¿Por qué necesitamos aceleradores de la partícula grande?

Question

El LHC es mucho mayor que el de sus predecesores y sucesores propuestos mucho más grande todavía. Hoy en día, los aceleradores de partículas parecen ser la principal fuente de nuevos descubrimientos acerca de la naturaleza fundamental del mundo.

Mi laicos interpretación es que los aceleradores de partículas como el LHC son, esencialmente, la única viable, aparatos para la realización de experimentos en física de partículas, detectores pasivos de forma natural partículas con energía a pesar de. Experimentos varía según la configuración, sensores y material de origen, pero la necesidad de un acelerador es constante, y los más potentes aceleradores son capaces de realizar experimentos con los que están fuera del alcance de los menos poderosos aceleradores. Para los más potentes aceleradores, "más poderoso" parece implicar "físicamente más grande". En estos en forma de anillo de aceleradores, para un determinado tipo de partícula, su potencia máxima, parece ser (muy) aproximadamente proporcional a la circunferencia. Yo uso la palabra "poder" en un sentido riguroso aquí, lo que refleja mi sueltos comprensión de su significado.

Actualizaciones de tecnología puede hacer un acelerador más potente sin lo que es más grande, por ejemplo, el planificada de Alta Luminosidad de actualización para el LHC. Uno se imagina que una actualización sería más barato de construir que una colosal nuevo acelerador, sin embargo, grandes aceleradores siguen siendo construido, por lo que parecería que el potencial de mejora de un acelerador está limitada de alguna manera - que no es, de hecho, una relación entre el tamaño de un acelerador y su potencia máxima.

La primera parte de mi pregunta es esta: ¿cuál es la naturaleza de la relación entre el tamaño y la potencia de un moderno acelerador de partículas? Hay rendimientos decrecientes para el costo de operación de la fabricación de un acelerador más potente? O hay fundamentales de la física restricciones de colocar un límite duro en cómo de potente es un acelerador de un tamaño dado, que puede ser? O es que la tecnología, el principal factor limitante es concebible que los órdenes de magnitud que aumenta el poder podría ser eficientemente logrado en un pequeño acelerador con la tecnología más avanzada? Es probable?

La premisa básica de estos experimentos parece ser que podemos observar los subproductos de la colisión de partículas energéticas, donde "enérgica" presumiblemente se refiere a la energía cinética, ya que se utilizó un "acelerador", la energía de ellos. Para crear interesantes subproductos de la colisión, la energía cinética en la colisión (medido en eV) debe ser al menos tan grande como la masa de la partícula (medido en eV) de la que desea crear. Por lo tanto, podemos observar que las partículas de mayor masa con una mayor potencia de aceleración.

La segunda parte de mi pregunta es esta: son los aceleradores de partículas la única manera de empujar los límites de la física experimental de partículas? Es posible concebir que hay una manera para producir estos interesantes subproductos en un entorno experimental sin el uso de alta-energía de las colisiones? Si no, es posible concebir que hay una forma de dinamizar las partículas de otra manera que por la aceleración de ellos alrededor de una pista? Si no, es imposible, por definición o por alguna razón física? Si cualquiera de estas alternativas son posibles, entonces, suponiendo que no son prácticos reemplazos de los grandes aceleradores de hoy, es posible que lo serán en el futuro? Es probable?

En una frase, mi pregunta es esta: es el futuro de la física de partículas experimental ahora sólo una cuestión de la construcción de más y más grandes aceleradores de partículas?

Answer 1

Hay muchos que compiten los límites en la máxima energía de aceleradores como el LHC (es decir, un sincrotrón, un tipo de acelerador circular) puede alcanzar. Las dos principales son la pérdida de energía debido a la radiación de frenado (también llamada radiación de sincrotrón en este contexto, pero que es mucho menos divertido nombre para decir) y al doblar la potencia de los imanes.

El doblar la potencia de los imanes no es interesante. Hay un máximo campo magnético que podemos adquirir con la tecnología actual, y la fuerza de fundamentalmente de los límites de cuán pequeño sea el círculo puede ser. Grandes campos magnéticos significa que las partículas de la curva más y vamos a construir un colisionador de mayor energía con el mismo tamaño. Por desgracia, imanes superconductores son limitados en el campo: un material tiene un máximo alcanzable de intensidad de campo. Usted no sólo puede hacer una más grande para obtener un campo más amplio - que necesita para desarrollar un nuevo material para hacer de ellos.

Radiación de frenado

Radiación de frenado es el alemán para "radiación de frenado." Cuando una partícula cargada se acelera, se emite radiación. Para la aceleración perpendicular a la trayectoria (por ejemplo, si su viaje en un círculo), la pérdida de potencia está dada por:

$$P=\frac{q^2 a^2\gamma^4}{6\pi\epsilon_0c^3}$$

$q$ es el costo, $a$ es la aceleración, $\gamma$ es el factor de Lorentz, $\epsilon_0$ es la permitividad del espacio libre, y $c$ es la velocidad de la luz.

En la alta energía, se suele simplificar las cosas mediante el establecimiento de diversas constantes iguales a uno. En esas unidades, esto es

$$ P=\frac{2\alpha a^2\gamma^4}{3}$$

Este es instantánea pérdida de potencia. Normalmente estamos más interesados en la pérdida de energía durante un ciclo completo de todo el detector. Las partículas se van esencialmente a la velocidad de la luz, por lo que el tiempo para recorrer una vez que se acaba de $\frac{2\pi r}{c}$. Podemos simplificar algunos más: $\gamma=\frac{E}{m}$, e $a=\frac{v^2}{r}$. Todos juntos, esto nos da:

$$ E_{\rm loop} = \frac{4\pi\alpha E^4}{3m^4r}$$

Las principales cosas a tener en cuenta a partir de este son:

• Como aumentar la energía, la pérdida de potencia se incrementa muy rápidamente
• El aumento de la masa de las partículas es muy eficaz en la disminución de la pérdida de potencia
• Aumentando el radio del acelerador de ayuda, pero no tanto como el aumento de la energía duele.

Para poner estos números en perspectiva, si el LHC se ejecuta con los electrones y los positrones en lugar de protones, en la misma energía y todo, cada una de las $6.5~\rm TeV$ electrón tendría que tener $37\,000~\rm TeV$ de la energía añadida por bucle. Dicho todo esto, suponiendo que la eficiencia perfecta en el acelerador parte, el LHC podría consumir alrededor de $20~\rm PW$, o alrededor de 1000 veces el mundo del uso de la energía sólo para mantener las partículas en un círculo (esto no es ni siquiera incluyendo la aceleración de ellos parte). Huelga decir que esto no es práctico. (Y, por supuesto, incluso si tuviéramos la energía, no tenemos la tecnología.)

De todos modos, esta es la razón principal aceleradores de partículas deben ser de gran tamaño: el menor que los hacen, más la energía que queman sólo para quedarse. Naturalmente, el costo de un colisionador aumenta con el tamaño. Así que esto se convierte en un relativamente simple problema de optimización: más grande significa mayor costo por adelantado, pero menores costos de operación. Para cualquier destino de la energía, hay un tamaño óptimo de menor costo en el largo plazo.

Esta es también la razón de que el LHC es un colisionador de hadrones. Los protones son mucho más pesados que los electrones, y por lo que la pérdida es mucho menor. Los electrones son tan ligeros que circular aceleradores de partículas están fuera de la cuestión completamente de la energía de la frontera. Si el siguiente colisionador iban a ser otro de sincrotrón, que probablemente sea colisionar protones o, posiblemente, los muones.

El problema con el uso de los protones es que están compuestos de partículas, lo que hace que las colisiones mucho más complicada que el uso de un leptón de hadrones. También hace que el efectivo de la energía disponible y menos de lo que sería equivalente, leptón de hadrones.

El próximo collider

Existen diferentes propuestas para futuros aceleradores de partículas flotando en la física de alta energía de la comunidad. Una muestra de ellos de la siguiente manera.

Uno es lineal colisionador electrón-positrón. Esto habría que nos permiten realizar de muy alta precisión de las mediciones de Higgs física, como en los experimentos anteriores hizo para electrodébil física, y abrir otras precisión física. Este colisionador tendría que ser un acelerador lineal por las razones descritas anteriormente. Un acelerador lineal tiene algunas desventajas significativas: en particular, sólo tiene una oportunidad para acelerar las partículas, ya que no ven a su alrededor otra vez. Por lo que tienden a tener que ser bastante largo. Y una vez que se aceleran, la mayoría de ellos se pierda el uno del otro y se pierden. Usted no tiene muchas posibilidades de chocar igual que lo hacemos en el LHC.

Otra propuesta es básicamente "el LHC, pero a lo grande." Un $100~\rm TeV$ o así colisionador protón sincrotrón.

Una propuesta muy interesante es un muon de hadrones. Los muones tienen la ventaja de ser leptones, por lo que tienen limpias las colisiones, pero son mucho más pesados que los electrones, por lo que razonablemente puede ponerlos en un sincrotrón. Como bono adicional, el muón colisiones tienen una probabilidad mucho mayor de la producción de bosones de Higgs que los electrones hacer. La principal dificultad es que los muones son bastante cortas (alrededor de $2.2~\rm\mu s$), por lo que sería necesario para acelerar muy rápidamente antes de que la caries. Pero muy fresco, si se puede hacer!

El Futuro

Si queremos explorar las más altas energías, no hay realmente ninguna manera alrededor de los grandes aceleradores de partículas:

• Para los más "fuertes imán," sincrotrones, fundamentalmente, la necesidad de ser más grande para llegar a la mayor energía. Y aun suponiendo que pudiéramos conseguir imanes de fuerza incontenible, como aumentar la energía que hay un punto donde es más barato, a sólo chatarra de todo y construir uno más grande.
• Los aceleradores lineales son limitados en la energía que puede llegar por su tamaño y disposición tecnología de aceleradores. No es la investigación sobre mejores técnicas de aceleración (tales como plasma wakefield aceleradores), pero llegar a ellos mucho mejor requerirá un cambio fundamental en la tecnología.

No es una investigación interesante que se puede hacer en la precisión de las mediciones de la física de partículas a baja energía, pero para el descubrimiento de nuevas partículas de mayor energía de los aceleradores probablemente siempre será deseable.

Answer 2

La necesidad de grandes tamaños en los aceleradores convencionales proviene del comportamiento de las partículas cargadas como una función de la energía: que irradian y mayor es la energía que se aceleró el más grande de la radiación, por lo que para una determinada geometría y la tecnología no es un límite. La radiación es menor en los aceleradores lineales, pero existe un límite demasiado. La siguiente propuesta es para un international linear collider.

Los tamaños más grandes en colisionadores lineales y circulares permiten una mayor potenciación de las partículas de la viga, a un punto donde el costo efectividad, las pérdidas de energía de la radiación, los límites de su uso.

Existen propuestas alternativas. En 1977 recuerdo Tom Ypsilantis trabajando muy duro en una mesa acelerador experimento. Si el estudio de los campos en los cristales, muy altos campos eléctricos que podrían acelerar los muones de alta energía para una tecnología dada. (Él se dio hasta después de algunos años, y trabajó en el experimento Delphi en el anillo de imagen detector que él inventó, con un colaborador).

El sueño de una tabla de la parte superior del acelerador está vivo. Tener un vistazo aquí:

El equipo, desde el Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), que se utiliza especializado petawatt láser y una carga de partículas de gas llamado plasma para obtener las partículas a gran velocidad. El programa de instalación se conoce como un láser-plasma acelerador, una clase emergente de los aceleradores de partículas que los físicos creen que pueden reducir tradicional, millas de largo aceleradores para máquinas que pueden caber en una tabla.

Los investigadores acelerado de las partículas de electrones en este caso-dentro de nueve centímetros de largo tubo de plasma. La velocidad corresponde a una energía de 4.25 giga-electrón voltios. La aceleración sobre una distancia tan corta corresponde a un gradiente de energía 1000 veces mayor que las tradicionales, aceleradores de partículas y marca un récord mundial de energía por láser-plasma aceleradores.

Answer 3

Las fronteras de la física de partículas están en altas energías. Altas energías que inevitablemente significa máquinas más grandes, y sí, hay un punto de rendimiento decreciente: cuando el público ya no quiere pagar la factura. En términos prácticos, tenemos que hay ahora. Máquinas más grandes podría ser construido, pero aquí nadie quiere pagar por ellos.

Tenemos más fuentes de energía disponible para nosotros, que no involucran a los aceleradores, en el cosmos. El futuro de la física de alta energía, probablemente, radica en el estudio de los objetos celestes que operan en los niveles de energía inalcanzable en la tierra. Vamos a hacer esto con el mayor de los telescopios, y por la "recuperación" de las partículas que chocan contra nuestra atmósfera desde lejos, con las energías que nuestros aceleradores nunca puede igualar. El reto es que los objetos están muy muy lejos de nosotros, lo que los hace difícil de estudiar, pero su distancia es una buena cosa, porque si ellos no estaban lejos, estaríamos fritos a la muerte por ellos.

Answer 4

Las respuestas ya dadas, me gustaría añadir un corolario: no. No todas las partículas de la física requiere un mayor colisionador. Es sólo que el "mayor" uno siempre captura la imaginación del público más que los otros. La verdad es que hay un montón de buena, ciencia importante que se realiza en aceleradores de partículas mucho más pequeñas que el LHC.

Como las respuestas anteriores indican que, para una determinada fuerza magnética y la pérdida de energía, un mayor radio accelerator te dará más alto de la energía de las colisiones. Pero la energía no es el único factor. El otro es la cantidad de colisiones que usted consigue. Esta es una estadística de juego, después de todo: la gran mayoría de las colisiones producen nada de interés (de hecho, la mayoría de los detectores tienen algoritmos para tirar la gran mayoría de las colisiones registradas, porque son inútiles). Algunas partículas no son muy grandes, pero muy difícil de alcanzar para encontrar (cualquiera de las que rara vez se produce, o muy difíciles de detectar). Haciendo la investigación sobre estas partículas no requiere de un gran anillo, sino más bien una gran viga, es decir, un gran número de partículas que colisionan para producir más colisiones y una mayor probabilidad de encontrar lo que estás buscando.

En segundo lugar, una gran cantidad de la física de partículas es la refinación de las mediciones actuales, por ejemplo, la refinación de la masa exacta de una partícula, o de otras propiedades. A veces, es mejor usar completamente diferentes aceleradores que el clásico de protones sincrotrones, como un acelerador lineal de electrones, que, como Chris se explicó anteriormente, da mucho más limpio colisiones de protones, lo que permite mediciones más precisas.

Por lo que la línea de fondo es que cada tamaño y tipo de acelerador tiene su lugar en la física de partículas del mundo, dependiendo de lo que quieres estudiar. La pregunta no es "¿podemos hacer de esto algo más grande?" Es "cuál es la pregunta que queremos responder, y qué tipo de acelerador proporciona la mayoría de los medios óptimos para responder a esa pregunta?"