Modelul StandardAccelerând particule, fizicienii împuşcă doi iepuri dintr-un foc: se poate studia materia la mărimi încă şi mai mici şi, în plus, se pot crea particule noi cu masă şi mai mare. Vorbim în continuare despre accelerarea particulelor şi diversele tipuri de acceleratoare.

 

 

Acceleratoare de particule. Detecţia (7)

În primul rând, din moment ce orice particulă (corpuscul) are şi comportament ondulatoriu, fizicienii folosesc acceleratoare pentru a creşte impulsul unei particule, astfel micşorând lungimea sa de undă. Cum obiectele nu pot fi "vizualizate" şi observate decât cu "sonde" ce au lungimi de undă mai mici decât dimensiunea corpurilor studiate, fizicienii au nevoie de acceleratoare de particule pentru a mări energia, viteza şi deci impusul particulelor. Mărind impulsul, se micşorează lungimea de undă şi astfel particulele pot fi folosite pentru a studia corpuri tot mai mici precum atomul şi interiorul său. În al doilea rând, cum masa reprezintă energie, pentru a crea particule tot mai masive este nevoie de o energie tot mai mare şi această energie provine din energia cinetică mare pe care o primesc particulele accelerate.

Accelerator

Dar cum funcţionează acceleratoarele? În principiu, un accelerator ia o particulă, o accelerează folosind câmpuri electromagnetice şi izbeşte această particulă de o ţintă fixă sau de alte particule. În jurul punctului de coliziune există un detector care descoperă şi înregistrează caracteristicile diverse ale evenimentului. Întrebare: care este cel mai apropiat accelerator de particule aflat lângă tine în acest moment? Răspuns: monitorul calculatorului din faţa ta (mai puţin dacă ai un monitor LCD), sau televizorul (mai puţin dacă ai o plasmă!).

Cum se obţin particulele ce sunt apoi accelerate?

 

electron

Electronii: Încălzirea unui metal face ca acesta să emită electroni. Un televizor, similar unui tub de raze catodice foloseşte acest mecanism. (n.t. -  astfel au fost descoperiţi electronii, ca radiaţii emise de orice substanţă, accelerate în tuburi catodice şi curbate de un câmp magnetic. Măsurarea raportului dintre sarcina electrică şi masa acesteia, în 1897, de către J.J. Thomson, în Anglia, a reprezentat momentul descoperirii electronului).

 

proton

Protonii: Pot fi uşor obţinuţi prin ionizarea hidrogenului. (n.t. - atomul de hidrogen este format dintr-un proton în jurul căruia se roteşte un electron. Dacă se oferă energie atomului de hidrogen astfel încât electronul să se elibereze şi să "părăsească" atomul, acesta se ionizează, iar ionul de hidrogen obţinut nu este altceva decât un proton).

 

antiparticule

Antiparticulele: pentru a obţine antiparticule, trebuie create create întâi particule, iar ulterior acestea trebuie accelerate şi abia apoi lovite de o ţintă. În aceste coliziuni între particule de materie se vor forma (rar, dar se vor forma) şi perechi de particule de materie şi antimaterie în interacţiuni electromagnetice mediate de fotoni sau interacţiuni ale forţei tari, mediate de gluoni. Plasate într-un câmp magnetic, particulele îşi vor curba traiectoria într-un anumit sens, iar antiparticulele (care au o sarcină electrică opusă), îşi vor curba traiectoria în sens opus.

 

Cum sunt accelerate particulele?

Acceleratoarele de particule accelerează particule încărcate electric prin crearea de câmpuri electrice mari care atrag sau anulează particulele. Acest câmp este aplicat apoi iar şi iar, accelerând astfel în mod repetat particulele.

unde electromagnetice

Într-un accelerator linear câmpul electric apare datorită undelor electromagnetice (E-M) care călătoresc. Când o undă E-M loveşte un fascicul de particule, acelea din spate sunt accelerate cel mai mult, în timp ce acelea din faţă sunt accelerate cel mai puţin. În acest mod, particulele “plutesc” în faţa undei E-M asemănător unei mulţimi de surferi.

accelerarea particulelor

Explicaţie animată a accelerării particulelor datorită unei unde electromagnetice.

 

Tipuri de experimente având la bază coliziuni de particule:

Există mai multe criterii după care se proiectează acceleratoare de particule, fiecare cu avantajele şi dezavantajele sale. Acceleratoarele pot fi proiectate pentru a produce coliziuni de două tipuri: cu ţintă fixă şi cu ciocniri de fascicule.

tinta fixa

Ţinta fixă: se loveşte o particulă de o ţintă fixă (o particulă în mişcare cu una în repaus)

 

ciocniri de fascicule

Ciocniri de fascicule: două fascicule de particule venind din sensuri opuse sunt ciocnite (o particulă în mişcare cu alta aflată tot în mişcare, dar din sens opus)

 

Tipuri de acceleratoare:

accelerator linear

Accelerator linear (linac), în care particula intră la un capăt şi iese prin celălalt

 

sincrotron
Accelerator circular (sincrotron), în care particulele se deplasează repetat pe traiectorie circulară...

 

 

 

Experimente cu ţintă fixă

Într-un experiment cu ţintă fixă, o particulă încărcată electric, cum ar fi un electron sau un proton, este accelerată de un câmp electric şi ciocnită de o ţintă, care poate fi solidă, lichidă sau gazoasă. Un detector determină sarcina, impulsul, masa etc. particulelor rezultate din aceste coliziuni.

experiment tinta fixa
.
experiment Rutherford

Un exemplu al acestui proces este experimentul lui Rutherford (celebrul experiment cu foiţă de aur) în care sursa radioactivă a furnizat particule alfa de înaltă energie, care s-au ciocnit cu ţinta fixă reprezentată de foiţa de aur. Detectorul a fost paravanul din sulfură de zinc.

 

Experimente cu ciocniri de fascicule

experiment cu ciocniri de fascicule

Într-un experiment cu fascicule care se ciocnesc, particule cu energie înaltă şi deplasându-se în direcţii opuse sunt făcute să se ciocnească două câte două.

energie cinetica

Avantajul acestui aranjament este că ambele particule au energie cinetică, astfel că o coliziune între ele este mult mai probabil să producă o particulă cu masă mai mare decât ar produce o coliziune cu o ţintă fixă, la aceeaşi energie a fasciculului. Din moment ce avem de-a face cu particule cu un impuls considerabil, acestea au lungimi de undă scurte şi reprezintă "sonde" excelente pentru "a se studia una pe alta".

 

Să construim un accelerator linear sau circular?

Orice accelerator este ori linear, ori circular, diferenţa fiind că particula este accelerată precum un glonţ într-o armă de foc în cazul acceleratorul linear sau deplasată de foarte multe ori pe o traiectorie circulară, primind câte un mic impuls pentru fiecare tură, în cazul acceleratorului circular. Ambele tipuri accelerează particule prin împingerea lor cu o undă de câmp electric.

Acceleratoarele lineare (linac-urile) sunt folosite pentru experimente cu ţintă fixă, pentru a injecta particule în acceleratoare circulare sau pentru a ciocni particulele din interiorul lor cu particule accelerate de un alt accelerator linear (vezi cele trei cazuri în pozele de mai jos).

 

tinta fixa

Ţintă fixă

 

injector pentru accelerator linear

Injector pentru un accelerator linear

 

ciocniri de particule din acceleratoare lineare
Ciocniri de particule provenind din două acceleratoare lineare

 

Acceleratorul circular (sincrotron) poate fi folosit pentru experimente ce ciocnesc fascicule de particule sau pot fi extrase din inel pentru experimente de ciocniri cu ţintă fixă.

ciocnirea de fascicule

Ciocnirea de fascicule

 

extragerea pentru a lovi o tinta fixa

Extragerea pentru a lovi o ţintă fixă

Particulele dintr-un accelerator circular urmează traiectorii circulare deoarece o serie de magneţi de mari dimensiuni curbează traiectoria particulelor suficient de mult pentru a le menţine în accelerator. Cum "reuşesc" magneţii acceleratorului circular acest lucru?

 

Ce face o particulă să se deplaseze circular?

Pentru a menţine orice obiect pe o traiectorie circulară, trebuie să existe o forţă constantă asupra acelui obiect spre centrul cercului. Într-un accelerator circular, un câmp electric face ca sarcina electrică să accelereze, pe când magneţii mari furnizează forţa internă necesară pentru a curba calea particulei într-un cerc.

deplasare circulara

În imaginea animată de deasupra, viteza particulei este reprezentată de săgeata albă, în timp ce forţa furnizată de magnet către interiorul cercului este săgeata galbenă.

Prezenţa unui câmp magnetic nu creşte sau micşorează niciodată energia particulelor. Câmpul magnetic doar curbează calea particulei de-a lungul arcului acceleratorului. Magneţii sunt, de asemenea, folosiţi pentru a direcţiona fasciculele de particule încărcate electric spre ţinte şi pentru a "focaliza" fasciculele, aşa cum lentilele optice focalizează lumina.

deplasare in camp magnetic
Întrebare: Dacă un câmp magnetic face ca electronii să se deplaseze în direcţia acelor de ceasornic, în ce direcţie vor fi deviaţi pozitronii? Răspuns: În sens contrar acelor de ceasornic! Acelaşi câmp magnetic deviază pozitronii în direcţia opusă, dar pe o traiectorie circulară similară.

 

Avantajele diferitelor design-uri de acceleratoare

 

Ce accelerator alegem?

Hmm, pe care să îl alegem?

Avantajul unui accelerator circular faţă de un accelerator linear este că particulele dintr-un accelerator circular se deplasează pe o traiectorie circulară în mod repetat, primind impulsuri la fiecare tură. Prin urmare, sincrotroanele pot furniza particule cu energie foarte înaltă fără ca acceleratorul să aibă o lungime foarte mare. Mai mult chiar, faptul că particulele parcurg mai multe ture înseamnă că există mai multe şanse de coliziuni acolo unde fasciculele se întâlnesc.

Pe de altă parte, acceleratoarele lineare sunt mult mai uşor de construit decât acceleratoarele circulare deoarece nu au nevoie de magneţii de mari dimensiuni necesari pentru devierea traiectoriilor particulelor ce sunt accelerate. Acceleratoarele circulare, de asemenea, trebuie să aibă dimensiuni (diametre) imense pentru a duce particulele la energii suficient de mari, deci construirea lor presupune costuri foarte mari.

emisie foton

Un alt aspect de care fizicienii trebuie să ţină cont este că o particulă încărcată electrică radiază energie sub formă de fotoni când este accelerată. La energii înalte pierderea de radiaţie este mai  mare pentru accelerarea circulară decât pentru accelerarea lineară. În plus, pierderea de radiaţiei este mult mai mare pentru electronii mai uşori care sunt acceleraţi decât pentru protonii mai grei. Electronii şi antielectronii (pozitronii) pot fi aduşi la energii înalte doar în acceleratoare lineare sau în cele circulare cu rază mare.

 

Întrebare: Poate fi un obiect accelerat în timp ce îşi menţine aceeaşi viteză?

Răspuns: Viteza este reprezentată de schimbarea absolută a poziţiei în timp. Dar vectorul viteză este reprezentat atât de valoarea vitezei, cât şi direcţia de deplasare, iar acceleraţia este modificarea vitezei în timp. Aşadar, o particulă care se deplasează pe o traiectorie circulară îşi păstrează o valoare constantă a vitezei, însă îşi schimbă direcţia de deplasare, deci vectorul viteză asociat ei se modifică, astfel că particula accelerează.

Marile Acceleratoare

Vă invităm să exploraţi diferite laboratoare de cercetare care găzduiesc cele mai mari acceleratoare de particule din lume, astfel încât să puteţi studia în mai mare detaliu design-ul acceleratoarelor lor, pentru a aprecia cu adevărat diferenţele de design între diferitele acceleratoare.

SLAC: Acceleratorul Stanford Linear Accelerator Center de lângă San Francisco, California, SUA, a descoperit quarcul charm (de asemenea descoperit în mod independent la Brookhaven) şi leptonul tau (τ). Acum funcţionează ca accelerator care produce cantităţi mari de mezoni B şi în viitor se va transforma într-un mare laser bazat pe electroni liberi.

Fermilab: Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), de lângă Chicago, Illinois, SUA, unde au fost descoperite quarcurile bottom şi top, precum şi neutrinul leptonului tau (τ).

CERN: European Laboratory for Particle Physics (CERN, Laboratorul European de Fizica Particulelor, iniţial numit Centre Europeen de Recherche Nucleaire), aflat chiar pe graniţa eleveţiano-franceză, unde au fost descoperite particulele W şi Z.

BNL: Brookhaven National Lab (BNL) din New York, SUA, unde s-a descoperit quarcul charm simultan cu laboratorul SLAC.

CESR: Cornell Electron-Positron Storage Ring (CESR), din Ithaca, New York, SUA. Unde s-au efectuat studii detaliate asupra quarcului bottom.

DESY: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Hamburg, Germania, unde au fost descoperiţi gluonii.

KEK: High Energy Accelerator Research Organization, Tsukuba (cam două ore de Tokyo), Japonia, unde se produc cantităţi mari de mezoni B.

IHEP: Institute for High-Energy Physics (IHEP, Institutul pentru Fizică de Energie Înaltă) din Beijing, Republica Populară Chineză, unde au fost efectuate studii detaliate ale leptonului tau (τ) şi quarcului charm.

 

Evenimentele

După ce un accelerator a "pompat" destulă energie în particulele sale, acestea se ciocnesc fie cu o ţintă, fie între ele. Fiecare dintre aceste coliziuni poartă numele de "eveniment". Scopul fizicienilor este să izoleze fiecare eveniment, să colecteze datele rezultate în urma sa şi să verifice dacă procesele care au avut loc în cadrul respectivului eveniment sunt în acord ori nu cu teoria testată.

 

Eveniment
Eveniment


Fiecare eveniment este foarte complicat, fiindcă sunt produse foarte multe particule. Majoritatea acestora au durate de viaţă atât de scurte încât se deplasează pe distanţe extrem de mici înainte de a se descompune în alte particule, nelăsând aşadar nicio urmă de detectat.

Cum poate totuşi un fizician să determine ce s-a petrecut în cadrul unui eveniment dacă nu poate înregistra niciodată prezenţa câtorva particule cheie?

 

Detectoare

La fel cum Rutherford a folosit sulfură de zinc pentru a detecta prezenţa unor particule alfa invizibile şi a determina traiectoria acestora, fizicienii moderni care activează în domeniul fizicii particulelor trebuie să caute produsele de descompunere ale particulelor, din acestea deducând existenţa particulelor-mamă.

 

fizicianul detectiv


Pentru a căuta diversele particule şi diverşii produşi secundari, fizicienii au construit detectoare multi-componentă care testează diversele aspecte asociate unui eveniment. Fiecare element din compunerea unui detector modern este folosit pentru a măsura energiile şi impulsurile particulelor, şi/sau pentru a distinge între diferite tipuri de particule. Atunci când toate părţile componente conlucrează pentru a detecta un eveniment, particulele individuale pot fi distinse din multitudinea de particule pentru analiză.

După fiecare eveniment computerele colectează şi interpretează cantităţi mari de informaţie provenind de la detectoare şi extrapolează rezultatele, care ajung la dispoziţia fizicienilor.

 

Formele detectoarelor

fizicienii sunt interesaţi cu privire la evenimentele care se petrec pe parcursul şi după o coliziune de particule. De aceea ei poziţionează detectoarele în regiunile care vor fi "împroşcate" de particulele rezultate în urma unui eveniment. Detectoarele sunt construite în diferite moduri, în funcţie de tipul de coliziune pe care trebuie să îl analizeze.

 

Detector tinta fixa

Ţintă fixă: în cazul experimentelor cu ţintă fixă particulele produse se deplasează de obicei către înainte, astfel că detectoarele au formă conică şi sunt orientate pe direcţia de deplasare a fasciculului de particule, către înainte.

 

Detector cilindric

Detector pentru fascicule care se ciocnesc: pe parcursul unui experiment cu fascicule de particule în mişcare care se ciocnesc, particulele sunt emise în toate direcţiile, astfel că detectorul este sferic sau, caz mai des întâlnit, are formă cilindrică.

Cum analizăm coliziunile de particule? (9)

Traducere de Marinela Spiridon de pe Particle Adventure.