Colisionador de hadrones
En la Tierra, toda la materia que normalmente podemos ver está compuesta por protones, neutrones, electrones y una gran cantidad de fotones. Por supuesto, la naturaleza también incluye algunas cosas que no podemos percibir, incluidos los neutrinos y los neutrinos. antineutrinos, partículas masivas de materia oscura y partículas de alta energía que solo existen durante cortos períodos de tiempo.
De entre estas partículas, el neutrino es la partícula más ligera, pero no tiene carga, mientras que el electrón es la segunda partícula más ligera, con carga negativa y una masa de 5,11×10^3 ( eV/c ^2), mientras que el protón tiene carga positiva y una masa de 9,38×10^8 (eV/c^2), y su masa es aproximadamente 1836,5 veces la del electrón. Entre ellos, los electrones son partículas aceleradas utilizadas en el Gran Colisionador de Electrones Positrones (LEP) del Fermilab, mientras que los protones son partículas aceleradas utilizadas en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el ser humano más energético.
Sus principios de funcionamiento son los mismos. Todos utilizan un campo eléctrico para acelerar las partículas cargadas, de modo que las partículas cargadas ganan velocidad, y luego proporcionan un campo magnético que es variable según su velocidad en el rango donde. las partículas cargadas pasan, lo que hace que el camino acelerado de las partículas cargadas se doble en un anillo estable. Por lo tanto, siempre que el campo eléctrico y el campo magnético sean lo suficientemente fuertes, las partículas cargadas pueden alcanzar suficiente velocidad.
Generalmente, los aceleradores circulares son mejores que los lineales porque las partículas cargadas pueden usar la misma "trayectoria" una y otra vez para obtener energías cada vez más altas, acelerando así las partículas a menos del 1% de la velocidad de la luz. Velocidad en kilómetros por segundo. Aquí surge una pregunta: ¿por qué después de la modernización del acelerador de partículas, es decir, el Gran Colisionador de Hadrones utiliza protones en lugar de electrones? A nuestro entender, los electrones son más ligeros y deberían acelerarse más fácilmente y alcanzar velocidades más altas.
Y el protón tiene un defecto evidente: el protón no es una partícula fundamental. Está compuesto por tres quarks y gluones. Cuando el LHC colisiona dos protones, la energía de colisión se reparte no sólo entre los tres quarks de cada protón, sino también entre todos los gluones de su interior. Esto no solo hará que la energía de la colisión no esté lo suficientemente concentrada, sino que también producirá una gran cantidad de "basura", los llamados escombros de la colisión, que causarán "caos" en el punto de colisión. Es muy difícil para nosotros detectarlo. las nuevas partículas producidas.
Sin embargo, para el gran colisionador electrón-positrón, los electrones son de hecho pequeños en masa y fáciles de acelerar. También son partículas elementales. Después de la colisión, la energía en el punto de colisión está relativamente concentrada y no hay. demasiados "fragmentos", que deberían ser intuitivamente mejores que los protones. Pero físicamente los electrones no pueden alcanzar la misma energía que los protones. ¿Por qué es esto?
De hecho, antes del Gran Colisionador de Hadrones, la pista circular utilizada por el LEP o Gran Colisionador de Positrones y Electrones también tenía una circunferencia de 27 kilómetros. Sin embargo, la energía del posterior Gran Colisionador de Hadrones podría alcanzar los 13 TeV o 13.000.000.000.000 electronvoltios, pero el LEP sólo podría alcanzar una energía de 114 GeV o 114.000.000.000 electronvoltios. ¿Por qué hay una diferencia tan grande? Esto no se debe al tamaño del anillo (el mismo), ni a la fuerza del imán (probablemente el mismo pero no muy diferente), ni a la masa de los protones y electrones, sino a que cuando las partículas cargadas se aceleran en una curva El campo magnético emitirá radiación electromagnética.
Este fenómeno se llama radiación sincrotrón, y la pérdida de energía de esta radiación es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la masa de la partícula cargada, lo que significa que cuando la masa de un electrón es 1836 veces menor que la de un protón, ¡perderá energía 10^13 veces más rápido! La energía perdida por los protones es relativamente lenta. En las mismas circunstancias, los protones pueden alcanzar mayor energía o mayor velocidad.
Así que utilizamos protones como partículas aceleradoras en el LHC después del LEP. Pero por lo anterior también sabemos que los protones también tienen sus defectos. ¿Tenemos una partícula entre protones y electrones?
Es un muón, que es un pariente cercano del electrón y tiene básicamente las mismas propiedades. El espín, la carga y el momento magnético son los mismos, pero su masa es 206 veces la del electrón. lo que compensa la diferencia en la masa del electrón insuficiente. Además, en comparación con los protones, los muones son partículas elementales que pueden resolver eficazmente el fenómeno de energía relativamente dispersa después de una colisión.
Pero los muones también tienen sus propios defectos, porque son partículas inestables y se descomponen en electrones y dos neutrinos en una media de 2,2 microsegundos. Por lo tanto, debemos tener una velocidad inicial muy rápida para que los muones sean lanzados al anillo de aceleración del acelerador circular desde el principio.
Utilizar el efecto de dilatación del tiempo relativista para ralentizar su tiempo de desintegración. Deberíamos poder acelerarlos a más del 99,999% de la velocidad de la luz para provocar que colisionen y descubran secretos aún mayores sobre el universo. Esta es también la dirección del futuro desarrollo de grandes aceleradores de partículas.