Warum Ist Der Lhc 27 Kilometer Lang?

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Warum brauchen solche winzigen stücke kaum materie 27 kilometer, um zu wandern? Erfahren sie, warum der umfang des lhc bei WordsSideKick.com so groß ist.

Stephen Hawking hat einmal darauf hingewiesen, dass es uns helfen würde, wenn wir eine Zeit durchschlagen würden, wenn wir eine Maschine wie den LHC hätten, die uns auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte. Ja, der LHC ist für Hawking beeindruckend genug, um ihn als Transportmöglichkeit für Zeitreisen zu sehen. Und nicht umsonst bekam es seinen Ruf nicht umsonst: Der Hulking-Teilchenbeschleuniger hat seine Streifen verdient, als er uns 2012 und 2013 Beweise für das Higgs-Boson lieferte grundlegende Teilchen und Kräfte im Universum. Keine kleine Leistung.

Natürlich ist "klein" kein Begriff, den wir normalerweise mit dem LHC oder der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Verbindung bringen. Man denke an den Beschleuniger-Komplex am CERN, der weit mehr ist als nur der LHC. Wenn Sie einfach Protonen ohne vorherige Schritte in den LHC werfen würden, wäre nicht viel zu experimentieren: Sie müssen die Protonen nicht nur beschleunigen, bevor sie in den LHC eintreten, sondern sie auch in dichten Strahlenbündeln konzentrieren. Um dies zu tun, müssen einige Schritte unternommen werden, bevor sie zu ihrem gewaltsamen Schicksal im LHC abschweifen [Quellen: LHC Facts, CERN]:

  • Erstens müssen die Protonen in einen Linearbeschleuniger eingespeist werden, der ihre anfängliche Geschwindigkeit erreicht - diese Linie ist etwa 30 Meter lang.
  • Danach dringen die Protonenstrahlen in den Proton Synchrotron Booster ein, der sie mit einem pulsierenden elektrischen Feld noch schneller beschleunigt. Der Booster hat einen Umfang von 157 Metern (515 Fuß) und ist - vorweggenommen die Antwort auf unsere Hauptfrage - kreisförmig, wodurch die Partikel schneller laufen können. (Wir werden mehr mit dem Haupt-LHC anfangen.)
  • Nach dem Booster bewegen sich die Pakete der Protonenstrahlen in das Proton Synchrotron, eine weitere kreisförmige Bahn, die diese Protonen in Raserei versetzen soll. Der Umfang beträgt ungefähr 628 Meter und sie beginnen sich so schnell zu bewegen, dass sie buchstäblich nicht schneller gehen können. Die Protonen bewegen sich mit 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, was bedeutet, dass sie statt der Geschwindigkeit an Masse zunehmen. Bereit für LHC, richtig?
  • Nein, noch nicht gut genug für unsere kleinen Protonenbündel. Der nächste Schritt ist das Super Proton Synchrotron. (Nein, das Super Terrific Proton Synchrotron wird dem nicht folgen.) Dies ist ein rund 7 Kilometer langer kreisförmiger Beschleuniger, der, na ja, Sie wissen: Die Protonen werden "schneller", was eigentlich bedeutet, dass sie laufen addiere Energie, die Masse hinzufügt. Erst dann - nach einer Fahrt durch kilometerlange Beschleuniger - erreichen die Protonen sogar den 27 Kilometer langen LHC und können durch die Vakuumröhren des Kolliders einen nicht allzu gemächlichen Spaziergang machen.

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, durch den eine riesige Pfeife geführt wird.) Warum brauchen solche winzigen Stücke kaum Materie so viel Platz zum Durchstreifen?

Die erste Antwort ist etwas antiklimaktisch: Wir haben den LHC verwendet, weil er bereits da war. CERN hatte zuvor einen Beschleuniger (den Large Electron-Positron Collider), der anfangs den Raum einnahm, und er war so groß, um die Kollisionen von (Sie haben es erraten!) Elektronen und Positronen aufzunehmen. Warum war der LEP so groß oder sogar 100 Meter unter der Erde gebaut?

Es wurde aus einem recht einfachen Grund unterirdisch gebaut: Es war billiger, einfach einen Tunnel auszuheben, als Land zu kaufen und die Umweltauswirkungen zu mindern [Quelle: CERN]. (Es musste auch ein bisschen Steigung vorhanden sein, um die Kosten zu minimieren, die durch die Anordnung vertikaler Schächte entstehen.) Aber der Grund, warum das LEP einen so großen Umfang hatte, kommt zu dem Punkt, warum der LHC einen breiten Liegeplatz benötigt: Dame brauchte ein paar schöne Kurven.

Die abgerundeten Biegungen des LHC sind für die Beschleunigung notwendig, die für unsere Partikelkameraden so wichtig ist. Es beginnt alles mit den Newtonschen Bewegungsgesetzen, die besagen, dass ein Teilchen (oder etwas anderes - kein beabsichtigtes Wortspiel) sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen wird, wenn es nicht von einer Kraft beeinflusst wird. 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, können mit einem Kreisbeschleuniger die Teilchen jedes Mal mit Energie versorgt werden [Quelle: The Particle Adventure]. (Die riesigen Magnete, die die Protonen steuern, fügen nicht Energie hinzu, aber das elektrische Feld erhöht die Beschleunigung.) Ein kreisförmiger Beschleuniger lässt die Protonen umhergehen und Energie gewinnen, während gleichzeitig die Partikel an mehreren Punkten kollidieren - Ein Linearbeschleuniger hätte am Ende natürlich nur einen Kollisionspunkt.

Die Antwort auf die Frage, warum der LHC zirkulär ist, scheint mit seiner Größe nichts zu tun zu haben, bezieht sich aber darauf. Eine kleinere Rennstrecke für die Protonen würde bedeuten, dass sie zur Beschleunigung der schärferen Kurven mehr beschleunigen müssten und mehr Energie verlieren würde - und daher wäre die Kollision nicht so stark [Quelle: Butterworth]. Daher ist ein großer Radius erforderlich, um die Energie der Teilchen hoch genug zu machen, um sowohl Kollisionen zu beschleunigen als auch zu erzeugen.

Und denken Sie nicht, dass alle Wissenschaftler mit der Größe des aktuellen LHC zufrieden sind. Es werden ernsthafte Überlegungen angestellt, um eine 100 Kilometer lange Strecke zu bauen, die einen noch energiereicheren Kurs für Partikelkollisionen bietet [Quelle: Pease].Denken Sie daran, dass je höher die erreichte Energie ist, desto massiver die gefundenen Partikel sind - 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 irgendwie abseits, aber ich denke, wir alle wollen wissen: Was würde passieren, wenn wir in den LHC stolpern, während die Protonenstrahlen ihre Magie wirken? Niemand ist völlig sicher, aber es ist eine ziemlich gute Vermutung, dass Sie ein Loch durch Ihren Körper und vielleicht auch einen Kegel mit Protonen explodierender Wirkung haben würden.


Videoergänzungsan: Inside The World's Largest Particle Accelerator.




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