Wie funktioniert der Large Hadron Collider?

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Die meisten Menschen wissen, dass der Large Hadron Collider ein Zerstörer von Atomen ist, ein großer. Es erstreckt sich über die französisch-schweizerische Grenze und war so teuer zu bauen, dass mehr als ein Dutzend Regierungs- und Nichtregierungsorganisationen dazu beitragen mussten. Alles wird von Tausenden von Wissenschaftlern aus Hunderten von Ländern verwaltet, die von der Europäischen Agentur für Kernforschung, CERN, koordiniert werden. Die Hauptdetektoren sind riesig und erfordern Gehwege und mechanische Kirschpflücker, nur um sie zu reparieren. Es ist klar, eine sehr große Schleife, aber wir können detaillierter sein.

In Wirklichkeit besteht der LHC aus mehreren sehr großen Schleifen, die alle in einer Kette zunehmender Leistung angeordnet sind. Es stellt sich heraus, dass das Beschleunigen eines Teilchens wie eines Protons verschiedene Arten von Hardware erfordert: Magnete, die ein Teilchen von 99% der Lichtgeschwindigkeit auf 99,9999% der Lichtgeschwindigkeit steigern können, sind nicht dieselben Magnete, die dies können Erhöhen Sie diese Geschwindigkeit. gleiches Teilchen von 1% der Lichtgeschwindigkeit bis 15%. Daher wird der LHC selbst von einer ausgeklügelten Sammlung von Teilchenbeschleunigern angetrieben, die nacheinander arbeiten, um eine endgültige Teilchenenergie von 7 Tera-Elektronenvolt (TeV) oder mehr zu erreichen.

Diese Karte zeigt, wie die meisten LHC, nur die Hauptschleife des LHC und des Super Proton Synchrotron.

Diese Karte zeigt, wie die meisten LHC, nur die Hauptschleife des LHC und des Super Proton Synchrotron.

Der erste ist der Linearteilchenbeschleuniger (LINAC 2), der nur 50 Megaelektronvolt (MeV) erzeugt und die experimentellen Protonen an den ersten Schleifenbeschleuniger der Kette, den Proton Synchrotron Booster (Pb), weiterleitet. Die Pb-Schleife beschleunigt die Partikel schnell auf etwa 2 Gigaelektronvolt (GeV) und überträgt sie auf das vollständige Protonensynchrotron, das den Prozess auf etwa 28 GeV fortsetzt. Von hier geht das Protonensynchrotron zum … Super über Protonensynchrotron, das Energien von 400 GeV oder mehr erreichen kann. In der Tat haben Physiker vorgeschlagen, die SPS auf die zu aktualisieren Super-SPS (ja, sie sind zwei hintereinander überlagert), so dass die Protonen einen vollen TeV erreichen können, bevor sie zur Hauptschleife des LHC selbst gelangen.

LINAC ist das schwächste der Beschleuniger und sogar ein absolutes Biest.

LINAC ist das schwächste der Beschleuniger und sogar ein absolutes Biest.

Diese Teilchen bewegen sich sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit, bevor sie in den LHC selbst eintreten. Die Beschleunigung der Protonen um diesen letzten Bruchteil eines Prozentsatzes erweist sich jedoch als entscheidend für moderne physikalische Experimente. Das Starten von Protonen in Quarks ist eine Sache, aber der LHC versucht, Stöße zu erzeugen, die so heftig sind, dass sie tatsächlich die Struktur des Raums um den Aufprallpunkt verzerren und ein unendlich kurzes Fenster in die wahre Quantenwelt bieten. Das ist nicht einfach oder billig.

Beachten Sie, dass der LHC-Ring kein Experiment für sich ist, sondern ein Werkzeug, mit dem Experimente mit einer bestimmten Ressource durchgeführt werden können: aufgeladenen Partikeln. Die genaue Art und Weise, wie diese aufgeladenen Partikel verwendet werden sollen, wird durch die bestimmt Real Experimente, die an verschiedenen Stellen rund um den Ring für verschiedene Zwecke installiert werden. Insgesamt gibt es sieben Experimente, aber vier erhalten die größte Aufmerksamkeit: ATLAS, ALICE, CMS und LHCb.

ATLAS ist wahrscheinlich das berühmteste der LHC-Experimente; Hier sammelte das CERN die meisten Daten, die letztendlich die Existenz des Higgs-Bosons bestätigten. Es steht für A Toroidal LHC ApparatuS (eine kleine Strecke für das letzte S…) und öffnet sich mit einem Durchmesser von über 80 Fuß. ATLAS wurde als Allzweckdetektor für bis zu 40 Millionen Strahlkreuzungsereignisse pro Sekunde entwickelt und sammelt so viele Daten wie möglich zu diesen Ereignissen.

ATLAS gegen CMS

ATLAS gegen CMS

Das CMS oder Compact Muon Solenoid ist ein Versuch, dasselbe wie ATLAS zu erreichen, jedoch auf unterschiedliche Weise. CMS ist ebenfalls ein “Allzweck” -Detektor. Es ist kleiner, aber magnetisch konzentrierter und erzeugt ein Feld von vier Teslas zu den beiden von ATLAS. Es wurde entwickelt, um ungefähr die gleichen Phänomene wie ATLAS zu beobachten, macht jedoch auf dem Weg leicht unterschiedliche Kompromisse. CMS hat auch dazu beigetragen, das Higgs-Boson zu finden, aber es ist in den Medien nicht weit verbreitet.

ALICE hingegen ist spezialisierter. Seine Forschung, die als Large Ion Collider Experiment bezeichnet wird, priorisiert die Teilchengeschwindigkeit weniger als den Impuls und ist auf die Messung der Auswirkungen von “schweren Kernen” wie Bleibruch zwischen 2 und 3 TeV spezialisiert. Dies erzeugt ein zerstörerisches Energieniveau, das die Atome in ein Quark-Gluon-Plasma drücken kann, wo sie sich frei bewegen und wirken können und hoffentlich in diesen Zuständen beobachtet werden können. Dies bedeutet, dass ALICE auf ein Konzept namens Quantum Chromium-Dynamics (QCD) ausgelegt ist und seit seiner Inbetriebnahme im Jahr 2010 das wissenschaftliche Verständnis dieses Bereichs verbessert hat.

ATLAS ist definitiv das visuell beeindruckendste der LHC-Experimente.

ATLAS ist definitiv das visuell beeindruckendste der LHC-Experimente.

Dann gibt es die Schönheit des Large Hadron Collider (LHCb), der kürzlich die Nachricht verbreitete, ein eigenes Partikel bestätigt zu haben: den Pentaquark. LHCb soll das exotische Verhalten von Materie und insbesondere die Natur der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum untersuchen – die Frage, warum es überlebende Materie gibt. Die Theorie besagt, dass der Urknall zu Beginn des Universums eine gleiche Menge an Materie und Antimaterie hätte erzeugen sollen. Diese beiden Materialien vernichten sich mit der Wechselwirkung. Wie könnte das Universum also an einen Punkt gelangen, an dem es so viel Materie und wenig oder keine Antimaterie gibt? LHCb soll es herausfinden.

Die Gedanken über den nächsten großen Schritt für die Teilchenforschung werden wahrscheinlich noch einige Zeit am LHC verweilen. Anstatt ein völlig neues Bauprojekt zu starten, geht es den Wissenschaftlern eher darum, die Beschleunigungskette am LHC zu erhöhen. Das Gas wurde kürzlich nach einer langen Reihe von Updates wieder geöffnet. Es ist nicht bekannt, wie oft es möglich sein wird, die Physik auf diese Weise voranzutreiben, bevor das nächste große wissenschaftliche Bauprojekt von vorne beginnen muss.

Jetzt lesen: Was ist das Higgs-Boson und warum ist es so wichtig?

Weitere Informationen finden Sie in unserer ExtremeTech Explains-Serie.

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