Il Large Hadron Collider del laboratorio del CERN si è fatto strada nella cultura popolare: il comico Jon Stewart ci scherza su The Daily Show, il personaggio di Sheldon Cooper lo sogna in The Big Bang Theory e cattivi immaginari ne rubano l’antimateria in Angels & Demons.

Nonostante il loro aumento popolarità, gli acceleratori di particelle hanno ancora segreti da condividere. Con il contributo di scienziati di laboratori e istituzioni in tutto il mondo, Symmetry ha compilato un elenco di 10 cose che potresti non sapere sugli acceleratori di particelle.

Ci sono più di 30.000 acceleratori in funzione in tutto il mondo.

Gli acceleratori sono ovunque e svolgono una varietà di lavori. Potrebbero essere meglio conosciuti per il loro ruolo nella ricerca sulla fisica delle particelle, ma i loro altri talenti includono: creare raggi che distruggono il tumore per combattere il cancro; uccidere i batteri per prevenire malattie di origine alimentare; lo sviluppo di materiali migliori per produrre pannolini e pellicola termoretraibile più efficaci; e aiutando gli scienziati a migliorare l’iniezione di carburante per rendere i veicoli più efficienti.

Uno dei modelli moderni più lunghi edifici nel mondo sono stati costruiti per un acceleratore di particelle.

Gli acceleratori lineari, o linac in breve, sono progettati per scagliare un raggio di particelle in linea retta. In generale, più lungo è il linac, più potente è il pugno delle particelle. L’acceleratore lineare dello SLAC National Accelerator Laboratory, vicino a San Francisco, è il più grande del pianeta.

La galleria klystron dello SLAC, un edificio che ospita componenti che alimentano l’acceleratore, si trova in cima all’acceleratore. È uno degli edifici moderni più lunghi del mondo. Nel complesso, è lungo poco meno di 2 miglia, una caratteristica che spinge i dipendenti del laboratorio a tenere una corsa annuale intorno al suo perimetro.

Gli acceleratori di particelle sono le cose più vicine che abbiamo alle macchine del tempo, secondo Stephen Hawking.

Nel 2010, il fisico Stephen Hawking ha scritto un articolo per il giornale britannico Daily Mail che spiega come sia possibile viaggiare nel tempo. Avremmo solo bisogno di un acceleratore di particelle abbastanza grande per accelerare gli esseri umani nel modo in cui acceleriamo le particelle, ha detto.

Un acceleratore di persone con le capacità del Large Hadron Collider sposterebbe i suoi passeggeri a una velocità prossima a quella di luce. A causa degli effetti della relatività speciale, un periodo di tempo che a qualcuno fuori dalla macchina sembrerebbe durare diversi anni sembrerebbe ai passeggeri in accelerazione durare solo pochi giorni. Quando sarebbero scesi dalla corsa LHC, sarebbero stati più giovani di tutti noi.

Hawking in realtà non stava proponendo di provare a costruire una macchina del genere. Ma stava indicando un modo in cui il viaggio nel tempo avviene già oggi. Ad esempio, le particelle chiamate mesoni pi sono normalmente di breve durata; si disintegrano dopo pochi milionesimi di secondo. Ma quando vengono accelerati quasi alla velocità della luce, le loro vite si espandono notevolmente. Sembra che queste particelle viaggino nel tempo, o almeno vivano il tempo più lentamente rispetto ad altre particelle.

La temperatura più alta registrata da un dispositivo artificiale è stata raggiunta in un acceleratore di particelle.

Nel 2012, il Relativistic Heavy Ion Collider del Brookhaven National Laboratory ha ottenuto un Guinness World Record per la produzione della temperatura artificiale più calda del mondo, una folgorante 7,2 trilioni di gradi Fahrenheit. Ma il laboratorio di Long Island ha fatto molto di più che riscaldare le cose. Ha creato una piccola quantità di plasma di quark-gluone, uno stato della materia che si pensa abbia dominato i primi momenti dell’universo. Questo plasma è così caldo che fa sì che particelle elementari chiamate quark, che generalmente esistono in natura legate solo ad altri quark, si separino l’una dall’altra.

Da allora gli scienziati del CERN hanno anche creato plasma quark-gluone, a una temperatura ancora più alta, nel Large Hadron Collider.

L’interno del Large Hadron Collider è più freddo dello spazio esterno.

Per condurre elettricità senza resistenza, gli elettromagneti del Large Hadron Collider vengono raffreddati a temperature criogeniche. L’LHC è il più grande sistema criogenico al mondo e funziona a una temperatura gelida di meno 456,3 gradi Fahrenheit. È uno dei luoghi più freddi della Terra ed è persino di qualche grado più freddo dello spazio esterno, che tende a riposare a circa meno 454,9 gradi Fahrenheit.

La natura produce acceleratori di particelle molto più potenti di qualsiasi cosa fatta sulla Terra.

Possiamo costruire alcuni acceleratori di particelle piuttosto impressionanti sulla Terra, ma quando si tratta di raggiungere energie elevate, non abbiamo nulla sugli acceleratori di particelle che esistono naturalmente nello spazio.

Il raggio cosmico più energico mai osservato è stato un protone accelerato a un’energia di 300 milioni di miliardi di elettronvolt. Nessuna fonte conosciuta all’interno della nostra galassia è abbastanza potente da aver causato una tale accelerazione. Anche l’onda d’urto dell’esplosione di una stella, che può inviare particelle che volano con molta più forza di un acceleratore artificiale, non ha abbastanza grinta. Gli scienziati stanno ancora studiando la fonte di tali raggi cosmici ad altissima energia.

Particella gli acceleratori non si limitano ad accelerare le particelle; li rendono anche più massicci.

Come predisse Einstein nella sua teoria della relatività, nessuna particella con massa può viaggiare alla velocità della luce, circa 186.000 miglia al secondo. Non importa quanta energia si aggiunge a un oggetto con massa, la sua velocità non può raggiungere quel limite.

Negli acceleratori moderni, le particelle vengono accelerate quasi alla velocità della luce. Ad esempio, l’iniettore principale del Fermi National Accelerator Laboratory accelera i protoni a 0,99997 volte la velocità della luce. Man mano che la velocità di una particella si avvicina sempre di più alla velocità della luce, un acceleratore aumenta sempre di più l’energia cinetica della particella.

Poiché, come ci ha detto Einstein, l’energia di un oggetto è uguale alla sua massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato (E = mc2), l’aggiunta di energia, in effetti, aumenta anche la massa delle particelle. Detto in un altro modo: dove c’è più “E”, ci deve essere più “m”. Quando un oggetto con massa si avvicina, ma non raggiunge mai, la velocità della luce, la sua massa effettiva diventa sempre più grande.

Il diametro del primo acceleratore circolare era inferiore a 5 pollici; il diametro del Large Hadron Collider è superiore a 5 miglia.

Nel 1930, ispirato dalle idee dell’ingegnere norvegese Rolf Widerøe, il fisico 27enne Ernest Lawrence ha creato il primo acceleratore di particelle circolare presso l’Università della California, Berkeley, con lo studente laureato M. Stanley Livingston. Ha accelerato gli ioni idrogeno fino a energie di 80.000 elettronvolt all’interno di una camera di meno di 5 pollici di diametro.

Nel 1931, Lawrence e Livingston iniziarono a lavorare su un acceleratore da 11 pollici. La macchina è riuscita ad accelerare i protoni a poco più di 1 milione di elettronvolt, un fatto che Livingston ha riferito a Lawrence per telegramma con l’aggiunta del commento “Whoopee!” Lawrence ha continuato a costruire acceleratori ancora più grandi e a fondare i laboratori Lawrence Berkeley e Lawrence Livermore.

Gli acceleratori di particelle hanno fatto molta strada da allora, creando fasci di particelle più luminosi con energie maggiori di quanto si potesse immaginare in precedenza. Il Large Hadron Collider del CERN ha un diametro superiore a 5 miglia (17 miglia di circonferenza). Dopo gli aggiornamenti di quest’anno, l’LHC sarà in grado di accelerare i protoni a 6,5 trilioni di elettronvolt.

Negli anni ’70, gli scienziati del Fermi National Accelerator Laboratory impiegarono un furetto di nome Felicia per pulire le parti dell’acceleratore.

Dal 1971 al 1999, il Meson Laboratory del Fermilab è stato una parte fondamentale degli esperimenti di fisica delle alte energie presso il laboratorio. Per saperne di più sulle forze che tengono insieme il nostro universo, gli scienziati hanno studiato particelle subatomiche chiamate mesoni e protoni. Gli operatori invierebbero fasci di particelle da un accele rator al Meson Lab tramite una linea di fasci sotterranea lunga miglia.

Per garantire che centinaia di piedi di tubazioni del vuoto fossero prive di detriti prima di collegarle e accendere il fascio di particelle, il laboratorio si è avvalso dell’aiuto di uno Felicia il furetto.

I furetti hanno un’affinità per scavare e arrampicarsi attraverso i buchi, rendendoli la specie perfetta per questo lavoro. Il compito di Felicia era di tirare uno straccio imbevuto di soluzione detergente su una corda attraverso lunghe sezioni di tubo.

Sebbene il lavoro di Felicia sia stato alla fine rilevato da un robot appositamente progettato, ha svolto un ruolo unico e vitale nella costruzione e in cambio chiedevo solo una dieta costante di fegatini di pollo, teste di pesce e carne di hamburger.

Gli acceleratori di particelle si presentano in luoghi improbabili.

Gli scienziati tendono a costruire grandi acceleratori di particelle sottoterra. Questo li protegge da urti e destabilizzazione, ma può anche renderli un po ‘più difficili da trovare.

Ad esempio, gli automobilisti che guidano lungo l’Interstate 280 nel nord della California potrebbero non notarlo, ma l’acceleratore principale dello SLAC National Accelerator Laboratory corre sottoterra proprio sotto le loro ruote.

I residenti nei villaggi della campagna franco-svizzera vivono in cima al collisore di particelle a più alta energia al mondo, il Large Hadron Collider.

E per decenni, le squadre della Cornell University hanno giocato calcio, football e lacrosse sui Robison Alumni Fields 40 piedi sopra il Cornell Electron Storage Ring, o CESR. Gli scienziati utilizzano l’acceleratore di particelle circolare per studiare i fasci di particelle compatti e per produrre luce a raggi X per esperimenti di biologia, scienza dei materiali e fisica.