Dove prendono le particelle per gli acceleratori?

Quindi il fisico porta la particella fuori per bere (nessuno vuole rimanere bloccato con una particella scadente per un'intera cena). Se tutto va bene, il fisico chiede alla particella se è interessata a un processo di accelerazione. Ed è così che è stato creato il bosone di Higgs!

Se solo. A differenza dei loro cugini scientifici, i biologi (che possono sfogliare tutti gli ordini di roditori, nematodi e simili sui siti Web per un facile acquisto all'ingrosso), i fisici devono creare loro stessi i soggetti del test. Si scopre che afferrare una particella per collisioni ad alta velocità non è così facile come mettere le mani a coppa e soffiare alcune particelle subatomiche nel Large Hadron Collider come tanti fiocchi di neve invisibili.

Prima di entrare in ciò che stiamo effettivamente inserendo in un acceleratore di particelle, forse è saggio fornire un po' di informazioni su cosa diavolo intendiamo fare con le nostre particelle una volta che le avremo. Che cosa sono gli acceleratori, e perché non possiamo buttare dentro qualcosa di un po' più sostanzioso di una particella, comunque?

L'acceleratore di particelle più noto è probabilmente il Large Hadron Collider, un colosso circolare di 17 miglia (27 chilometri) profondo nel sottosuolo. Situato in Svizzera, l'LHC è gestito dall'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, o CERN . (Fidati di noi: l'acronimo aveva senso per il titolo francese originale.) L'LHC è diventato il Big Accelerator On Campus nel 2012, quando le collisioni di particelle al CERN hanno rivelato prove dell'elusivo bosone di Higgs. La scoperta dell'Higgs ha permesso ai fisici di confermare con maggiore sicurezza l'esistenza del campo di Higgs, che ci ha fornito alcune risposte su come la materia nell'universo abbia acquisito massa.

Ma se l'LHC è la Beyoncé del mondo degli acceleratori, ci sono anche alcuni giocatori in studio che si stanno allacciando felicemente. In realtà ci sono circa 30.000 altri acceleratori che ronzano in tutto il mondo, e sono quei Joe che lavorano che devono ringraziare per tutti i tipi di invenzioni pratiche [fonte: Dotson ]. Considera il pannolino.

Esatto, l'amico di ogni genitore infastidito è il pannolino usa e getta. Gli scienziati che volevano studiare i polimeri superassorbenti usati negli usa e getta avevano problemi a studiarli bagnati, quindi - ta-da! -- li hanno sottoposti alla microscopia a raggi X (che utilizza l'accelerazione delle particelle) [fonte: Clements ]. Essere in grado di identificare e studiare la struttura di queste catene molecolari li ha portati ad armeggiare con la formula e mantenere i nostri pannolini moderni asciutti come la spiegazione dell'accelerazione delle particelle stessa.

Gli acceleratori trovano anche la loro strada negli ambienti medici, come il trattamento del cancro. Gli acceleratori lineari (in cui le particelle si scontrano con un bersaglio dopo aver percorso una linea retta) inviano elettroni per entrare in collisione con un bersaglio metallico, il che si traduce in raggi X precisi e ad alta energia che irradiano i tumori [fonte: RadiologyInfo.org ]. Quindi ora che sappiamo un po' a cosa servono gli acceleratori, parliamo di cosa li stiamo alimentando.

Come abbiamo detto prima, gli scienziati di una struttura come il CERN sono accusati (ah!) di produrre le particelle da soli, il che sembra un po' come chiedere a un contabile di costruire una calcolatrice per completare le tasse di un cliente. Ma i fisici delle particelle sono una razza a parte; non è un problema per loro. Tutto quello che devono fare è iniziare con l'idrogeno, strisciare gli elettroni usando un duoplasmatron e finire con i protoni. Qualunque cosa. Nessun problema.

Ed è qui che scopriamo che la parte più semplice dell'accelerazione delle particelle - ottenere le maledette particelle - sembra ancora pazzamente intimidatoria per chiunque non riceva un biglietto di auguri da Stephen Hawking . Ma in realtà non è così scoraggiante come sembra. Per prima cosa, l'idrogeno è solo un gas che viene immesso nel primo stadio dell'acceleratore di particelle: il duoplasmatron . Può sembrare qualcosa uscito da "Mystery Science Theatre 3000", ma un duoplasmatron è abbastanza semplice. Gli atomi di idrogeno hanno un elettrone e un protone; all'interno del duoplasmatron, gli atomi di idrogeno vengono privati ​​dei loro elettroni utilizzando un campo elettrico [fonte: CERN]. Ciò che resta è un plasma di protoni, elettroni e ioni molecolari che passa attraverso più griglie di estrazione, quindi rimane solo un raggio di protoni [fonte: O'Luanaigh , CERN ].

L'LHC non usa i protoni solo per una giornata di lavoro. I fisici del CERN hanno anche il divertente compito di far collidere gli ioni di piombo insieme per studiare il plasma di quark e gluoni, che è solo un po' di ciò in cui nuotava l'universo primordiale [fonte: CERN ]. Distruggendo insieme gli ioni di metalli pesanti (anche le opere d'oro), gli scienziati possono formare il plasma di quark e gluoni per un momento.

Ma ora sei troppo sofisticato per credere che gli ioni di piombo appaiano magicamente negli acceleratori di particelle. Quindi ecco come succede: il fisico del CERN incaricato di raccogliere ioni di piombo in realtà inizia con il piombo solido, il piombo-208, un isotopo specifico dell'elemento. Il piombo solido viene riscaldato a vapore -- circa 1472 gradi F (800 C) [fonte: O'Luanaigh ]. Il vapore di piombo viene quindi colpito da una corrente elettrica che ionizza il campione per creare plasma. Gli ioni appena creati (atomi con una carica elettrica netta che hanno guadagnato o perso elettroni) vengono quindi spinti in un acceleratore lineare che dà loro un po' di sprint e fa perdere loro ancora più elettroni [fonte: Yurkewicz]. Dopo essere stati accumulati e accelerati ancora una volta, gli ioni di piombo sono pronti per lo stesso viaggio su strada dei protoni e possono sfrecciare attraverso il Large Hadron Collider senza preoccuparsi del mondo.

Così il gioco è fatto. Le particelle per i grandi acceleratori di particelle non vengono acquistate sul mercato nero ma create internamente.

Nota dell'autore: da dove prendono le particelle per gli acceleratori di particelle?

Forse questo articolo ti ha lasciato con un'altra domanda fastidiosa: qualcosa oltre a una particella può passare attraverso un acceleratore? Al che gli scienziati del Fermi National Accelerator Laboratory hanno detto: "Certo. Che ne dici di un furetto?"

Non chiamare ancora PETA. Prima di tutto, non stavano accelerando Felicia il furetto vicino alla velocità della luce. (Sì, aveva un nome. Andiamo, non è una fattoria.) Invece la usavano come domestica. I furetti sono noti per scavare e farsi strada attraverso spazi ristretti. Felicia si è fatta legare uno straccio di soluzione detergente al colletto dagli scienziati, che le hanno permesso di farsi strada attraverso gli stretti tubi prima che fossero collegati durante la costruzione [fonte: Gustafson ]. (Alla fine hanno ottenuto un robot per pulire l'acceleratore.)

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