Woher bekommen sie die Teilchen für Beschleuniger?

Dann nimmt der Physiker das Teilchen mit zu Getränken (niemand will ein ganzes Abendessen lang mit einem Blindgänger festsitzen). Wenn alles gut geht, fragt der Physiker das Teilchen, ob es Interesse an einem Beschleunigungsprozess hat. Und so entstand das Higgs-Boson!

Wenn nur. Im Gegensatz zu ihren wissenschaftlichen Verwandten, den Biologen (die alle Ordnungen von Nagetieren, Spulwürmern und dergleichen auf Websites zum einfachen Großeinkauf durchsuchen können), müssen Physiker ihre Testobjekte selbst erstellen. Es stellt sich heraus, dass es nicht so einfach ist, ein Partikel für Hochgeschwindigkeitskollisionen zu greifen, wie einfach die Hände zu formen und einige subatomare Partikel wie so viele unsichtbare Schneeflocken in den Large Hadron Collider zu blasen.

Bevor wir uns damit befassen, was wir eigentlich in einen Teilchenbeschleuniger geben, ist es vielleicht ratsam, ein wenig Hintergrundwissen darüber zu geben, was zum Teufel wir mit unseren Teilchen machen wollen, sobald wir sie haben. Was sind Beschleuniger, und warum können wir nicht überhaupt etwas Substanzielleres als ein Teilchen hineinwerfen?

Der bekannteste Teilchenbeschleuniger ist wahrscheinlich der Large Hadron Collider, ein 27 Kilometer langer kreisförmiger Behemoth tief im Untergrund. Der LHC befindet sich in der Schweiz und wird von der Europäischen Organisation für Kernforschung ( CERN ) betrieben . (Vertrauen Sie uns – das Akronym machte Sinn für den ursprünglichen französischen Titel.) Der LHC wurde 2012 zum Big Accelerator On Campus, als Partikelkollisionen am CERN Beweise für das schwer fassbare Higgs-Boson enthüllten. Die Entdeckung des Higgs ermöglichte es den Physikern, die Existenz des Higgs-Felds sicherer zu bestätigen, was uns einige Antworten darauf gab, wie Materie im Universum Masse erlangte.

Aber wenn der LHC die Beyoncé der Beschleunigerwelt ist, gibt es auch eine ganze Reihe von Studiospielern, die gerne einstecken. Es gibt tatsächlich etwa 30.000 andere Beschleuniger, die auf der ganzen Welt summen, und es sind diese Working Joes, denen alle möglichen praktischen Erfindungen zu verdanken sind [Quelle: Dotson ]. Betrachten Sie die Windel.

Richtig, der Kumpel aller gestressten Eltern ist die Wegwerfwindel. Wissenschaftler, die die in Einwegartikeln verwendeten superabsorbierenden Polymere untersuchen wollten, hatten Probleme, sie nass zu untersuchen, also – ta-da! - Sie haben sie einer Röntgenmikroskopie unterzogen (die Teilchenbeschleunigung verwendet) [Quelle: Clements ]. Die Fähigkeit, die Struktur dieser Molekülketten zu identifizieren und zu untersuchen, veranlasste sie, an der Formel zu basteln und unsere modernen Windeln so trocken zu halten wie die Erklärung der Teilchenbeschleunigung selbst.

Beschleuniger finden auch ihren Weg in medizinische Umgebungen, wie die Krebsbehandlung. Linearbeschleuniger (bei denen Partikel mit einem Ziel kollidieren, nachdem sie eine gerade Linie zurückgelegt haben) senden Elektronen, um mit einem Metallziel zu kollidieren, was zu präzisen, hochenergetischen Röntgenstrahlen führt, die Tumore bestrahlen [Quelle: RadiologyInfo.org ]. Nun, da wir ein wenig darüber wissen, wofür Beschleuniger verwendet werden, lassen Sie uns darüber sprechen, womit wir sie füttern.

Wie wir bereits gesagt haben, werden Wissenschaftler in einer Einrichtung wie CERN damit beauftragt (ha!), die Partikel selbst herzustellen – was sich ein bisschen so anfühlt, als würde man einen Buchhalter bitten, bitte einen Taschenrechner zu bauen, um die Steuern eines Kunden zu vervollständigen. Aber Teilchenphysiker sind eine Rasse für sich; es ist kein Aufwand für sie. Alles, was sie tun müssen, ist, mit Wasserstoff zu beginnen, Elektronen mit einem Duoplasmatron abzustreifen und am Ende Protonen zu erhalten. Wie auch immer. Kein Problem.

Und hier stellen wir fest , dass der einfachste Teil der Teilchenbeschleunigung -- die verflixten Teilchen zu bekommen -- immer noch wahnsinnig einschüchternd für jeden wirkt , der keine Weihnachtskarte von Stephen Hawking bekommt . Aber es ist wirklich nicht so entmutigend, wie es klingt. Zum einen ist der Wasserstoff nur ein Gas, das in die erste Stufe des Teilchenbeschleunigers – das Duoplasmatron – eingespeist wird . Es mag wie etwas aus "Mystery Science Theatre 3000" erscheinen, aber ein Duoplasmatron ist ziemlich einfach. Wasserstoffatome haben ein Elektron und ein Proton; im Duoplasmatron werden den Wasserstoffatomen mithilfe eines elektrischen Feldes ihre Elektronen entzogen [Quelle: CERN]. Was übrig bleibt, ist ein Plasma aus Protonen, Elektronen und Molekülionen, das durch mehr Extraktionsgitter hindurchgeht, sodass nur ein Protonenstrahl übrig bleibt [Quelle: O'Luanaigh , CERN ].

Der LHC verwendet Protonen nicht nur für die tägliche Arbeit. CERN-Physiker haben auch die lustige Aufgabe, Bleiionen zusammenzustoßen, um Quark-Gluon-Plasma zu untersuchen, das nur ein kleiner Teil dessen ist, in dem das sehr, sehr frühe Universum geschwommen ist [Quelle: CERN ]. Durch das Zusammenschlagen von Schwermetallionen (auch Goldwerke) können Wissenschaftler für einen Moment das Quark-Gluon-Plasma bilden.

Aber jetzt sind Sie viel zu raffiniert, um zu glauben, dass Bleiionen einfach auf magische Weise in Teilchenbeschleunigern erscheinen. So passiert es also: Der CERN-Physiker, der mit dem Sammeln von Bleiionen beauftragt ist, beginnt tatsächlich mit festem Blei, Blei-208, einem spezifischen Isotop des Elements. Das feste Blei wird zu Dampf erhitzt – etwa 1472 Grad F (800 C) [Quelle: O'Luanaigh ]. Der Bleidampf wird dann durch einen elektrischen Strom gezappt, der die Probe ionisiert, um ein Plasma zu erzeugen. Die neu erzeugten Ionen (Atome mit einer elektrischen Nettoladung, die Elektronen gewonnen oder verloren haben) werden dann in einen Linearbeschleuniger geschleudert, der ihnen einen kleinen Sprint verleiht und dazu führt, dass sie noch mehr Elektronen verlieren [Quelle: Yurkewicz]. Nachdem sie erneut angesammelt und beschleunigt wurden, sind die Blei-Ionen bereit für denselben Roadtrip wie die Protonen und können sorglos durch den Large Hadron Collider flitzen.

Da haben Sie es also. Teilchen für die großen Teilchenbeschleuniger werden nicht auf dem Schwarzmarkt gekauft, sondern selbst hergestellt.

Anmerkung des Autors: Woher bekommen sie die Teilchen für Teilchenbeschleuniger?

Vielleicht hat Sie dieser Artikel mit einer weiteren quälenden Frage zurückgelassen: Kann irgendetwas außer einem Teilchen durch einen Beschleuniger gehen? Darauf sagten die Wissenschaftler des Fermi National Accelerator Laboratory: "Natürlich. Wie wäre es mit einem Frettchen?"

Rufen Sie PETA noch nicht an. Zunächst einmal beschleunigten sie Felicia, das Frettchen, nicht annähernd auf Lichtgeschwindigkeit. (Ja, sie hatte einen Namen. Komm schon, es ist kein Bauernhof.) Stattdessen benutzten sie sie als Dienstmädchen. Frettchen sind dafür bekannt, sich durch enge Räume zu graben und zu kriechen. Felicia ließ sich von Wissenschaftlern einen Lappen mit Reinigungslösung an den Kragen binden, die sie durch die engen Rohre schlüpfen ließen, bevor sie während des Baus verbunden wurden [Quelle: Gustafson ]. (Sie bekamen schließlich einen Roboter, um den Beschleuniger zu reinigen.)

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