Γιατί κατασκευάζονται οι επιταχυντές;

Υπάρχουν κάποιες απαντήσεις σε αυτή την ερώτηση.
Για παράδειγμα, για ιατρικές και βιομηχανικές εφαρμογές, η απάντηση είναι απλώς για τη δημιουργία ενός συγκεκριμένου τύπου ακτινοβολίας. Ο τύπος της ακτινοβολίας επιλέγεται για να εκτελέσει κάποια απαιτούμενη εργασία.

Αν και οι επιταχυντές που ασχολούνται με ιατρικά και βιομηχανικά προβλήματα είναι ενδιαφέροντες, ας επικεντρωθούμε περισσότερο στο σκοπό των μεγάλων επιταχυντών σωματιδίων, όπως εκείνοι που βρίσκονται στο CERN, στο Fermilab και στο Brookhaven. Γιατί αυτά τα εργαστήρια χρειάζονται επιταχυντές σωματιδίων;

Λοιπόν, μπορούμε να συμπυκνώσουμε τις δυνατότητες σε τρία πράγματα.

Οι επιταχυντές σωματιδίων μπορούν:
1 – να δημιουργούν υψηλές θερμοκρασίες,
2 – να δημιουργούν μαζικά και ασταθή σωματίδια, και
3 – να παρατηρούν πολύ μικρά πράγματα.

Ας εξηγήσουμε λίγο και τα τρία.

Πρώτος λόγος: οι υψηλές θερμοκρασίες.

Στους περισσότερους επιταχυντές σωματιδίων, συγκρούουμε τα σωματίδια της δέσμης μεταξύ τους με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Η θερμοκρασία είναι μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των σωματιδίων, κάτι που την κάνει λίγο δύσκολο να οριστεί σε συγκρούσεις με μόλις λίγα σωματίδια.
Για παράδειγμα, η υψηλότερη σύγκρουση ατομικών σωματιδίων στο Fermilab ήταν μεταξύ ενός μεμονωμένου πρωτονίου και ενός αντισωματίδιου πρωτονίου, ενώ στο CERN, οι μεγαλύτερης ενέργειας συγκρούσεις γίνονται μεταξύ ζευγών πρωτονίων.
Αν κάνατε την πιο απλή μετατροπή από ενέργεια σε θερμοκρασία, θα προέκυπτε ότι στις συγκρούσεις του Fermilab η θερμοκρασία ήταν 23 τετράκις εκατομμύρια Κέλβιν και στο CERN 160 τετράκις εκατομμύρια Κέλβιν.
Αυτό είναι λάθος, διότι μιλάμε για συγκρούσεις μεταξύ ζευγών σωματιδίων, και η θερμοκρασία χρειάζεται μια συλλογή σωματιδίων για να έχει νόημα, αλλά ας δούμε τι σημαίνει.

Αν χρησιμοποιούσαμε αυτόν τον υπολογισμό για μεμονωμένα σωματίδια (και πρέπει να σας υπενθυμίσω ότι δεν μπορούμε πραγματικά), οι θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται στις συγκρούσεις υψηλότερης ενέργειας στο Fermilab επικρατούσαν στο σύμπαν περίπου ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την αρχή του.
Ο μεγάλος επιταχυντής του CERN μπορεί να κοιτάξει ακόμα πιο πίσω, σε χρόνο λιγότερο από το ένα δέκατο του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου μετά την αρχή του σύμπαντος.

Αν αντιμετωπίσουμε τα πρωτόνια όχι ως μεμονωμένα σωματίδια, αλλά ως συλλογές κουάρκ και γλουονίων μέσα τους, οι θερμοκρασίες είναι χαμηλότερες και ο χρόνος που αντιπροσωπεύουν οι συγκρούσεις δεν είναι τόσο μακριά πίσω στο χρόνο.
Αυτό όμως μας δίνει μια αίσθηση για τη μέγιστη θεωρητικά θερμοκρασία που θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε – φυσικά, αν διευρύνουμε το νόημα της λέξης «θερμοκρασία».

Οι επιταχυντές στο Brookhaven και στο CERN μπορούν επίσης να συγκρούσουν όχι μεμονωμένα πρωτόνια, αλλά μεγάλους πυρήνες, συγκεκριμένα χρυσού στο Brookhaven και μολύβδου στο CERN.
Η υψηλότερη θερμοκρασία που επιτεύχθηκε στο Brookhaven στις πυρηνικές αυτές συγκρούσεις ήταν 4 τρισεκατομμύρια Κέλβιν, και στο CERN πλησιάζει τα 5 τρισεκατομμύρια Κέλβιν.
Η τελευταία φορά που αυτές οι θερμοκρασίες ήταν κοινές στο σύμπαν ήταν λίγο πάνω από το εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την αρχή του σύμπαντος.
Ένα πολύ συναρπαστικό πράγμα για την επίτευξη αυτών των θερμοκρασιών είναι ότι είναι αρκετά υψηλές ώστε να λιώσουν κυριολεκτικά τα πρωτόνια και τα νετρόνια, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια νέα μορφή ύλης που ονομάζεται quark/gluon plasma.
Λοιπόν αυτός είναι ο πρώτος λόγος για να έχουμε έναν μεγάλο επιταχυντή – για να δημιουργήσουμε υψηλές θερμοκρασίες, να διερευνήσουμε νέες φάσεις της ύλης, και να αναδημιουργηθούν οι συνθήκες που ήταν κοινές στο σύμπαν σε χρόνο μικρότερο από ένα δευτερόλεπτο μετά την αρχή του.

Δεύτερος λόγος: Ασταθή σωματίδια.

Όλοι έχουν ακούσει την εξίσωση του Αϊνστάιν E = mc². Αυτή μας λέει ότι η μάζα και η ενέργεια είναι ισοδύναμες.
Πολύ βαριά σωματίδια τείνουν να είναι ασταθή και να διαρκούν για πολύ μικρό χρονικό διάστημα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι αδύνατο να τα δούμε στη φύση. Ωστόσο, αν βάλεις αρκετή ενέργεια σε ένα μικρό σημείο, αυτή η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε βαριά και ασταθή σωματίδια.
Έτσι οι επιστήμονες δημιουργούν σωματίδια που δεν βρίσκονται κανονικά στη φύση και τα μελετούν.
Το βαρύτερο σωματίδιο που είναι γνωστό στην ανθρωπότητα είναι το κορυφαίο κουάρκ, με μάζα 173 GeV, που είναι 184 φορές βαρύτερο από το πρωτόνιο. Το κορυφαίο κουάρκ έχει μάζα ίση με ένα ολόκληρο άτομο βολφραμίου.
Τα κορυφαία κουάρκ συνήθως δημιουργούνται σε ζευγάρια, με συνολική μάζα 346 GeV.
Το μποζόνιο Χιγκς βρέθηκε στο CERN με μάζα 125 GeV.

Για να κατανοήσουμε την κλίμακα, ο επιταχυντής στο Fermilab θα μπορούσε να δημιουργήσει ενέργεια 1.960 GeV και ο επιταχυντής στο CERN μπορεί να δημιουργήσει ενέργεια 13.600 GeV. Αυτό σημαίνει ότι ο επιταχυντής του CERN είναι το μέρος που πρέπει να αναζητήσουμε μεγάλης μάζας ασταθή σωματίδια που δεν έχουν ακόμα ανακαλυφθεί. Και αυτό είναι ένας από τα κύριους λόγους που χρησιμοποιούμε αυτόν τον επιταχυντή.

Τρίτος λόγος: Να βλέπουμε πολύ μικρά πράγματα.

Η κβαντική μηχανική λέει ότι όλα τα σωματίδια είναι επίσης «κύματα». Το γνωρίζουμε εδώ και έναν αιώνα, καθώς το είχε ανακαλύψει ο Γάλλος φυσικός Λουί ντε Μπρολί το 1924. Διαπίστωσε ότι το μήκος κύματος ενός σωματιδίου ισούται με την Σταθερά του Πλάνκ διαιρεμένη με την ορμή του σωματιδίου.
λ=h/p

Γιατί όμως είναι σημαντικό το μήκος κύματος;

Είναι σημαντικό επειδή αν θέλεις να χρησιμοποιήσεις κύματα για να δεις ένα αντικείμενο, το μήκος κύματος πρέπει να είναι μικρότερο από το αντικείμενο. Αν αυτό συμβεί, τα κύματα επηρεάζονται από το αντικείμενο. Αν το μήκος κύματος είναι μεγαλύτερο από το αντικείμενο, τα κύματα απλώς το περιτριγυρίζουν και στην ουσία δεν επηρεάζονται από αυτό.
Χρησιμοποιώντας αυτή την ιδέα, μπορείς να υπολογίσεις το μικρότερο πράγμα που μπορούμε να διακρίνουμε χρησιμοποιώντας τον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων του πλανήτη, ο οποίος βρίσκεται στο CERN.
Η δέσμη σε αυτόν τον επιταχυντή έχει ενέργεια 6,8 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ. Ένα σωματίδιο με αυτή την ενέργεια είναι ικανό να δει ένα άλλο σωματίδιο με μέγεθος περίπου 2×10⁻¹⁹ μέτρα, που είναι εξαιρετικά μικρό. Είναι περίπου το ένα δεκάκις χιλιοστό του μεγέθους του πρωτονίου.
Αυτό σημαίνει ότι αν υπάρχει ένα αντικείμενο μικρότερο από αυτό, δεν υπάρχει καμία συσκευή στον πλανήτη που να μπορεί να το δει.
Το ένα δεκάκις χιλιοστό του μεγέθους του πρωτονίου είναι το μικρότερο πράγμα που μπορούμε να δούμε, και αυτό είναι αρκετά εκπληκτικό.

Λοιπόν, για να συνοψίσουμε:

Υπάρχουν τρεις βασικοί λόγοι για τους οποίους ένα εργαστήριο έχει έναν πραγματικά μεγάλο επιταχυντή και αυτοί είναι:
1- για να δημιουργήσουμε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, οι οποίες μας επιτρέπουν να αναδημιουργήσουμε τις συνθήκες της Μεγάλης Έκρηξης,
2 – για να μπορούμε να δημιουργούμε βαριά και ασταθή σωματίδια που δεν θα βλέπαμε ποτέ αλλιώς,
3 – για να βλέπουμε εξαιρετικά, υπερβολικά μικρά αντικείμενα.

Και… όλοι οι άλλοι λόγοι που ίσως έχετε ακούσει για το γιατί το Fermilab έχει επιταχυντή, όπως για παράδειγμα για τον έλεγχο του καιρού, ή την ενέργεια των ιπτάμενων δίσκων ή της χρονοπύλης, για τη δημιουργία μαύρων τρυπών ή την εκμετάλλευση σκοτεινών δυνάμεων… Ε όχι , δεν ισχύει κάτι τέτοιο… 🙂

https://www.youtube.com/watch?v=1-TQMjrZGlw