zderzacz, który zamieni światło w materię

marcinm

http://giznet.pl/naukowcy-proponuja-budo.....w-materie/

Cytat:

Naukowcy proponują budowę zderzacza, który zamieni światło w materię

E=mc^2. Równanie to, które jest implikacją szczególnej teorii względności Einsteina, zna chyba każdy. Umożliwiło ono między innymi uwolnienie energii atomu, a zespół fizyków z Imperial College London twierdzi, że dzięki niemu możliwe będzie też stworzenie materii ze światła. Już w przyszłym roku.

Według tego równania energia oraz masa są nie tylko ze sobą powiązane, ale też tożsame, ponieważ stanowią dwie strony tego samego równania. Teoretycznie, tak jak przekształca się równani matematyczne, można byłoby przekształcać zarówno materię w energię, jak i energię w materię. W praktyce jednak dużo łatwiej wyprodukować bombę atomową, niż stworzyć materię z energii. Nie zmienia to faktu, że fizycy zastanawiają się na tym od dłuższego czasu.

W 1934 roku dwóch amerykańskich fizyków, Gregory Breit oraz John Wheeler, doszło do wniosku, że coś takiego jest możliwe – dwa fotony mogą zderzyć się ze sobą, w efekcie czego powstaną elektron oraz pozyton. Zgoda, elektron, który dodatkowo ulegnie anihilacji po spotkaniu ze swoją antycząstką, pozytonem, to niewiele, ale jednak jest to już „coś” z „niczego”. I dużej ilości energii. Byłaby to piękna, ale jednocześnie bardzo rzadko występująca prezentacja zależności wynikającej ze słynnego równania Einsteina. We wnioskach swojej pracy stwierdzili oni nawet, że „beznadziejna byłaby próba obserwacji powstania takiej pary w warunkach laboratoryjnych”.

Minęło jednak 80 lat, a zespół fizyków z Imperial College London, którego praca na ten temat została opublikowana wczoraj w Nature Photonics, uważa, że realizacja eksperymentu zaproponowanego przez Breita i Wheelera jest dziś możliwa.

Zamiana światła w materię (a właściwie w elektron, czyli w jeden z jej składników) nie jest jednak prosta. Pierwsze eksperymenty tego typu przeprowadzono już pod koniec lat dziewięćdziesiątych ubiegłego stulecia, ale zakładały one zderzanie wiązek elektronów oraz fotonów, co w przypadku, gdy efektem zderzenia ma być para elektron-pozyton, nie sprzyja obserwacji. Brytyjscy naukowcy mają jednak pomysł na to, w jaki sposób odseparować elektrony od próżni, w której ma nastąpić zderzenie. Pierwszym krokiem ma być wystrzelenie strumienia elektronów w kierunku złotej płytki, dzięki czemu wyprodukowany zostanie strumień fotonów. Następnie zamierzają skierować laser do pustej kapsuły ze złota nazywanej hohlraum (z niemieckiego „pusty pokój”), która, pobudzona, również stanie się silnym źródłem fotonów. Na zakończenie pozostanie już tylko skierować pierwszy strumień fotonów do środka hohlraumu, gdzie nastąpi zderzenie fotonów. Według ich obliczeń, eksperyment ten pozwoli na zderzenie takich ilości fotonów o takiej energii, że powstać powinno około 100 tysięcy par elektron-pozyton.

Według pomysłodawców wszystkie technologiczne przeszkody stojące na drodze do zbudowania takiego zderzacza zostały już wyeliminowane. Chcieliby oni w ciągu 12 miesięcy zbudować takie urządzenie i zademonstrować jego działanie.

„Taki zderzacz mógłby zostać wykorzystany do badań nad fizyką cząstek elementarnych na przykładzie bardzo klarownej instalacji doświadczalnej: wpada światło, wypada materia. Eksperyment byłby pierwszą taką demonstracją,” mówi Oliver Pike, szef zespołu fizyków z Imperial College London.

Goska

Jak działa wielki zderzacz hadronów?
Akcelerator LHC (Large Hadron Collider, czyli Wielki Zderzacz Hadronów) znajduje się w ośrodku CERN pod Genewą. Jest najbardziej skomplikowanym urządzeniem skonstruowanym przez człowieka, rodzajem mikroskopu pozwalającego badać świat w bardzo małych skalach. W akceleratorze dochodzi do zderzeń dwóch poruszających się w przeciwne strony wiązek cząstek – protonów lub jąder ołowiu.

LHC nie jest konstrukcją samodzielną. Aby działał, potrzebny jest cały kompleks akceleratorów, stopniowo rozpędzających cząstki jądrowe do coraz większych energii.

Wszystko zaczyna się od wodoru, którego atomy składają się z jednego protonu i jednego elektronu. Atomy te raz na kilka godzin są pobierane z niewielkiej butli i jonizowane, czyli „odzierane” z elektronów. Tak otrzymane protony są kierowane do akceleratora liniowego Linac 2, gdzie rozpędza się je mniej więcej do 30% prędkości światła. Następnie trafiają do akceleratora PS Booster i tu ich energia kinetyczna wzrasta niemal 30-krotnie. Z Boostera protony są przekazywane do Synchrotronu Protonowego PS, a potem do Supersynchrotronu Protonowego SPS, na każdym etapie zwiększając energię ok. 20 razy. Niecałe pięć minut po opuszczeniu butli protony trafiają wreszcie do wnętrza tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów. Każdego dnia w LHC rozpędza się zaledwie kilka nanogramów (10-9 g) wodoru. Oznacza to, że gram tego pierwiastka wystarczyłby mniej więcej na milion lat pracy akceleratora.

Jeśli w LHC mają się zderzać wiązki jąder ołowiu, ich wstępne rozpędzanie wygląda nieco inaczej niż w przypadku protonów, jednak ostatnie etapy drogi także wiodą przez akceleratory PS i SPS.

W LHC cząstki są formowane w dwie przeciwbieżne wiązki. Biegną one w dwóch równoległych rurach średnicy kilku centymetrów. Rury ułożono ok. 100 metrów pod ziemią, w kolistym tunelu o obwodzie 27 km. Aby cząstki nie rozpraszały się za szybko na gazach, wewnątrz rur (na całej długości tunelu!) panuje ultrawysoka próżnia.

Docelowo protony będą rozpędzane w LHC do prędkości ok. 0,999999991 prędkości światła i w każdej sekundzie okrążą tunel ponad jedenaście tysięcy razy. Aby zmusić cząstki o tak dużych energiach do ruchu w kolistym tunelu, trzeba zakrzywiać ich tory za pomocą pola magnetycznego wytwarzanego przez ponad 1200 potężnych elektromagnesów. Prąd płynący przez uzwojenia magnesów ma natężenie kilkunastu tysięcy amperów – jak w niewielkim wyładowaniu atmosferycznym.

Elektromagnesy w tunelu LHC zbudowano z nadprzewodników, czyli materiałów, które w bardzo niskich temperaturach nie stawiają oporu elektrycznego. Wszystkie nadprzewodniki są schłodzone do temperatury zaledwie 1,9 stopnia powyżej zera bezwzględnego (oznacza to, że wewnątrz LHC jest chłodniej niż w otwartej przestrzeni kosmicznej). Oprócz magnesów dipolowych, prowadzących cząstki wzdłuż rur próżniowych, LHC wyposażono w zespoły magnesów ogniskujących i korekcyjnych, które zapobiegają rozbieganiu się wiązek i ogniskują je w punktach zderzeń wewnątrz detektorów.

Protony we wnętrzu akceleratora krążą w paczkach po ok. 100 miliardów. Energia jednej paczki może odpowiadać energii eksplozji nawet 80 kg trotylu. W tunelu akceleratora, w siedmiometrowych odstępach, jednocześnie może krążyć ponad 2800 takich paczek. W ostatecznej konfiguracji akceleratora obie protonowe wiązki będą miały energię pociągu o masie 800 t, pędzącego z prędkością 150 km/h. Kontrolowanie tak dużej energii przez tak złożone urządzenie jest unikatowym w skali świata wyzwaniem naukowym i technicznym.

Po przyspieszeniu wiązek do właściwej energii, cząstki mogą krążyć w tunelu przez wiele godzin. Intensywność wiązek stopniowo maleje z powodu kontrolowanych zderzeń wiązek w detektorach oraz wskutek rozpraszania cząstek na resztkach gazu w rurach próżniowych. Po paru godzinach wiązki są wypuszczane z tunelu i kierowane na bloki grafitowe, gdzie wytracają swoją energię.

Podczas zderzania wiązek energia kinetyczna pierwotnych cząstek (protonów lub jąder ołowiu) przekształca się w nowe, w większości nietrwałe cząstki. Zadaniem detektorów jest identyfikacja cząstek powstających w zderzeniach, pomiar ich położenia w przestrzeni, ładunku elektrycznego, prędkości, masy i energii. Naprawdę ciężkie cząstki mają czasy życia krótsze od jednej pikosekundy (10-12 s) i nie mogą być obserwowane w żadnym układzie detekcyjnym. Ich badanie jest możliwe tylko dzięki analizie energii i pędów zarejestrowanych produktów ich rozpadu.

Cząstki z obu przeciwbieżnych wiązek zderzają się ze sobą tylko w wybranych miejscach. W punktach przecięcia wiązek wybudowano detektory czterech głównych eksperymentów: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. ATLAS jest największym detektorem LHC. Zawiera osiem nadprzewodzących cewek magnetycznych, każda długości 25 m, ułożonych w kształcie cylindra wokół rury wiązki znajdującej się w środku detektora. Cały ATLAS ma 46 m długości, 25 m wysokości i 25 m szerokości, waży 7000 t. Trochę mniejszy CMS jest prawie dwukrotnie cięższy.

Maksymalna liczba zderzeń proton-proton w LHC może sięgać miliardów na sekundę – to miliony razy więcej przypadków niż umiemy zapisać. Dlatego specjalne układy elektronicze dokonują na bieżąco selekcji, oddzielając zderzenia ciekawe (do zapisania) od nieciekawych.

http://www.ncbj.gov.pl/node/1700