Wielki Zderzacz Hadronów w laboratorium CERN trafił do popkultury: komik Jon Stewart żartuje na ten temat The Daily Show, postać Sheldon Cooper marzy o tym w The Big Bang Theory, a fikcyjni złoczyńcy kradną z niej fikcyjną antymaterię w Angels & Demons.

Pomimo ich rosnącej popularności popularność, akceleratory cząstek wciąż mają swoje sekrety. Dzięki wkładowi naukowców z laboratoriów i instytucji na całym świecie Symmetry przygotowało listę 10 rzeczy, których możesz nie wiedzieć o akceleratorach cząstek.

Na całym świecie działa ponad 30 000 akceleratorów.

Akceleratory są wszędzie i wykonują różnorodne zadania. Mogą być najbardziej znani ze swojej roli w badaniach fizyki cząstek elementarnych, ale ich inne talenty obejmują: tworzenie wiązek niszczących guzy do walki z rakiem; zabijanie bakterii w celu zapobiegania chorobom przenoszonym przez żywność; opracowanie lepszych materiałów do produkcji skuteczniejszych pieluch i folii kurczliwej; i pomaganie naukowcom w ulepszaniu wtrysku paliwa, aby tworzyć bardziej wydajne pojazdy.

Jeden z najdłuższych nowoczesnych budynki na świecie zostały zbudowane dla akceleratora cząstek.

Akceleratory liniowe, w skrócie akceleratory liniowe, są zaprojektowane do rzucania wiązki cząstek w linii prostej. Ogólnie rzecz biorąc, im dłuższy akordeon, tym mocniejszy efekt cząsteczkowy. Akcelerator liniowy w SLAC National Accelerator Laboratory, niedaleko San Francisco, jest największym na świecie.

Galeria klystronów SLAC, budynek, w którym znajdują się komponenty zasilające akcelerator, znajduje się na szczycie akceleratora. To jeden z najdłuższych nowoczesnych budynków na świecie. Ogólnie rzecz biorąc, ma nieco mniej niż 2 mile długości, co skłania pracowników laboratorium do organizowania corocznych wyścigów na jego obwodzie.

Według Stephena Hawkinga akceleratory cząstek są najbliższe nam maszynom czasu.

W 2010 roku fizyk Stephen Hawking napisał artykuł dla brytyjskiej gazety Daily Mail wyjaśniający, jak można podróżować w czasie. Po prostu potrzebowalibyśmy akceleratora cząstek wystarczająco dużego, aby przyspieszyć ludzi w taki sam sposób, w jaki przyspieszamy cząstki, powiedział.

Akcelerator osób o możliwościach Wielkiego Zderzacza Hadronów poruszałby pasażerów z prędkością bliską prędkości lekki. Ze względu na skutki szczególnej teorii względności, okres, który komuś poza maszyną wydawałby się trwać kilka lat, wydawałby się pasażerom przyśpieszającym tylko kilka dni. Zanim zeszli z pojazdu LHC, byliby młodsi od reszty z nas.

Hawking tak naprawdę nie proponował, żebyśmy spróbowali zbudować taką maszynę. Ale on wskazywał na sposób, w jaki podróże w czasie odbywają się już dzisiaj. Na przykład cząstki zwane mezonami pi są zwykle krótkotrwałe; rozpadają się po zaledwie milionowych częściach sekundy. Ale kiedy są przyspieszane prawie do prędkości światła, ich żywotność dramatycznie się wydłuża. Wygląda na to, że te cząstki podróżują w czasie lub przynajmniej przeżywają czas wolniej niż inne cząsteczki.

Najwyższą temperaturę zarejestrowaną przez urządzenie stworzone przez człowieka osiągnięto w akceleratorze cząstek.

W 2012 roku relatywistyczny zderzacz ciężkich jonów z Brookhaven National Laboratory osiągnął świat Guinnessa Rekord w wytwarzaniu najgorętszej na świecie temperatury spowodowanej przez człowieka, oszałamiającej 7,2 biliona stopni Fahrenheita. Ale laboratorium z Long Island zrobiło coś więcej niż tylko podgrzanie rzeczy. Stworzyła niewielką ilość plazmy kwarkowo-gluonowej, stanu materii, który, jak się uważa, zdominował najwcześniejsze chwile wszechświata. Ta plazma jest tak gorąca, że powoduje rozpadanie się od siebie cząstek elementarnych zwanych kwarkami, które na ogół istnieją w przyrodzie tylko z innymi kwarkami.

Naukowcy z CERN stworzyli od tego czasu również plazmę kwarkowo-gluonową, w jeszcze wyższej temperaturze, w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Wnętrze Wielkiego Zderzacz Hadronów jest zimniejszy niż kosmos.

Aby przewodzić prąd bez oporu, elektromagnesy Wielkiego Zderzacza Hadronów są schładzane do temperatur kriogenicznych. LHC to największy system kriogeniczny na świecie, który działa przy ujemnych temperaturach minus 456,3 stopni Fahrenheita. Jest to jedno z najzimniejszych miejsc na Ziemi i jest nawet o kilka stopni zimniejsze niż przestrzeń kosmiczna, która zwykle spoczywa w temperaturze około minus 454,9 stopni Fahrenheita.

Natura produkuje akceleratory cząstek o wiele potężniejsze niż cokolwiek na Ziemi.

Możemy zbudować na Ziemi całkiem imponujące akceleratory cząstek, ale jeśli chodzi o osiągnięcie wysokich energii, nie mamy nic na akceleratorach cząstek, które naturalnie istnieją w kosmosie.

Najbardziej energetycznym promieniem kosmicznym, jaki kiedykolwiek zaobserwowano, był proton przyspieszony do energii 300 milionów bilionów elektronowoltów. Żadne znane źródło w naszej galaktyce nie jest wystarczająco potężne, aby spowodować takie przyspieszenie. Nawet fala uderzeniowa z eksplozji gwiazdy, która może wysłać cząsteczki w powietrze z dużo większą siłą niż sztuczny akcelerator, nie ma wystarczającej mocy. Naukowcy wciąż badają źródło takich ultra-wysokoenergetycznych promieni kosmicznych.

Cząstka akceleratory nie tylko przyspieszają cząstki; czynią je również masywniejszymi.

Jak przewidział Einstein w swojej teorii względności, żadna cząstka o masie nie może podróżować tak szybko, jak prędkość światła – około 300 000 mil na sekundę. Bez względu na to, ile energii dodaje się do obiektu o masie, jego prędkość nie może osiągnąć tej granicy.

We współczesnych akceleratorach cząstki rozpędzane są do prędkości bardzo bliskiej prędkości światła. Na przykład główny wtryskiwacz w Fermi National Accelerator Laboratory przyspiesza protony do 0,99997 razy większej niż prędkość światła. W miarę jak prędkość cząstki zbliża się coraz bardziej do prędkości światła, akcelerator coraz bardziej wzmacnia energię kinetyczną cząstki.

Ponieważ, jak powiedział nam Einstein, energia obiektu jest równa do swojej masy pomnożonej przez prędkość światła do kwadratu (E = mc2), dodanie energii w efekcie zwiększa również masę cząstek. Powiedział inaczej: tam, gdzie jest więcej „E”, musi być więcej „m”. Gdy obiekt o masie zbliża się, ale nigdy nie osiąga, prędkości światła, jego efektywna masa staje się coraz większa.

Średnica pierwszego kołowego akceleratora była mniejsza niż 5 cali; średnica Wielkiego Zderzacza Hadronów wynosi ponad 5 mil.

W 1930 roku, zainspirowany pomysłami norweskiego inżyniera Rolfa Widerøe, 27-letniego fizyka Ernesta Lawrence stworzył pierwszy kołowy akcelerator cząstek na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, we współpracy ze studentem M. Stanleyem Livingstonem. Przyspieszył jony wodoru do energii 80 000 elektronowoltów w komorze o średnicy mniejszej niż 5 cali.

W 1931 roku Lawrence i Livingston rozpoczęli prace nad 11-calowym akceleratorem. Maszynie udało się przyspieszyć protony do nieco ponad 1 miliona elektronowoltów, o czym Livingston zgłosił Lawrence’owi telegramem z dodatkowym komentarzem: „Whoopee!” Lawrence zbudował jeszcze większe akceleratory – i założył laboratoria Lawrence Berkeley i Lawrence Livermore.

Akceleratory cząstek przeszły długą drogę od tego czasu, tworząc jaśniejsze wiązki cząstek o większej energii, niż wcześniej sobie wyobrażano. Wielki Zderzacz Hadronów w CERN ma ponad 5 mil średnicy (17 mil w obwodzie). Po tegorocznych modernizacjach LHC będzie w stanie przyspieszyć protony do 6,5 biliona elektronowoltów.

W latach 70. XX wieku naukowcy z Fermi National Accelerator Laboratory zatrudnili fretkę imieniem Felicia do czyszczenia części akceleratora.

Od 1971 do 1999 roku Laboratorium Meson Fermilab było kluczową częścią eksperymentów fizyki wysokich energii w laboratorium. Aby dowiedzieć się więcej o siłach, które trzymają nasz wszechświat razem, naukowcy badali cząstki subatomowe zwane mezonami i protonami. Operatorzy wysyłaliby wiązki cząstek z accele rator do laboratorium Meson za pośrednictwem długiej na milę podziemnej linii wiązki.

Aby upewnić się, że setki stóp rur próżniowych są wolne od zanieczyszczeń przed ich podłączeniem i włączeniem wiązki cząstek, laboratorium zwróciło się o pomoc do jednego Fretka Felicia.

Fretki lubią kopać i wspinać się przez dziury, co czyni je idealnym gatunkiem do tej pracy. Zadaniem Felicii było przeciągnięcie szmatki zanurzonej w roztworze czyszczącym na sznurku przez długie odcinki rury.

Chociaż ostatecznie pracę Felicji przejął specjalnie zaprojektowany robot, odegrała ona wyjątkową i istotną rolę w budowie proces – w zamian prosząc tylko o stałą dietę składającą się z wątróbek drobiowych, rybich głów i mięsa do hamburgerów.

Akceleratory cząstek pojawiają się w mało prawdopodobnych miejscach.

Naukowcy mają tendencję do konstruowania dużych akceleratorów cząstek pod ziemią. Chroni to je przed zderzeniem i destabilizacją, ale może też utrudnić ich znalezienie.

Na przykład kierowcy jadący autostradą międzystanową 280 w północnej Kalifornii mogą tego nie zauważyć, ale główny akcelerator na SLAC National Accelerator Laboratory biegnie pod ziemią tuż pod ich kołami.

Mieszkańcy wiosek na szwajcarsko-francuskiej wsi mieszkają na szczycie największego na świecie zderzacza cząstek, Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Od dziesięcioleci zespoły z Cornell University grają piłka nożna, piłka nożna i lacrosse na Robison Alumni Fields 40 stóp nad Cornell Electron Storage Ring lub CESR. Naukowcy używają kołowego akceleratora cząstek do badania zwartych wiązek cząstek i do wytwarzania światła rentgenowskiego na potrzeby eksperymentów w biologii, materiałoznawstwie i fizyce.