Large Hadron Collider (Marele accelerator de hadroni) de la laboratoarele CERN a intrat în cultura populară: actorul de comedie John Stewart glumeşte pe seama lui în The Daily Show, personajul Sheldon Cooper visează despre el în The Big Bang Theory, iar răufăcători imaginari fură de la accelerator antimaterie în Angels & Demons.

 


În ciuda creşterii în popularitate, acceleratoarele de particule încă mai au secrete de împărtăşit. Cu datele primite de la cercetători de la laboratoare şi instituţii din întreaga lume, am alcătuit o listă cu 10 lucruri despre acceleratoarele de particule pe care e posibil să nu le ştiţi.

 

Există mai mult de 30.000 de acceleratoare în funcţiune în întreaga lume





Acceleratoarele se găsesc peste tot, îndeplinind o mulţime de sarcini. Pot fi cel mai bine cunoscute pentru rolul lor în cercetările din fizica particulelor, dar alte utilizări ale lor includ: crearea de fascicule ce distrug tumori în lupta împotriva cancerului; distrugerea bacteriilor pentru a preveni boli cauzate de alimente; dezvoltarea de materiale mai bune pentru scutece mai eficiente şi materiale contractabile; ajutorul dat cercetătorilor în îmbunătăţirea injecţiei combustibililor pentru a crea vehicule mai eficiente.

Una dintre cele mai lungi clădiri moderne din lume a fost construită pentru un accelerator de particule



 

Acceleratoarele liniare sau linacs, pe scurt, sunt concepute pentru a trimite un fascicul de particule în linie dreaptă. În general, cu cât este mai lung acceleratorul, cu atât mai puternică este coliziunea particulelor. Acceleratorul liniar de la SLAC National Accelerator Laboratory, lângă San Francisco, este cel mai mare de pe planetă.

Galeria klystron de la SLAC, o clădire ce adăposteşte componentele ce furnizează energie acceleratorului, este situată deasupra acestuia. Este una dintre cele mai lungi clădiri moderne din lume. Cu totul, are o lungime ceva mai mică de 3,2 km, caracteristică ce îi îmboldeşte pe angajaţii laboratorului să organizeze o cursă anuală de alergare în jurul acesteia.

 

Acceleratoarele de particule sunt, dintre toate lucrurile, cele mai asemănătoare cu maşini ale timpului, conform lui Stephen Hawking




În 2010 fizicianul Stephen Hawking a scris un articol pentru ziarul britanic Daily Mail, explicând cum ar fi posibil să călătorim în timp. Nu am avea nevoie decât de un accelerator de particule, suficient de mare încât să accelereze fiinţele umane, la fel cum accelerăm particule, a spus el.

Un accelerator de persoane cu posibilităţile lui Large Hadron Collider ar pune în mişcare pasagerii săi la viteze apropiate de cea a luminii. Datorită efectelor relativităţii speciale, o perioadă de timp ce pare unei persoane din afara maşinii să dureze câţiva ani va părea pasagerilor acceleraţi să dureze numai câteva zile. În momentul în care păşesc în afara LHC, ei ar fi mai tineri decât noi.

Hawking nu propunea de fapt să construim o asemenea maşină. El evidenţia însă o cale prin care călătoria în timp se petrece deja în zilele noastre. De exemplu, particulele numite mezoni pi au o durată de viaţă scurtă; ei se dezintegrează după numai milionimi de secundă. Dar când sunt acceleraţi până aproape de viteza luminii, durata lor de viată creşte spectaculos. Pare că aceste particule călătoresc în timp, sau cel puţin trăiesc timpul mai încet, comparativ cu alte particule.

 

Cea mai înaltă temperatură înregistrată de un dispozitiv făcut de mâna omului a fost atinsă într-un accelerator de particule





În 2012 la Relativistic Heavy Ion Collider al Brookhaven National Laboratory s-a înregistrat un Guinness World Record pentru producerea de către oameni a celei mai ridicate  temperaturi, o orbitoare temperatură de 7.2 mii de miliarde grade Fahrenheit (cca 4 mii de miliarde grade Celsius). Dar laboratorul de la Long Island a făcut mai mult decât să încălzească obiectele. El a creat o mică cantitate de plasmă quark-gluon, o stare a materiei ce se consideră a fi dominat Universul în momentele de început. Această plasmă este atât de fierbinte încât face ca particulele elementare numite quarkuri, care există în general în natură numai legate de alte quarkuri, să se separe unul de celălalt.

Cercetătorii de la CERN au creat de asemenea, între timp, plasmă quark-gluon, la o temperatură încă şi mai ridicată, în Large Hadron Collider.

 


Interiorul Large Hadron Collider este mai rece decât spaţiul interstelar




Pentru a conduce electricitatea fără rezistenţă, electromagneţii de la Large Hadron Collider - LHC - sunt răciţi până la temperaturi criogenice. Sistemul criogenic de la LHC este cel mai mare din lume şi funcţionează la minus 456,3 grade Fahrenheit (minus 271,3 grade Celsius). Este unul dintre cele mai reci locuri de pe Pământ şi este chiar cu câteva grade mai rece decât spaţiul interstelar, care tinde să se situeze în jurul a minus 454,9 grade Fahrenheit (minus 270,5 grade Celsius).

 

Natura creează acceleratoare de particule mult mai puternice decât orice făcut pe Pământ





Noi putem construi acceleratoare de particule impresionante pe Pământ, dar când vine vorba să atingem energii înalte, nu ne putem compara cu ceea ce există în mod natural în spaţiu.

Particula cosmică cu cea mai mare energie observată vreodată a fost un proton accelerat până la o energie de 300 de miliarde de miliarde de electronvolți. Nici o sursă cunoscută în Galaxia noastră nu este suficient de puternică pentru a provoca o asemenea acceleraţie. Chiar şi unda de şoc a exploziei unei stele, care poate expulza particule cu energie mult mai mare decât un accelerator făcut de mana omului, nu poate avea suficientă forţă. Oamenii de ştiinţă încă investighează sursa unor radiaţii cosmice de o aşa ultra-înaltă energie.

 


Acceleratoarele de particule nu numai accelerează particule; le fac mai masive




Aşa cum a prezis Einstein în a sa teorie a relativităţii, nici o particulă care are masă nu se poate deplasa atât de repede ca şi lumina - aproape 300.000 de kilometri pe secundă. Indiferent cât de multă energie se transferă unui obiect cu masă, viteza lui nu poate atinge acea limită.

În acceleratoarele moderne particulele sunt accelerate până foarte aproape de viteza luminii. De exemplu, injectorul principal de la Fermi National Accelerator Laboratory accelerează protonii până la 0.99997 din viteza luminii. Pe măsură ce viteza unei particule se apropie din ce în ce mai mult de viteza luminii, un accelerator trebuie să propulseze din ce în ce mai mult  pentru a creşte energia cinetică a particulei.

Deoarece, aşa cum ne-a spus Einstein, energia unui obiect este egală cu masa sa înmulţită cu viteza luminii la pătrat (E=mc2), a adăuga energie înseamnă în fapt şi creşterea masei particulei. Spus altfel, unde este mai multă "E" trebuie să fie mai multă "m".  Pe măsură ce un obiect cu masă se apropie, dar nu atinge niciodată, viteza luminii, masa lui efectivă devine din ce în ce mai mare.

 

Diametrul primului accelerator circular era mai mic de 12.5 cm; diametrul marelui Large Hadron Collider este mai mare de 9 km





În 1930, inspirat de ideile inginerului norvegian Rolf Widerøe, fizicianul în vârstă de 27 de ani Ernest Lawrence a creat primul accelerator circular la University of California, Berkeley, cu absolventul M. Stanley Livingston. A accelerat ioni de hidrogen până la energii de 80.000 electronvolţi într-o incintă de mai puţin de 12,5 cm în diametru.

În 1931 Lawrence şi Livingston au început să lucreze pe un accelerator de 28 cm. Maşinăria reuşea să accelereze protonii la imediat deasupra a 1 milion electronvolți, fapt comunicat de Livigston lui Lawrence printr-o telegramă cu comentariul  “Whoopee"! Lawrence a continuat să construiască acceleratoare şi mai mari şi a fondat laboratoarele Lawrence Berkeley şi Lawrence Livermore.

Acceleratoarele de particule au parcurs un drum lung de atunci, creând fascicule de particule de mai mare energie decât se credea anterior posibil. Large Hadron Collider de la CERN are mai mult de 9 km în diametru (27 km în circumferinţă). După modernizarea de anul acesta LHC va putea accelera protoni până la 6,5 mii de miliarde de electronvolţi.

 

În anii '70 cercetătorii de la Fermi National Accelerator Laboratory au "angajat" un dihor numit Felicia pentru a curăţa componente ale acceleratorului





Din 1971 până în 1999, Meson Laboratory de la Fermilab a fost o parte cheie a experimentelor de fizica energiilor înalte de la laborator. Pentru a învăţa mai multe despre forţele ce ţin împreună Universul nostru, oamenii de ştiinţă de acolo studiau particule subatomice numite mezoni şi protoni. Cercetătorii trimiteau fascicule de particule de la un accelerator către Meson Lab printr-o linie subterană de 1,6 km.

Pentru a se asigura că sutele de metri de conducte de vacuum erau curăţate înainte de a le conecta între ele şi a trimite fasciculul de particule, laboratorul a apelat la ajutorul unui dihor numit Felicia.

Dihorilor le place să scormonească prin ascunzişuri şi să se caţere prin găuri, făcând din ei specia perfectă pentru această slujbă. Sarcina Feliciei era să tragă după ea o cârpă îmbibată într-o soluţie de curăţire pe lungi secţiuni de conductă.

Deşi munca Feliciei a fost până la urmă preluată de un robot construit special, ea a jucat un rol unic şi important în timpul construcţiei - ea cerând în schimb numai o dietă constantă de ficat de pasăre, capete de peşte şi carne de hamburger.

 

Acceleratoarele de particule apar în locuri puţin probabile







Oamenii de ştiinţă tind să construiască acceleratoarele de particule mari în subteran. Aceasta le protejează de a fi ciocnite şi destabilizate, dar le fac, de asemenea, mai greu de găsit.

De exemplu, automobiliştii ce conduc pe Interstate 280 în California de nord pot să nu observe, dar acceleratorul principal de la SLAC National Accelerator Laboratory se află dedesubt, chiar sub roţile lor.

Rezidenţii localităţilor rurale franco-elveţiene trăiesc deasupra acceleratorului de particule cu cea mai mare energie din lume, Large Hadron Collider.

Şi pentru decenii, echipele de la Cornell University au jucat fotbal, fotbal american şi lacrosse pe Robison Alumni Fields la 13 metri deasupra lui Cornell Electron Storage Ring (CESR). Oamenii de ştiinţă folosesc acceleratoarele circulare de particule pentru a studia fascicule compacte de particule şi pentru a produce raze X pentru experimente în biologie, ştiinţa materialelor şi fizică.

Traducere de Marian Stănică după ten-things-you-might-not-know-about-particle-accelerators cu acordul editdorului