryogene systeem. [Foto's: 's werelds grootste Atom Smasher (LHC)]

Wanneer de versnelde protonen botsen, "detecteren" detectoren de resulterende deeltjes en straling die ze produceren.

Wetenschappers gebruiken de LHC om de omstandigheden onmiddellijk na de oerknal na te bootsen. In juli 2012 trok de LHC internationale aandacht toen wetenschappers melding maakten van de ontdekking van het Higgs-deeltje, waarvan het deeltje dacht dat het legde hoe andere deeltjes hun massa krijgen.

"We zouden hier niet zijn, we zouden geen massa hebben, we zouden niet bestaan ​​zonder dit deeltje," zei Steve Myers, de directeur voor versnellers en technologie bij CERN. Het vinden van het was "zoals op zoek naar een naald in een miljoen hooibergen," zei Myers. [Galerij: zoek naar de Higgs Boson]

De LHC is in 2013 gesloten om de stralingsenergie te upgraden en is gepland voor begin 2015.

In de Verenigde Staten huisvest Fermilab de op een na grootste deeltjesversneller ter wereld, de Tevatron. Voordat het in 2011 werd gesloten, was de Tevatron de eerste versneller die supergeleidende elektromagneten gebruikte en werd hij gebruikt om een ​​nieuw subatomair deeltje te ontdekken dat bekend staat als de topkwark.

De hoofdinjector van Fermilab voor de Tevatron is nog steeds operationeel, en wetenschappers gebruiken het om een ​​straal neutrino's, of spookachtige deeltjes die zelden in contact komen met normale materie, naar een ondergrondse mijn in Minnesota te sturen, die 732 km verderop ligt. De hoofdinjector van Fermilab maakt deel uit van een keten van verbonden deeltjesversnellers die (vroeger geleid) naar de Tevatron. Het versnelt protonen en antiprotonen die in de Tevatron worden gevoerd.

In de toekomst hopen de ingenieurs van Fermilab een lineaire versneller te maken die gebruik maakt van supergeleidende radiofrequente holtes, metalen kamers die de elektrische velden produceren die nodig zijn om deeltjes naar hoge energieën te versnellen.

De enige Amerikaanse deeltjesnijder die momenteel in bedrijf is, is de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in het Brookhaven National Laboratory in Upton, N.Y.

Deze machines zijn "niets anders dan zaklampen die steeds krachtiger worden", zei Dixon, Fermilab's hoofd van de accelerator divisie. "Wanneer je de energie steeds hoger maakt, zie je fijnere en fijnere details van materie en hoe het in elkaar zit," zei Dixon.

Andere versnellers

Als de LHC en de Tevatron de spaceshuttles zijn van de wereld van de versneller, die werken in het tera (triljoen) elektron-volt bereik, dan zijn de giga (miljard) elektronvolt (GeV) -versnellers de passagiersvliegtuigen.

Neem de Stanford Linear Accelerator of SLAC in Menlo Park, Californië Op 3,2 mijl lang is SLAC's belangrijkste lineaire versneller de langste ter wereld. Het produceert elektronen met behulp van een radiofrequentie-ionenbron om elektronen en positronen (de antimaterie-tegenhangers van elektronen) tot 50 GeV te versnellen.

Maar deze versnellers worden beperkt door de spanning die kan worden toegepast voordat ze elektrisch worden afgebroken. Nu ontwikkelen onderzoekers aan de Universiteit van Texas in Austin en elders een compleet ander soort gaspedaal - dat op een tafelblad past.

Gregory McLaskey onderzoekt een tafelmodel van een storing bij UC Berkeley.

Gregory McLaskey onderzoekt een tafelmodel van een storing bij UC Berkeley.

Krediet: Preston Davis.

Deze tafelversnellers pulseren een laser op heliumgas om plasma te creëren, een hoogenergetische materie waarin de atomen ontdaan zijn van hun elektronen. "Een plasma is per definitie al afgebroken en zo volledig beschadigd als een materiaal kan zijn, en heeft daarom geen afbraaklimiet", zei natuurkundige Michael Downer, leider van het UT Austin-team.

Net zoals een boot achter een kielzog in het water achterblijft, laat de laserstraal een spoor achter in het plasma, en versnellen de elektronen door te "surfen" op dit kielzog. Met behulp van het Downers systeem kunnen elektronen worden opgevoerd tot 2 GeV, een energie die de lengte van twee voetbalvelden met conventionele versnellers zou vereisen.

Bij veel lagere energieën worden deeltjesversnellers vaak gebruikt in de geneeskunde. Partikeltherapie wordt gebruikt om kanker te behandelen, met behulp van bundels van hoogenergetische protonen of andere deeltjes.

Volgen Tanya Lewis op tjilpenen Google+. Volg ons @wordssidekick, Facebook& Google+. Origineel artikel op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Adam Savage's One Day Builds: 1000 Shot NERF Blaster!.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com