Unglaubliche Technologie: Funktionsweise von Atom Smashers

Anmerkung der Redaktion: In dieser wöchentlichen, LiveScience erforscht wie Technologie treibt wissenschaftliche Erforschung und Entdeckung.

Teilchenphysiker haben den coolsten Job: Zerschlagung der subatomaren Teilchen zusammen mit wahnsinnigen Geschwindigkeiten um die Geheimnisse des Universums enträtseln.

Atom-Schlächter oder Teilchenbeschleunigern, kollidieren Teilchen mit Atomen oder anderen subatomaren Teilchen an nahe Lichtgeschwindigkeit, Schaffung neuer Teilchen und Strahlung, die Wissenschaftler über die Bausteine der Materie zu erklären.

"Unser Ziel ist immer zu verstehen, wie die Welt zusammengesetzt ist", sagte Roger Dixon, Leiter des Bereichs Beschleuniger am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois

Wenn Leute sprechen über Atom zu zertrümmern, sind sie in der Regel auf den riesigen Teilchenbeschleunigern in unterirdischen Physik Labors auf der ganzen Welt beziehen. Aber in der Tat einige Fernseher sind sogar Teilchenbeschleunigern. Der Begriff "the Tube" seinen Namen von Kathodenstrahlröhren erhält, beam Vakuum-Röhren, die ein Elektron zu schießen auf einen Leuchtschirm. Die Elektronen kollidieren mit den Phosphor-Molekülen auf dem Bildschirm, produzieren ein Ort von Licht oder Pixel.

Riesen Atom Smashers funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip, aber in viel größerem Maßstab. Die Partikel Reisen viel schneller und die Kollisionen produzieren mehr subatomaren Teilchen und Strahlung – Umwandlung von Energie in Masse, wie beschrieben durch Einsteins berühmte E = Mc ^ 2 Gleichung. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

Teilchenbeschleunigern zwei Formen annehmen: Linearbeschleuniger senden Teilchen in einer geraden Linie zu ihrem Ziel, während kreisförmige Beschleuniger oder Synchrotrone, Partikel Auspeitschen um einen Rundkurs schicken.

Die wichtigsten Akteure

Die weltweit größte und leistungsstärkste Beschleuniger ist das Synchrotron Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf. 574 Fuß (175 m) unter der französisch-schweizerischen Grenze, der LHC Schlangen 17 Meilen (27 Kilometer) im Umfang begraben. Als unterirdische schirmt das Gaspedal durch kosmische Strahlung, der streunenden Partikel produzieren kann, die die Experimente zu verwechseln.

Innerhalb der LHC schlagen Sie zwei Protonenstrahlen rund um den Tunnel in entgegengesetzte Richtungen, beschleunigt durch viele Radiofrequenz Hohlräume. Die Hohlräume erzeugen ein elektrisches Feld in die gleiche Richtung wie die Partikel, den Teilchen der Energie-Kick geben, wie sie herum, zu vergrößern, sagte Myers – ähnlich wie einen Elternteil, ein Kind auf einem Spielplatz Kreisverkehr schieben.

Jeder Strahl reist in eine eigene Röhre, die im Ultrahochvakuum (niedriger Luftdruck als die Oberfläche des Mondes) aufbewahrt wird. Die Balken werden durch einen 8,3 Tesla supraleitenden Elektromagneten gesteuert ist etwa 100.000 Mal die Stärke des Magnetfelds der Erde. Die Magnete sind auf eine Temperatur von 2 Kelvin oder Fahrenheit-456 (-271 C) mit der weltweit größten kryogenen System gekühlt. [Fotos: die weltweit größte Atom Smasher (LHC)]

Wenn die beschleunigte Protonen kollidieren, siehe"" Detektoren die entstehenden Teilchen und Strahlung, die sie produzieren.

Wissenschaftler nutzen den LHC, die Bedingungen, die unmittelbar nach dem Urknall nachzubilden. Im Juli 2012 LHC zog internationalen Aufmerksamkeit, als Wissenschaftler die Entdeckung des Higgs-Bosons, berichtet das Teilchen zu erklären, wie andere Teilchen ihre Masse gedacht.

"Wären wir nicht hier, wir hätten nicht Masse, wir würden nicht ohne dieses Teilchen existieren", sagte Steve Myers, der Direktor für Beschleuniger und Technologie am CERN. Zu finden war "wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen 1 Million", sagt Myers. [Galerie: Suche nach dem Higgs-Boson]

Der LHC wurde im Jahr 2013 die Strahlenergie Upgrade heruntergefahren und ist voraussichtlich Anfang 2015 wieder.

In den USA beherbergt Fermilab zweitgrößte Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Tevatron. Bevor es im Jahr 2011 geschlossen wurde, dem Tevatron war der erste Beschleuniger mithilfe von supraleitenden Elektromagneten, und wurde verwendet, um ein neues subatomaren Teilchen bekannt als das Top-Quark zu entdecken.

Fermilab Main Injektor, das Tevatron ist immer noch in Betrieb, und Wissenschaftler verwenden, um einen Strahl von Neutrinos oder geisterhafte Teilchen, die selten mit normaler Materie, zu einem unterirdischen mine in Minnesota 455 Meilen (732 km) entfernten interagieren zu senden. Fermilab der wichtigsten Injektor ist Teil einer Kette von verbundenen Teilchenbeschleunigern verwendete (führen), dem Tevatron. In dem Tevatron beschleunigt Protonen und Antiprotonen die zugeführt bekommen.

In der Zukunft hoffe Fermilabs Ingenieure zu einem Linearbeschleuniger, die supraleitenden Radiofrequenz Hohlräumen die metallischen Kammern, die die elektrischen Felder benötigt verwendet, um Teilchen auf hohe Energien beschleunigen zu produzieren.

Der einzige US-Teilchenbeschleuniger in Betrieb befindlichen ist die relativistische Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory in Upton, N.Y.

Diese Maschinen sind "nichts anderes als Taschenlampen, die immer mächtiger, bekommen", sagte Dixon, Fermilab Leiter des Bereichs Beschleuniger. "Wenn Sie die Energie höher und höher zu machen, sehen Sie feineren und feineren Details der Materie und wie es zusammengesetzt ist," sagte Dixon.

Weitere Beschleuniger

Wenn der LHC und der Tevatron die Raumfähren der Beschleuniger Welt, in der Tera (Billionen) Elektronen-Volt-Bereich, dann das Giga (Milliarden) tätig sind Elektronenvolt (GeV) Beschleuniger der Passagierflugzeuge.

Nehmen Sie das Stanford Linear Accelerator oder SLAC in Menlo Park, Kalifornien. Bei 2 Meilen (3,2 km) lang ist Haupt Linearbeschleuniger SLAC die längste in der Welt. Es produziert Elektronen mit einer Hochfrequenz-Ionenquelle zur Beschleunigung von Elektronen und Positronen (die Antimaterie Gegenstücke von Elektronen) bis zu 50 GeV.

Aber diese Beschleuniger sind begrenzt durch die Spannung, die angewendet werden kann, bevor sie elektrischen Durchschlag leiden. Nun entwickeln Forscher an der University of Texas at Austin und anderswo eine völlig andere Art des Beschleunigers —, die passen auf eine Tischplatte.

Diese Tischplatte Beschleuniger Puls ein Lasers an Helium-Gas, Plasma, schaffen einen energiereichen Zustand der Materie, in dem die Atome ihrer Elektronen beraubt sind. "Ein Plasma, per definitionem ist bereits abgebaut und so vollständig beschädigt, wie ein Material sein kann, und daher keine Aufschlüsselung Begrenzung hat," sagte Physiker Michael Downer, Leiter des Teams UT Austin.

Genauso wie ein Boot eine Totenwache im Wasser hinterlässt, der Laserstrahl hinterlässt eine Totenwache im Plasma, und die Elektronen beschleunigen, indem Sie "Surfen" auf diesem Zuge. Downer System verwenden, können Elektronen auf 2 erhöht werden GeV, eine Energie, die die Länge von zwei Fußballfeldern mit konventionellen Beschleunigern erfordern würde.

Bei viel niedrigeren Energien sind Teilchenbeschleuniger in der Medizin gebräuchlich. Partikeltherapie wird zur Behandlung von Krebs, mit Strahlen von hochenergetischen Protonen oder andere Partikel.

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