Когда физикам нужны частицы для своих ускорителей, они просматривают веб-сайт под названием OK Quark, где отвечают на ряд вопросов о том, что они ищут. Вы хотели бы частицу с позитивным характером или частицу с более нейтральной энергией? Такие вещи.
Затем физик выносит частицу выпить (никто не хочет застрять с неработающей частицей на весь обед). Если все идет хорошо, физик спрашивает частицу, заинтересована ли она в процессе ускорения. Вот как был создан бозон Хиггса!
Если бы только. В отличие от своих собратьев по науке, биологов (которые могут просматривать все отряды грызунов, круглых червей и им подобных на веб-сайтах для облегчения оптовых покупок), физики должны сами создавать своих подопытных. Оказывается, схватить частицу для высокоскоростных столкновений не так просто, как просто сложить ладони и отправить несколько субатомных частиц в Большой адронный коллайдер, словно невидимые снежинки.
Прежде чем мы перейдем к тому, что мы на самом деле помещаем в ускоритель частиц, возможно, было бы разумно немного рассказать о том, что, черт возьми, мы собираемся делать с нашими частицами, когда они у нас есть. Что такое ускорители и почему мы не можем добавить что-то более существенное, чем частица?
Самым известным ускорителем частиц, вероятно, является Большой адронный коллайдер, круглое чудовище длиной 17 миль (27 километров) глубоко под землей. Расположенный в Швейцарии БАК находится в ведении Европейской организации ядерных исследований или ЦЕРН. (Поверьте нам - аббревиатура имела смысл для оригинального французского названия.) LHC стал Большим ускорителем в кампусе в 2012 году, когда столкновения частиц в ЦЕРН выявили доказательства существования неуловимого бозона Хиггса. Открытие бозона Хиггса позволило физикам более уверенно подтвердить существование поля Хиггса, что дало нам некоторые ответы на вопрос о том, как материя во Вселенной приобрела массу.
Но если LHC - это Бейонсе в мире акселераторов, то есть немало студийных игроков, которые тоже с удовольствием вкалывают. На самом деле по всему миру работает около 30 000 других ускорителей, и именно эти работающие Джо должны благодарить за всевозможные практические изобретения. Рассмотрим подгузник.
Правильно, приятель любого измученного родителя - одноразовый подгузник. Ученые, которые хотели изучить сверхабсорбирующие полимеры, используемые в одноразовых предметах, столкнулись с трудностями при изучении их во влажном состоянии, так что - та-да! - они подвергают их рентгеновской микроскопии (в которой используется ускорение частиц). Возможность идентифицировать и изучать структуру этих молекулярных цепей заставила их изменить формулу и сохранить наши современные подгузники такими же сухими, как и объяснение самого ускорения частиц.
Ускорители также находят свое применение в медицине, например, при лечении рака. Линейные ускорители (где частицы сталкиваются с мишенью после движения по прямой) посылают электроны на столкновение с металлической мишенью, что приводит к точному высокоэнергетическому рентгеновскому излучению, которое облучает опухоли. Итак, теперь, когда мы немного знаем о том, для чего используются ускорители, давайте поговорим о том, чем мы их кормим.
Как мы уже говорили ранее, ученые в таких учреждениях, как ЦЕРН, обязаны (ха!) сами производить частицы, что немного похоже на просьбу бухгалтера построить калькулятор для расчета налогов клиента. Но физики элементарных частиц - особая порода; для них это не проблема. Все, что им нужно сделать, это начать с водорода, оторвать электроны с помощью дуоплазматрона и закончить протонами. Что бы ни. Ничего страшного.
И вот здесь мы обнаруживаем, что простейшая часть ускорения частиц - получение чертовых частиц - по-прежнему кажется безумно пугающей для тех, кто не получил поздравительную открытку от Стивена Хокинга. Но на самом деле это не так страшно, как кажется. Во-первых, водород - это всего лишь газ, подаваемый на первую ступень ускорителя частиц -дуоплазматрон Это может показаться чем-то из «Таинственного научного театра 3000», но дуоплазматрон - это довольно просто. Атомы водорода имеют один электрон и один протон; внутри дуоплазматрона атомы водорода лишаются своих электронов с помощью электрического поля. Остается плазма из протонов, электронов и молекулярных ионов, которая проходит через большее количество вытяжных решеток, так что остается только протонный пучок.
БАК использует протоны не только для повседневной работы. Физики ЦЕРН также занимаются интересной задачей: сталкивать ионы свинца вместе для изучения кварк-глюонной плазмы, которая представляет собой лишь часть того, в чем плавала очень-очень ранняя Вселенная. Сталкивая вместе ионы тяжелых металлов (золото тоже работает), ученые может на мгновение образовать кварк-глюонную плазму.
Но теперь вы слишком искушены, чтобы поверить, что ионы свинца просто волшебным образом появляются в ускорителях частиц. Итак, вот как это происходит: физик из ЦЕРНа, которому поручено собирать ионы свинца, действительно начал с твердого свинца, свинца-208, особого изотопа этого элемента. Твердый свинец нагревается до пара - около 1472 градусов по Фаренгейту (800 С). Затем пары свинца поглощаются электрическим током, который ионизирует образец, создавая плазму. Вновь созданныеионы (атомы с общим электрическим зарядом, которые приобрели или потеряли электроны) затем направляются в линейный ускоритель, который дает им небольшой спринт и заставляет их терять еще больше электронов.. После накопления и повторного ускорения ионы свинца готовы к тому же путешествию, что и протоны, и могут беззаботно пронестись через Большой адронный коллайдер.
Итак, вот оно. Частицы для крупных ускорителей частиц не покупаются на черном рынке, а создаются внутри компании.
Примечание автора: Где берут частицы для ускорителей частиц?
Может быть, эта статья оставила у вас еще один насущный вопрос: может ли что-то, кроме частицы, пройти через ускоритель? На что ученые из Национальной ускорительной лаборатории Ферми ответили: «Конечно. Как насчет хорька?»
Пока не звоните в PETA. Во-первых, они не разгоняли хорька Фелицию до скорости света. (Да, у нее было имя. Да ладно, это же не ферма.) Вместо этого они использовали ее как горничную. Хорьки известны тем, что роют норы и медленно пробираются через труднодоступные места. Ученые привязали к ошейнику Фелисии тряпку с чистящим раствором, которая позволила ей Свиффер пройти через узкие трубы, прежде чем они были соединены во время строительства. (В конце концов они получили робота для чистки ускорителя.)