מהו מאיץ החלקיקים של CERN?

Send

מה אם ניתן היה לשמור על אבני הבניין הבסיסיות שעליהן מבוסס היקום? לא בעיה! כל מה שתזדקק לו הוא מאיץ חלקיקים מסיבי, מתקן תת-קרקעי גדול מספיק בכדי לחצות גבול בין שתי מדינות, והיכולת להאיץ חלקיקים עד לנקודה בה הם משמידים זה את זה - משחררים אנרגיה ומסה שתוכלו לצפות בהם בסדרה של צגים מיוחדים.

ובכן, למרבה המזל, מתקן כזה כבר קיים, והוא ידוע בשם CERN Large Hardron Collider (LHC), המכונה גם מאיץ החלקיקים של CERN. בהיקף של כ -27 קמ"ש ונמצא עמוק מתחת לפני השטח בסמוך לז'נבה, שוויץ, הוא מאיץ החלקיקים הגדול ביותר בעולם. ומאז ש- CERN הפך את המתג, ה- LHC שופך אור רציני על כמה תעלומות עמוקות יותר של היקום.

מטרה:

Colliders, בהגדרה, הם סוג של מאיץ חלקיקים הנשענים על שתי קרני חלקיקים מכוונות. חלקיקים מואצים במכשירים אלה לאנרגיות קינטיות גבוהות מאוד ואז נוצרים להתנגש זה בזה. תוצרי הלוואי של התנגשויות אלה מנותחים לאחר מכן על ידי מדענים על מנת לברר את מבנה העולם התת-אטומי והחוקים השולטים בו.

מטרתם של מתנפלים היא לדמות את סוג ההתנגשויות באנרגיה גבוהה לייצור תוצרי לוואי של חלקיקים שאחרים לא היו קיימים בטבע. יתר על כן, סוגים אלה של תוצרי לוואי של חלקיקים מתפרקים לאחר תקופה קצרה מאוד, ולכן קשה או כמעט בלתי אפשרי ללמוד אותם בתנאים רגילים.

המונח הדרון מתייחס לחלקיקים מורכבים המורכבים מקווארקים המוחזקים יחד על ידי הכוח הגרעיני החזק, אחד מארבעת הכוחות השולטים באינטראקציה בין החלקיקים (האחרים הם כוח גרעיני חלש, אלקטרומגנטיות וכוח כוח). ההדרונים הידועים ביותר הם בריונים - פרוטונים ונויטרונים - אך כוללים גם מזונים וחלקיקים לא יציבים המורכבים מקווארק אחד ועתיק עתיק אחד.

עיצוב:

ה- LHC פועל על ידי האצת שתי קרני "הדרון" - פרוטונים או יוני עופרת - בכיוונים מנוגדים סביב המנגנון המעגלי שלו. לאחר מכן ההתרסקות מתנגשות לאחר שהשיגו רמות אנרגיה גבוהות מאוד, והחלקיקים המתקבלים מנותחים ונחקרים. זהו מאיץ האנרגיה הגבוהה הגדול ביותר בעולם, שנמדד 27 ק"מ בהיקף ובעומק של 50 עד 175 מ '(164 עד 574 ft).

המנהרה המאכלסת את הקוליידר רוחבה 3.8 מטרים, ושימשה בעבר לאכסון קולידר גדול אלקטרונים-פוזיטרון (שפעל בין 1989 ל- 2000). מנהרה זו מכילה שתי קווי קרן מקבילים סמוכים המצטלבים בארבע נקודות, שכל אחת מהן מכילה קרן הנעת בכיוונים מנוגדים סביב הטבעת. הקורה נשלטת על ידי 1,232 מגנטים דיפולניים ואילו 392 מגנטים לארבע המשמשים משמשים לשמירת מיקוד הקורות.

בערך 10,000 מגנטים מוליכים-על משתמשים בסך הכל, שנשמרים בטמפרטורה תפעולית של -271.25 מעלות צלזיוס (-456.25 מעלות צלזיוס) - שהיא פשוט ביישנית מאפס מוחלט - על ידי 96 טון של הליום -4 נוזלי. זה גם הופך את ה- LHC למתקן הקריוגני הגדול ביותר בעולם.

בעת ביצוע התנגשויות פרוטון, התהליך מתחיל במאיץ החלקיקים הליניארי (LINAC 2). לאחר שה- LINAC 2 מגביר את האנרגיה של הפרוטונים, חלקיקים אלה מוזרקים לאחר מכן לתוך ה- Proton Synchrotron Booster (PSB), שמאיץ אותם למהירויות גבוהות.

לאחר מכן הם מוזרקים ל- Proton Synchrotron (PS), ואז אל Super Proton Synchrtron (SPS), שם הם מועברים עוד יותר לפני שהם מוזרקים למאיץ הראשי. כשהם שם, חבורות הפרוטונים נצברות ומואצות לאנרגיית השיא שלהן במשך 20 דקות. לבסוף, הם מופצים במשך 5 עד 24 שעות, שבמהלכם מתרחשים התנגשויות בארבע נקודות הצומת.

במהלך תקופות ריצה קצרות יותר, כלולים בתוכנית התנגשויות של יונים כבדים (בדרך כלל יוני עופרת). יוני ההובלה מואצים תחילה על ידי המאיץ הליניארי LINAC 3, וטבעת היון הנמוכה (LEIR) משמשת כיחידה לאחסון ומקרר של יונים. לאחר מכן מואצים את היונים על ידי ה- PS וה- SPS לפני שהם מוזרקים לטבעת LHC.

בזמן שמתנגשים בפרוטונים ויוני עופרת, משתמשים בשבעה גלאים לסריקת תוצרי הלוואי שלהם. אלה כוללים את הניסוי AL Toroidal LHC מכשירים (ATLAS) ואת ה- Compact Muon Solenoid (CMS), שהם שניהם גלאים למטרות כלליות שנועדו לראות סוגים רבים ושונים של חלקיקים תת-אטומיים.

יש את הגלאים הספציפיים ביותר לניסוי גדול ב- Ion Collider (ALICE) וגדולי היופי של Hadron Collider (LHCb). בעוד ALICE הוא גלאי-יון כבד החוקר חומר אינטראקציה חזקה בצפיפות אנרגיה קיצונית, LHCb מתעד את התפרקות החלקיקים ומנסה לסנן קווארקים b ואנטי-ב מתוצרי ריקבונם.

ישנם שלושת הגלאים הקטנים והמתמחים ביותר - ניסוי TOTAL אלסטיים ודיפרקטיים למדידה (TOTEM), המודד את חתך הכולל של חתך, פיזור אלסטי ותהליכים דיפרקטיביים; גלאי מונופול ואקזוטיקה (MoEDAL), המחפש מונופולים מגנטיים או חלקיקים טעונים ויציבים (פסאודו); וקדימה גדולה של Hadron Collider (LHCf) המנטרת חלקיקים אסטרוכיים (המכונה קרניים קוסמיות).

תולדות המבצע:

CERN, המייצג את Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (או המועצה האירופית לחקר הגרעין באנגלית), הוקמה ב- 29 בספטמבר 1954, על ידי שתים עשרה מדינות חתימות על מערב אירופה. מטרתה העיקרית של המועצה הייתה לפקח על הקמת מעבדה לפיזיקת חלקיקים בג'נבה בה יתקיימו מחקרים גרעיניים.

זמן קצר לאחר הקמתה, המעבדה חרגה מעבר לכך והחלה לבצע גם מחקר בפיזיקה עתירת אנרגיה. כמו כן, היא גדלה וכללה עשרים מדינות חברות באירופה: צרפת, שוויץ, גרמניה, בלגיה, הולנד, דנמרק, נורבגיה, שוודיה, פינלנד, ספרד, פורטוגל, יוון, איטליה, בריטניה, פולין, הונגריה, צ'כיה, סלובקיה , בולגריה וישראל.

הקמת ה- LHC אושרה בשנת 1995 ובמקור נועדה להסתיים עד 2005. עם זאת, חריגות עלויות, קיצוצים בתקציב וקשיים הנדסיים שונים דחפו את תאריך ההשלמה לאפריל 2007. ה- LHC עלה לראשונה לאינטרנט ב- 10 בספטמבר 2008, אך הבדיקה הראשונית עוכבה במשך 14 חודשים בעקבות תאונה שגרמה נזק נרחב לרבים ממרכיבי המפתח של הרוכב (כמו המגנטים המוליכים-על).

ב- 20 בנובמבר 2009 ה- LHC הוחזר לאינטרנט וההפעלה הראשונה שלו התקיימה בין השנים 2010-2013. במהלך ריצה זו התנגשה בשתי קרני חלקיקים מנוגדים של פרוטונים וגרעיני עופרת באנרגיות של 4 טרקטרו-וולטים (4 ט"ו) ו -2.77 ט"ו לכל נוקלאון בהתאמה. המטרה העיקרית של ה- LHC היא ליצור מחדש תנאים ממש לאחר המפץ הגדול כאשר התרחשו התנגשויות בין חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה.

תגליות עיקריות:

במהלך ההפעלה הראשונה, גילויי ה- LHC כללו חלקיקים שנחשבו להיות היגס בוסון המבוקש והארוך, שהוכרז ב- 4 ביולי, 2012. חלקיק זה, המספק חלקיקי מסת אחרים, הוא חלק מרכזי במודל הסטנדרטי של הפיזיקה. . בשל מסתו הגבוהה ואופיו החמקמק, קיומו של חלקיק זה התבסס אך ורק בתיאוריה ומעולם לא נצפתה בעבר.

הגילוי של היגס בוסון והפעלתו המתמשכת של ה- LHC אפשרו גם לחוקרים לחקור את הפיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי. זה כלל בדיקות הנוגעות לתורת העל-סימטריה. התוצאות מראות כי סוגים מסוימים של ריקבון החלקיקים נפוצים פחות מכפי שצפות צורות מסוימות של סופר-סימטריה, אך עדיין יכולות להתאים לתחזיות של גרסאות אחרות של תורת העל-סימטריה.

במאי 2011 דווח כי פלזמה קווק-גלון (תיאורטית, החומר הצפוף ביותר מלבד חורים שחורים) נוצר ב- LHC. ב- 19 בנובמבר 2014 הודיע ניסוי LHCb על גילוי של שני חלקיקים תת-אטומיים כבדים חדשים, שניהם בריונים המורכבים מתחתית אחת, אחת למטה ואחד קווארק מוזר. שיתוף הפעולה של LHCb צפה גם במספר הדרונים אקזוטיים במהלך ההפעלה הראשונה, יתכן ופנטקארקים או טרקטארקים.

מאז 2015 מקיים ה- LHC את המופע השני שלו. באותה תקופה הוקדש לאישור גילויו של היגס בוסון, ולחקירת המשך תורת העל-סימטריה וקיומם של חלקיקים אקזוטיים ברמות אנרגיה גבוהות יותר.

בשנים הבאות מתוכננת ה- LHC לסדרת שדרוגים בכדי להבטיח שהיא לא תסבול מהתשואה המופחתת. בשנים 2017-18 מתוכנן ה- LHC לעבור שדרוג שיגדיל את אנרגיית ההתנגשות שלו ל -14 ט"ו. בנוסף, לאחר 2022, גלאי ה- ATLAS אמור לקבל שדרוג שנועד להגדיל את הסבירות שהוא יגלה תהליכים נדירים, המכונים LHC High Luminosity High Luminosity.

מאמץ המחקר השיתופי המכונה LHC Accelerator Research Program (LARP) מבצע כעת מחקר כיצד לשדרג את ה- LHC עוד יותר. בראש ובראשונה אלה עליות בזרם הקורה ושינוי בשני אזורי האינטראקציה בהירים גבוהה, וגלאי ATLAS ו- CMS.

מי יודע מה יגלה ה- LHC בין עכשיו ליום בו יכבו סוף סוף את הכוח? במזל זה ישפוך אור רב יותר על התעלומות העמוקות יותר של היקום, שיכולות לכלול את המבנה העמוק של מרחב וזמן, את הצומת של מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית, את הקשר בין חומר לאנטי-חומר, ואת קיומה של "חומר אפל" ”.

כתבנו מאמרים רבים אודות CERN ו- LHC for Magazine Space. הנה מהו היגס בוסון?, מכונה ההייפ מאחה לאחר שמידע CERN לא מציג שום חלקיק חדש, BICEP2 בכל פעם מחדש? החוקרים מציבים את תגליתו של היגס בוסון בספק, שני חלקיקים תת-אטומיים חדשים שנמצאו, האם חלקיק חדש עומד להכריז ?, פיזיקאים אולי, רק אולי, יאשרו את התגלית האפשרית של כוח הטבע החמישי.

אם ברצונך לקבל מידע נוסף על ה- Large Hadron Collider, עיין בדף הבית של LHC, והנה קישור לאתר CERN.

לאסטרונומיה קאסט יש גם כמה פרקים בנושא. האזינו כאן, פרק 69: קדרדר הדרון הגדול והחיפוש אחר היגס בוסון ופרק 392: המודל הסטנדרטי - מבוא.

מקורות: