Wie verfolgen sie die Teilchen im LHC?

Wie jeder weiß, der eine Müllschublade hat, ist es schwierig, den Überblick über winzige Ephemera zu behalten. Du schwörst, du hattest Reißnägel – die müssen doch irgendwo reingesteckt werden, oder? Zusammen mit dem Kleber? Oder sind sie in dieser großen Kiste mit Büromaterial, die auch ein paar alte Fernsehgeräte und die Haarschneidemaschine enthält, mit der Sie jeden Sommer den Hund scheren? Und, huh – alle Bilder von eurer Hochzeit sind auch in dieser Kiste. Vielleicht würdest du sie besser im Auge behalten, wenn sie in der Müllschublade wären? Sie gehen hinein.

Der Umgang mit all diesem zufälligen Durcheinander könnte Ihnen etwas Sympathie für die Physiker der Europäischen Organisation für Kernforschung einbringen. (Was in einer verwirrenden Wendung der Ereignisse, die mit einer Übersetzung vom Französischen ins Englische zu tun haben, zu CERN abgekürzt wird.) CERN-Wissenschaftler sind die klugen Mädels und Typen, die den Large Hadron Collider leiten – was wir zu viel mehr abkürzen werden praktischer LHC. Der LHC ist der große Teilchenbeschleuniger tief unter der Schweizer Landschaft, wo Physiker die Existenz des Higgs-Bosons bestätigten , eines subatomaren Teilchens, das Wissenschaftler dazu brachte, mehr darüber zu verstehen, wie Materie im Universum an Masse gewinnt.

Das Schlüsselwort hier ist "subatomar". Zu sagen, dass Wissenschaftler am CERN die Dinge im kleinen Maßstab betrachten, ist eine gewaltige Untertreibung. Sie beobachten nicht nur, wie zwei Protonen – subatomare Teilchen selbst – miteinander kollidieren, sondern versuchen auch, die subatomaren Trümmer zu kartieren, die davonfliegen, wenn dies geschieht. Für den Uneingeweihten mag es wie eine Müllschublade aus winzigen, winzigen, sich schnell bewegenden Partikeln aussehen ... die, abgesehen davon, dass sie so klein sind, fast schneller zerfallen, als Sie sie erkennen können.

Lassen Sie uns durch den ganzen Prozess des Schleuder-Fliege-Zerfalls gehen, um ein Gefühl dafür zu bekommen, was Wissenschaftler im Auge behalten müssen. Am LHC rasen Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um eine kreisförmige Bahn. Und sie sind nicht nur bereit, im Handumdrehen gezippt zu werden. Die Wissenschaftler am CERN müssen einen Protonenstrahl in den LHC liefern, indem sie Wasserstoffgas in ein Duoplasmatron strömen lassen, das die Elektronen von den Wasserstoffatomen abstreift und nur Protonen zurücklässt [Quelle: O'Luanaigh ].

Die Protonen treten in LINAC 2 ein, den ersten Beschleuniger im LHC. LINAC 2 ist ein Linearbeschleuniger, der elektromagnetische Felder verwendet, um Protonen zu schieben und zu ziehen, wodurch sie beschleunigt werden [Quelle: CERN ]. Nach dieser ersten Beschleunigung bewegen sich die Protonen bereits mit 1/3 der Lichtgeschwindigkeit.

Dann gehen sie in den Proton Synchrotron Booster, der aus vier Ringen besteht. Einzelne Protonengruppen rasen um sie herum – und werden dabei mit elektrischen Impulsen beschleunigt und mit Magneten gelenkt . An diesem Punkt bewegen sie sich mit 91,6 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, und jede Protonengruppe wird enger zusammengedrängt.

Schließlich werden sie in das Protonen-Synchrotron geschleudert – jetzt in einer konzentrierteren Gruppe [Quelle: CERN ]. Im Protonen-Synchrotron kreisen Protonen mit etwa 1,2 Sekunden pro Runde um den 2.060 Fuß (628 Meter) langen Ring und erreichen über 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit [Quelle: CERN ]. An diesem Punkt können sie wirklich nicht viel schneller werden; Stattdessen nehmen die Protonen an Masse zu und werden schwerer. Sie betreten das superlativ benannte Super Proton Synchrotron, einen 7 Kilometer langen Ring, wo sie noch weiter beschleunigt werden (wodurch sie noch schwerer werden), damit sie bereit sind, in die Strahlrohre des geschossen zu werden LHC.

Es gibt zwei Vakuumröhren im LHC; Bei einem bewegt sich der Protonenstrahl in eine Richtung, während bei dem anderen ein Strahl in die entgegengesetzte Richtung rast. An vier Seiten des 27 Kilometer langen LHC befindet sich jedoch eine Detektorkammer, in der sich Strahlen kreuzen können – und dort passiert die Magie der Teilchenkollision. Das ist schließlich unsere Schublade des subatomaren Durcheinanders.

"Spaß", denken Sie vielleicht. „Das ist eine coole Geschichte über Teilchenbeschleunigung, Bruder. Aber woher wissen Physiker, wohin die Teilchen im Beschleuniger fliegen? Und wie zum Teufel können sie die Trümmerkollision verfolgen, um sie zu untersuchen?“

Magnete, ja. Die Antwort ist immer Magnete.

Um fair zu sein, es ist eigentlich nur die Antwort auf die erste Frage. (Zum zweiten kommen wir gleich.) Aber wirklich riesige, kalte Magnete verhindern, dass die Partikel in die falsche Richtung fliegen. Die Magnete werden zu Supraleitern, wenn sie auf sehr niedriger Temperatur gehalten werden – wir sprechen von kälter als im Weltraum. Mit den supraleitenden Magneten wird ein starkes Magnetfeld erzeugt, das die Teilchen um den LHC herum lenkt – und schließlich ineinander [Quelle: Izlar ].

Was uns zu unserer nächsten Frage bringt. Wie behalten Wissenschaftler die Partikel im Auge, die aus dem Kollisionsereignis resultieren? "Track" wird in unserer Erklärung tatsächlich zu einem vielsagenden Wort. Wie Sie sich vorstellen können, schauen die Physiker nicht nur auf einen großen Fernseher und schalten zwischen einem Protonenfeuerwerk und Wiederholungen von „Star Trek“ hin und her. Wenn sie Protonenrennen und -kollisionen beobachten, beobachten Wissenschaftler hauptsächlich Daten. (Keine Daten.) Die Partikel, die sie nach Kollisionen "verfolgen", sind eigentlich nicht mehr als Spuren von Daten, die sie analysieren können.

Einer der Detektoren wird eigentlich als Tracking-Gerät bezeichnet und ermöglicht es den Physikern wirklich, den Weg zu "sehen", den die Teilchen nach der Kollision genommen haben. Was sie sehen, ist natürlich eine grafische Darstellung der Spur des Partikels. Während sich die Partikel durch das Ortungsgerät bewegen, werden elektrische Signale aufgezeichnet und dann in ein Computermodell übersetzt. Kalorimeter-Detektoren stoppen und absorbieren auch ein Teilchen, um seine Energie zu messen, und Strahlung wird auch verwendet, um seine Energie und Masse weiter zu messen, wodurch die Identität eines bestimmten Teilchens eingegrenzt wird.

Im Wesentlichen konnten Wissenschaftler auf diese Weise Partikel während und nach dem Prozess der Beschleunigung und Kollision verfolgen und einfangen, als der LHC seinen letzten Lauf durchführte. Ein Problem war jedoch, dass bei so vielen Kollisionen pro Sekunde – wir sprechen von Milliarden – nicht alle Protonen, die zusammenstoßen, wirklich so interessant waren. Wissenschaftler mussten einen Weg finden, die nützlichen Kollisionen von den langweiligen zu trennen. Hier kommen die Detektoren ins Spiel: Sie erkennen Partikel, die interessant aussehen, und führen sie dann durch einen Algorithmus, um zu sehen, ob sie einen genaueren Blick verdienen [Quelle: Phoboo ]. Wenn sie genauer untersucht werden müssen, steigen Wissenschaftler ein.

Wenn der LHC 2015 wieder eingeschaltet wird, wird es noch mehr Kollisionen geben als zuvor (und die doppelte Kollisionsenergie) [Quelle: Charley ]. Wenn das passiert, wird das System, das den Physikern ein „Hey, schaut euch das an“-Flag auslöst, mit einem Upgrade aufwarten: Feiner abgestimmte Auswahlen werden getroffen, um über die erste Stufe hinauszugehen, und dann werden alle diese Ereignisse vollständig analysiert .

Bleiben Sie also dran, um mehr darüber zu erfahren, wie Physiker Teilchen im LHC verfolgen; Dinge können sich dort fast mit Lichtgeschwindigkeit ändern.

Anmerkung des Autors: Wie verfolgen sie die Partikel im LHC?

Gott sei Dank müssen Protonen – anders als die Mäuse oder Ratten anderer wissenschaftlicher Experimente – nicht gefüttert und getränkt werden. Bei Milliarden von Kollisionen pro Sekunde erhält die Teilchenphysik den Preis für die meisten gesammelten Daten mit der geringsten Käsemenge als Belohnung.

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