Episkais daļiņu paātrinātāja eksperiments ASV varētu atklāt, kā matērija turas kopā

Eksperimenta shēma. (Brookhaven National Lab/Flickr/CC BY-NC)

Kad Nobela prēmijas laureāts ASV fiziķis Roberts Hofštadters un viņa komanda izšāva ļoti enerģiskus elektronus uz nelielu ūdeņraža flakonu Stenfordas lineārā paātrinātāja centrs 1956. gadā viņi pavēra durvis uz jaunu fizikas laikmetu.

Līdz tam tika uzskatīts, ka protoni un neitroni, kas veido atoma kodolu, ir vissvarīgākās daļiņas dabā.

Tos uzskatīja par “punktiem” telpā, kuriem trūka fizisko izmēru. Tagad pēkšņi kļuva skaidrs, ka šīs daļiņas nemaz nebija fundamentālas, un tām ir arī izmērs un sarežģīta iekšējā struktūra.

Tas, ko Hofstadters un viņa komanda redzēja, bija neliela novirze elektronu “izkliedēšanā” jeb atlēcienā, atsitoties pret ūdeņradi. Tas liecināja, ka kodolā ir vairāk nekā punktveida protoni un neitroni, ko viņi bija iedomājušies.

Eksperimenti, kas sekoja visā pasaulē ar paātrinātājiem — mašīnām, kas dzina daļiņas uz ļoti augstu enerģiju, — vēstīja par paradigmas maiņu mūsu izpratnē par matēriju.

Tomēr ir daudz, ko mēs joprojām nezinām par atoma kodolu, kā arī par 'spēcīgo spēku', kas ir viens no četriem pamatspēki dabas, kas to satur kopā.

Tagad pavisam jauns paātrinātājs Elektronu-jonu paātrinātājs , kas tiks uzbūvēts desmit gadu laikā Brukhavenas Nacionālajā laboratorijā Longailendā, ASV, izmantojot 1300 zinātnieku no visas pasaules, varētu palīdzēt pacelt mūsu izpratni par kodolu jaunā līmenī.

(Brookhaven National Lab/Flickr/CC BY-NC)

Augšpusē: Kā elektrons, kas saduras ar lādētu atomu, var atklāt savu kodola struktūru.

Spēcīgs, bet dīvains spēks

Pēc pagājušā gadsimta piecdesmito gadu atklāsmēm tas drīz kļuva skaidrs ka daļiņas, ko sauc par kvarkiem un gluoniem, ir pamatelementi no matērijas. Tās ir hadronu sastāvdaļas, kas ir protonu un citu daļiņu kopējais nosaukums.

Dažreiz cilvēki iedomājas, ka šāda veida daļiņas sader kopā kā Lego, un kvarki noteiktā konfigurācijā veido protonus, un tad protoni un neitroni savienojas, lai izveidotu kodolu, un kodols piesaista elektronus, lai izveidotu atomu. Bet kvarki un gluoni ir nekas cits kā statiski celtniecības bloki.

Teorija sauc kvantu hromodinamika apraksta, kā spēcīgais spēks darbojas starp kvarkiem, ko mediē gluoni, kas ir spēka nesēji. Tomēr tas nevar mums palīdzēt analītiski aprēķināt protonu īpašības. Tā nav mūsu teorētiķu vai datoru vaina – paši vienādojumi vienkārši nav atrisināmi.

Tāpēc protonu un citu hadronu eksperimentālā izpēte ir tik svarīga: lai saprastu protonu un spēku, kas to saista, tas ir jāpēta no jebkura leņķa. Šim nolūkam akselerators ir mūsu visspēcīgākais rīks.

Tomēr, kad paskatās uz protonu ar kolideru (paātrinātāja veids, kas izmanto divus starus), tas, ko mēs redzam, ir atkarīgs no tā, cik dziļi un ar ko mēs skatāmies: dažreiz tas parādās kā trīs veidojoši kvarki, citreiz kā okeāns. gluonu vai kvarku un to antidaļiņu pāru kūsājoša jūra (antidaļiņas ir gandrīz identiskas daļiņām, bet tām ir pretējs lādiņš vai citas kvantu īpašības).

Tātad, lai gan mūsu izpratne par matēriju šādos mazākajos mērogos pēdējos 60 gados ir guvusi lielu progresu, joprojām ir daudz noslēpumu, kurus mūsdienu instrumenti nevar pilnībā atrisināt. Kāds ir kvarku ierobežojums hadronā? Kā protona masa rodas no gandrīz bezmasas kvarkiem, kas ir 1000 reižu vieglāki?

Lai atbildētu uz šādiem jautājumiem, mums ir nepieciešams mikroskops, kas spēj attēlot protona un kodola struktūru visplašākajā palielinājuma diapazonā un izsmalcinātā detalizācijas veidā izveidot 3D attēlus no to struktūras un dinamikas. Tieši to darīs jaunais koliders.

Eksperimentāla iestatīšana

Electron-Ion Collider (EIC) kā zondi izmantos ļoti intensīvu elektronu staru, ar kuru būs iespējams sagriezt protonu vai kodolu un aplūkot tajā esošo struktūru.

Tas to darīs, saduroties elektronu kūlim ar protonu vai jonu (lādētu atomu) staru, un aplūkos, kā elektroni izkliedējas. Jonu stars ir pirmais šāda veida starojums pasaulē.

Tikko pamanāmi efekti, piemēram, izkliedes procesi, kas ir tik reti, ka tos novērojat tikai vienu reizi miljardā sadursmju laikā, kļūs redzami.

Pētot šos procesus, es un citi zinātnieki varēs atklāt protonu un neitronu uzbūvi, kā tā mainās, kad tos saista spēcīgais spēks, un kā rodas jauni hadroni.

Mēs varētu arī atklāt, kāda veida matērija sastāv no tīriem gluoniem - kaut ko tādu, kas nekad nav redzēts.

Eksperimenta shēma. (Brookhaven National Lab/Flickr/CC BY-NC)

Kodinātājs būs noregulējams uz plašu enerģiju diapazonu: tas ir tāpat kā mikroskopa palielinājuma skalas pagriešana, jo lielāka enerģija, jo dziļāk protona vai kodola iekšpusē var skatīties un jo smalkākas īpašības var atrisināt.

Jaunizveidotā zinātnieku sadarbība visā pasaulē, kas ir daļa no EIC komandas, arī izstrādā detektorus, kas tiks novietoti divos dažādos sadursmes punktos sadursmē.

Šo centienu aspektus vada Apvienotās Karalistes komandas, kuras tikko saņēma balvas dotācija vadīt trīs galveno detektoru komponentu izstrādi un izstrādāt to realizācijai nepieciešamās tehnoloģijas: sensorus lādētu daļiņu precīzai izsekošanai, sensorus elektronu noteikšanai, kas izkliedēti īpaši tuvu stara līnijai, un detektorus polarizācijas (virziena) mērīšanai. spin) no sadursmēs izkaisītajām daļiņām.

Lai gan var paiet vēl 10 gadi, pirms koliders ir pilnībā projektēts un uzbūvēts, tas, visticamāk, ir pūļu vērts.

Izpratne par protona struktūru un līdz ar to pamatspēku, kas rada vairāk nekā 99 procentus no Visuma redzamās masas, ir viens no lielākajiem izaicinājumiem mūsdienu fizikā.

Daria Sokhana , Blēza Paskāla katedra, CEA Saclay, Francija / Fizikas un astronomijas skolas vecākais lektors, Glāzgovas Universitāte .

Šis raksts ir pārpublicēts no Saruna saskaņā ar Creative Commons licenci. Lasīt oriģināls raksts .

Populārākas Kategorijas: Sabiedrību , Viedoklis , Dabu , Veselība , Skaidrotājs , Tech , Telpa , Vidi , Daba , Fizika ,

Par Mums

Neatkarīgu, Pārbaudītu Faktu Publicēšana Par Veselību, Telpu, Dabu, Tehnoloģijām Un Vidi.