Warum hat der LHC einen Umfang von 27 Kilometern?

Stephen Hawking hat einmal darauf hingewiesen, dass es hilfreich wäre, wenn wir durch die Zeit springen wollten, wenn wir eine Maschine wie den LHC hätten, die uns auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte. Ja, Sir, der LHC ist beeindruckend genug für Hawking, um ihn als Transportoption für Zeitreisen zu sehen . Und seinen Ruf hat er sicher nicht umsonst: Der gewaltige Teilchenbeschleuniger hat sich seine Sporen verdient, als er uns 2012 und 2013 den Nachweis des Higgs-Bosons lieferte. Der Fund des Higgs im LHC bestätigte im Grunde das Standardmodell der Physik, das die fundamentale Teilchen und Kräfte im Universum. Keine Kleinigkeit.

Natürlich ist "klein" kein Begriff, den wir normalerweise mit dem LHC oder der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN ) in Verbindung bringen. Betrachten Sie den Beschleunigerkomplex am CERN, der viel mehr ist als nur der LHC. Wenn Sie Protonen einfach ohne vorherige Schritte in den LHC werfen würden, gäbe es nicht viel Experimentieren zu nennen: Sie müssen die Protonen nicht nur beschleunigen, bevor sie in den LHC eintreten, sondern sie auch in dichten Strahlen konzentrieren. Dazu müssen einige Schritte unternommen werden, bevor sie ihrem gewaltsamen Schicksal im LHC entgegensausen [Quellen: LHC Facts , CERN ]:

Und jetzt sind wir hier: im riesigen Large Hadron Collider. Es sieht aus wie eine wunderschöne Kristallhöhle. (Nur ein Scherz, es sieht aus wie ein hell erleuchteter, obsessiv sauberer U-Bahn-Tunnel mit einem riesigen Rohr, das durch ihn verläuft.) Warum brauchen solche winzigen Stücke kaum Materie so viel Platz, um sich zu bewegen?

Die erste Antwort ist etwas antiklimaktisch: Wir haben mit dem LHC angefangen, weil er schon da war. CERN hatte einen früheren Beschleuniger (den Large Electron-Positron Collider), der ursprünglich den Raum einnahm, und er war so groß, dass er die Kollisionen von (Sie haben es erraten!) Elektronen und Positronen aufnehmen konnten. Warum war das LEP so groß oder wurde sogar 100 Meter unter der Erde gebaut?

Es wurde aus einem ziemlich einfachen Grund unterirdisch gebaut: Es erwies sich als billiger, einfach einen Tunnel auszuheben, als Land zu kaufen und die Umweltauswirkungen zu mindern [Quelle: CERN ]. (Er musste auch ein wenig geneigt sein, um die Kosten zu minimieren, die durch die Platzierung vertikaler Wellen entstehen.) Aber der Grund, warum der LEP einen so großen Umfang hatte, bringt es auf den Punkt, warum auch der LHC einen großen Bogen machen muss: Der Dame brauchte eine schöne Reihe von Kurven.

Die abgerundeten Biegungen des LHC sind notwendig für die Beschleunigung, die unseren Teilchenfreunden so wichtig ist. Alles beginnt mit Newtons Bewegungsgesetzen , die besagen, dass sich ein Teilchen (oder irgendetwas, was das betrifft – kein Wortspiel beabsichtigt) mit einer konstanten Geschwindigkeit fortbewegt, wenn nicht eine Kraft auf es einwirkt. Was bedeutet das? Dieses Teilchen bewegt sich in einer geraden Linie mit der gleichen Geschwindigkeit, es sei denn, es wird etwas verwendet, um es zu beschleunigen.

Und dieses „Etwas“ ist die Kurve des Kreisbeschleunigers. Im Gegensatz zu einem Linearbeschleuniger – bei dem sich die Teilchen in einer geraden Linie bewegen – ermöglicht ein kreisförmiger Beschleuniger den Teilchen, jedes Mal Energie zu gewinnen [Quelle: The Particle Adventure ]. (Die riesigen Magnete, die die Protonen steuern, fügen keine Energie hinzu, aber das elektrische Feld trägt zur Beschleunigung bei.) Ein kreisförmiger Beschleuniger lässt die Protonen herumlaufen und Energie gewinnen, während er gleichzeitig mehrere Punkte für die Kollision der Teilchen zulässt -- ein Linearbeschleuniger hätte natürlich nur einen Kollisionspunkt ganz am Ende.

Die Frage, warum der LHC kreisförmig ist, scheint nichts mit seiner Größe zu tun zu haben, aber es hängt damit zusammen. Eine kleinere Rennstrecke für die Protonen würde bedeuten, dass sie mehr beschleunigen müssten, um die schärferen Kurven aufzunehmen, und mehr Energie verlieren würden – und daher wäre die Kollision nicht so stark [Quelle: Butterworth ]. Daher ist ein großer Radius erforderlich, um die Energie der Teilchen hoch genug zu bringen, um sowohl zu beschleunigen als auch Kollisionen zu erzeugen.

Und glauben Sie nicht, dass alle Wissenschaftler mit der Größe des aktuellen LHC zufrieden sind. Es werden ernsthafte Überlegungen angestellt, eine 100 Kilometer lange Strecke zu bauen, die einen noch energischeren Kurs für Partikelkollisionen bieten wird [Quelle: Pease ]. Denken Sie daran, dass je höher die erreichte Energie ist, desto massiver die Partikel gefunden werden können – ein wichtiger Weg, um neue schwer fassbare, schwere Partikel zu identifizieren [Quelle: Reich ].

Anmerkung des Autors: Warum hat der LHC einen Umfang von 27 Kilometern?

Sicher, es ist ein bisschen off-topic, aber ich denke, wir alle wollen es wissen: Was würde passieren, wenn wir in den LHC stolpern würden, während die Protonenstrahlen ihre Magie entfalteten? Niemand ist sich ganz sicher, aber es ist eine ziemlich gute Vermutung, dass Sie ein Loch durch Ihren Körper gesprengt haben und vielleicht auch einen Kegel eines protonenexplodierenden Aufpralls.

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