Don Lincoln เป็นนักวิทยาศาสตร์อาวุโสที่ Fermilab ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกาซึ่งเป็นสถาบันวิจัย Hadron Collider ขนาดใหญ่ที่ใหญ่ที่สุดของสหรัฐอเมริกา นอกจากนี้เขายังเขียนเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์เพื่อสาธารณชนรวมถึงล่าสุดของเขา "The Large Hadron Collider: เรื่องราวพิเศษของ Higgs Boson และสิ่งอื่น ๆ ที่จะทำให้คุณนึกถึง"(สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัย Johns Hopkins, 2014) คุณสามารถติดตามเขาได้Facebook- ความคิดเห็นที่นี่เป็นของเขาเอง ลินคอล์นสนับสนุนบทความนี้ให้กับ Live Science'sVoices Expert: Op-Ed & Insights-
หากคุณเป็นกลุ่มวิทยาศาสตร์และจะไม่รักอะไรที่ดีไปกว่าทฤษฎีวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่จะถูกโค่นล้มและแทนที่ด้วยสิ่งที่ใหม่และดีกว่าปี 2016 อาจเป็นปีของคุณ ตัวเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลกคือ Large Hadron Collider (LHC) คือดำเนินการต่อหลังจากหยุดชั่วคราวในช่วงฤดูหนาวเมื่อค่าไฟฟ้าในฝรั่งเศสสูงที่สุด
เหตุใดจึงเป็นเรื่องใหญ่ที่ LHC กลับมาเป็นบรรทัด? เป็นเพราะนี่เป็นปีที่เร่งความเร็วจะทำงานในบางสิ่งที่ใกล้เข้ามาในข้อกำหนดการออกแบบ นักวิทยาศาสตร์จะทุบเหยียบแก๊สลงไปที่พื้นหมุนท่อดับเพลิงเปิดกว้างหมุนปุ่มเครื่องขยายเสียงเป็นสิบเอ็ดหรือออกกฎหมายใด ๆ ที่คุณต้องการ ปีนี้เป็นปีแรกของการดำเนินงาน LHC เต็มรูปแบบ
อนุภาค Reborn Reborn
ตอนนี้ถ้าคุณเป็นจริงเป็นกลุ่มวิทยาศาสตร์คุณรู้ว่า LHC คืออะไรและอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับความสำเร็จบางอย่าง คุณรู้มันทุบโปรตอนสองลำเข้าด้วยกันเดินทางด้วยความเร็วเกือบ คุณรู้ว่านักวิทยาศาสตร์ที่ใช้ LHC พบ Higgs Boson คุณรู้ว่าสิ่งมหัศจรรย์นี้เป็นอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา
ตอนนี้อะไรแตกต่างกัน? ลองย้อนเวลากลับไปในปี 2008 เมื่อ LHC หมุนเวียนคานแรก ในเวลานั้นเครื่องเร่งอนุภาคชั้นนำของโลกคือ Fermilab Tevatron ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาซึ่งชนคานที่มีพลังงานอิเล็กตรอน 2 ล้านล้านโวลต์ (TEV) และความสว่างของลำแสงประมาณ 2 × 1032ซม.-2S-1- คำศัพท์ทางเทคนิคสำหรับความสว่างของลำแสงคือ "ความส่องสว่างทันที" และโดยทั่วไปแล้วมันเป็นความหนาแน่น แม่นยำยิ่งขึ้นเมื่อลำแสงผ่านเป้าหมายความส่องสว่างทันที (L) คือจำนวนอนุภาคต่อวินาทีในลำแสงที่ผ่านตำแหน่ง (ΔNข/ΔT) หารด้วยพื้นที่ของลำแสง (a) คูณด้วยจำนวนเป้าหมาย (NT), l = Δnข/Δt× (1/a) × nT- (และเป้าหมายสามารถเป็นลำแสงอื่นได้)
การเปรียบเทียบที่ง่ายที่สุดที่จะช่วยให้คุณเข้าใจปริมาณนี้เป็นแหล่งกำเนิดแสงและแว่นขยาย คุณสามารถเพิ่ม "ความส่องสว่าง" ของแสงโดยการเปิดความสว่างของแหล่งกำเนิดแสงหรือโดยการโฟกัสแสงให้แน่นยิ่งขึ้น มันเป็นวิธีเดียวกันกับลำแสง คุณสามารถเพิ่มความส่องสว่างได้ทันทีโดยการเพิ่มจำนวนลำแสงหรืออนุภาคเป้าหมายหรือโดยเน้นลำแสงเข้าไปในพื้นที่ที่เล็กลง
LHC ถูกสร้างขึ้นเพื่อแทนที่ tevatron และ trounce หมายเลขประสิทธิภาพที่น่าประทับใจของเครื่อง ตัวเร่งความเร็วใหม่ได้รับการออกแบบมาเพื่อชนคานที่พลังงานการชนของ 14 TEV และมีความสว่างของลำแสง - ความส่องสว่างทันที - อย่างน้อย 100 × 1032ซม.-2S-1- ดังนั้นพลังงานลำแสงจะสูงขึ้นเจ็ดเท่าและความสว่างของลำแสงจะเพิ่มขึ้น 50 ถึง 100 เท่า
น่าเศร้าในปี 2008 ข้อบกพร่องในการออกแบบถูกค้นพบใน LHC เมื่อไฟฟ้าสั้นทำให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงต้องใช้เวลาสองปีในการซ่อมแซม- นอกจากนี้เมื่อ LHC ดำเนินการจริงในปี 2010 มันทำงานที่ครึ่งหนึ่งของพลังงานการออกแบบ (7 TEV) และที่ความสว่างของลำแสงโดยทั่วไปเหมือนกับของ fermilab tevatron พลังงานที่ต่ำกว่าคือการให้ระยะขอบความปลอดภัยขนาดใหญ่เนื่องจากข้อบกพร่องในการออกแบบได้รับการแก้ไขเท่านั้นไม่ได้ปรับโครงสร้างใหม่อย่างสมบูรณ์
สถานการณ์ดีขึ้นในปี 2011 เมื่อความสว่างของลำแสงสูงถึง 30 × 1032ซม.-2S-1แม้ว่าจะมีพลังงานลำแสงเดียวกัน ในปี 2012 พลังงานลำแสงเพิ่มขึ้นเป็น 8 TEV และความสว่างของลำแสงก็สูงกว่าจุดสูงสุดประมาณ 65 × 1032ซม.-2S-1-
LHC ถูกปิดตัวลงในช่วงปี 2013 และ 2014 เพื่อติดตั้งตัวเร่งความเร็วเพื่อให้ปลอดภัยในการทำงานใกล้เคียงกับข้อกำหนดการออกแบบ การติดตั้งเพิ่มเติมประกอบด้วยมาตรการความปลอดภัยทางอุตสาหกรรมเพิ่มเติมที่อนุญาตให้ตรวจสอบกระแสไฟฟ้าที่ดีขึ้นใน LHC สิ่งนี้จะช่วยให้แน่ใจว่าไม่มีกางเกงขาสั้นไฟฟ้าและมีช่องระบายอากาศที่เพียงพอ ช่องระบายอากาศไม่รับประกันว่าจะไม่มีการแตกของความหายนะของแม่เหล็ก LHC (ซึ่งนำคาน) ในกรณีที่ของเหลวแช่แข็ง - ฮีเลียมและไนโตรเจน - ในแม่เหล็กอุ่นขึ้นและเปลี่ยนเป็นก๊าซ ในปี 2558 LHC ดำเนินการต่อในเวลานี้ที่ 13 TEV และด้วยความสว่างของลำแสง 40 × 1032ซม.-2S-1-
แล้วสิ่งที่คาดหวังในปี 2559?
LHC จะทำงานที่ 13 TEV และด้วยความสว่างของลำแสงที่คาดว่าจะเข้าใกล้ 100 × 1032ซม.-2S-1และอาจเกินกว่าเครื่องหมายนั้นเล็กน้อย โดยพื้นฐานแล้ว LHC จะทำงานตามข้อกำหนดการออกแบบ
นอกจากนี้ยังมีการเปลี่ยนแปลงทางเทคนิคในปี 2559 โปรตอนในคาน LHC จะแพร่กระจายอย่างสม่ำเสมอรอบ ๆ วงแหวนซึ่งจะช่วยลดจำนวนโปรตอนที่ชนกันซึ่งส่งผลให้ข้อมูลที่ดีขึ้นง่ายขึ้น
ในระดับเทคนิคนี่เป็นสิ่งที่น่าสนใจ ลำแสงอนุภาคไม่ต่อเนื่องเหมือนลำแสงเลเซอร์หรือน้ำที่ออกมาจากท่อ แต่ลำแสงมาใน "พวง" ที่แตกต่างกันสองสามพัน พวงนั้นดูสปาเก็ตตี้ดิบนิดหน่อยยกเว้นว่ามันยาวประมาณหนึ่งฟุตและบางกว่าประมาณ 0.3 มม. ส่วนใหญ่ พวงเหล่านี้เดินทางในวงกลมยาว 16 ไมล์ (27 กิโลเมตร) ขนาดใหญ่ซึ่งเป็น LHC โดยแต่ละกลุ่มแยกออกจากพวงอื่น ๆ ตามระยะทางที่ (จนถึงตอนนี้) ประมาณ 50 ฟุต (15 เมตร)
การเปลี่ยนแปลงทางเทคนิคในปี 2559 คือการใช้โปรตอนลำแสงจำนวนเท่ากัน (ประมาณ 3 × 1014โปรตอน) และแบ่งออกเป็น 2,808 ช่อแต่ละอันแยกกันไม่ได้ 50 ฟุต แต่ 25 ฟุต (7.6 ม.) นี่เป็นสองเท่าของจำนวนพวง แต่ลดจำนวนโปรตอนในแต่ละพวงครึ่ง (แต่ละพวงมีประมาณ 1011โปรตอน.)
เนื่องจาก LHC มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่แยกออกเป็นพวงมากขึ้นนั่นหมายความว่าเมื่อสองช่อข้ามและชนกันในใจกลางของเครื่องตรวจจับจึงมีการชนกันน้อยลงต่อการข้าม เนื่องจากการชนส่วนใหญ่น่าเบื่อและกิจการพลังงานต่ำทำให้พวกเขามีจำนวนมากในเวลาเดียวกันกับที่การชนที่น่าสนใจเกิดขึ้นเพียงแค่รวบรวมข้อมูล
เป็นการดีที่คุณต้องการมีเพียงการชนที่น่าสนใจและไม่มีสิ่งที่น่าเบื่อพร้อมกัน การเปลี่ยนระยะห่างจากการแยกพวงจาก 50 ฟุตเป็น 25 ฟุตทำให้การรวบรวมข้อมูลใกล้ชิดกับอุดมคติมากขึ้น
คานส่องสว่าง
องค์ประกอบการออกแบบที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งคือลำแสงแบบบูรณาการ ความสว่างของลำแสง (ความส่องสว่างแบบทันที) เกี่ยวข้องกับจำนวนการชนกันของโปรตอนต่อวินาทีในขณะที่ลำแสงแบบบูรณาการ (ความส่องสว่างแบบบูรณาการ) เกี่ยวข้องกับจำนวนการชนทั้งหมดที่เกิดขึ้นเมื่อคานตอบโต้สองครั้งผ่านเครื่องตรวจจับอย่างต่อเนื่อง ความส่องสว่างแบบบูรณาการเป็นสิ่งที่เพิ่มขึ้นตลอดทั้งวันเดือนและปี
หน่วยของความส่องสว่างแบบบูรณาการคือ PB-1- หน่วยนี้ค่อนข้างสับสน แต่ไม่เลวร้ายนัก "B" ใน "PB" หมายถึงโรงนา (เพิ่มเติมในช่วงเวลาหนึ่ง) โรงนาคือ 10-24ซม.2- picobarn (pb) คือ 10-36ซม.2- คำว่า "Barn" เป็นหน่วยของพื้นที่และมาจากคำศัพท์วิชาฟิสิกส์อนุภาคอื่นที่เรียกว่าส่วนตัดขวางซึ่งเกี่ยวข้องกับความเป็นไปได้ที่ว่าอนุภาคทั้งสองจะโต้ตอบและสร้างผลลัพธ์ที่เฉพาะเจาะจง วัตถุสองชิ้นที่มีพื้นที่มีประสิทธิภาพขนาดใหญ่จะโต้ตอบได้ง่ายในขณะที่วัตถุที่มีพื้นที่ขนาดเล็กจะมีปฏิสัมพันธ์กันไม่ค่อย
วัตถุที่มีพื้นที่ของโรงนาคือสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มีความยาว 10-12ซม. นั่นคือขนาดของนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม
ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองนักฟิสิกส์ที่ Purdue University ในรัฐอินเดียนากำลังทำงานกับยูเรเนียมและจำเป็นต้องปกปิดงานของพวกเขาด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย ดังนั้นพวกเขาจึงคิดค้นคำว่า "ยุ้งฉาง" กำหนดว่าเป็นพื้นที่เกี่ยวกับขนาดของนิวเคลียสยูเรเนียม เมื่อพิจารณาว่าพื้นที่นี้มีขนาดใหญ่เพียงใดในสายตาของนักฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาคนักวิทยาศาสตร์เพอร์ดูได้ร่วมเลือกวลี "ใหญ่เท่ากับโรงนา" ในโลกแห่งความส่องสว่างด้วยหน่วยของ (1/barn) จำนวนน้อยหมายถึงความส่องสว่างมากขึ้น
แนวโน้มนี้เห็นได้ชัดในความส่องสว่างแบบบูรณาการที่เห็นใน LHC ในแต่ละปีเนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ปรับปรุงความสามารถในการเร่งความเร็ว ความส่องสว่างแบบบูรณาการในปี 2010 คือ 45 PB-1- ในปี 2554 และ 2555 เป็น 6,100 PB-1และ 23,300 pb-1ตามลำดับ เมื่อเวลาผ่านไปตัวเร่งความเร็วจะทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้นส่งผลให้จำนวนการชนที่บันทึกไว้สูงขึ้น
เนื่องจากตัวเร่งความเร็วได้รับการกำหนดค่าใหม่ในช่วงปิดตัวปี 2013 ถึง 2014 ความส่องสว่างจึงต่ำกว่าในปี 2558 ซึ่งมาที่ 4,200 PB-1แม้ว่าแน่นอนว่าพลังงานคานที่สูงขึ้นมาก การคาดการณ์ปี 2559 อาจสูงถึง 35,000 PB-1- การเพิ่มขึ้นที่คาดการณ์ไว้นั้นสะท้อนให้เห็นถึงความเชื่อมั่นที่เพิ่มขึ้นของผู้ประกอบการเร่งความเร็วในความสามารถในการใช้งานสิ่งอำนวยความสะดวก
ซึ่งหมายความว่าในปี 2559 เราสามารถบันทึกข้อมูลได้มากถึงแปดเท่าที่เราทำในปี 2558 และคาดว่า 2017 จะนำประสิทธิภาพที่สูงขึ้น
ส่องสว่างวิทยาศาสตร์ใหม่
ลองคิดดูว่าการปรับปรุงเหล่านี้หมายถึงอะไร เมื่อ LHC ชนคานเป็นครั้งแรกในปี 2010 Higgs Boson ยังคงถูกสังเกต ในทางกลับกันอนุภาคได้ถูกทำนายไว้แล้วและมีหลักฐานสถานการณ์ที่ดีที่คาดหวังว่าฮิกส์จะถูกค้นพบ และไม่ต้องสงสัยเลยว่าจะต้องยอมรับว่าการค้นพบ Higgs Boson เป็นชัยชนะทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่
แต่การยืนยันอนุภาคที่คาดการณ์ไว้ก่อนหน้านี้ไม่ว่าจะน่าประทับใจแค่ไหนไม่ใช่เหตุผลว่าทำไม LHC จึงถูกสร้างขึ้น
ทฤษฎีปัจจุบันของนักวิทยาศาสตร์ของโลกอนุภาคเรียกว่าแบบจำลองมาตรฐานและได้รับการพัฒนาในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา ในขณะที่มันเป็นทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จอย่างไม่น่าเชื่อ แต่ก็เป็นที่ทราบกันดีว่ามีรู แม้ว่ามันจะอธิบายได้ว่าทำไมอนุภาคมีมวล แต่ก็ไม่ได้อธิบายว่าทำไมอนุภาคบางชนิดถึงมีมวลมากกว่าคนอื่น มันไม่ได้อธิบายว่าทำไมจึงมีอนุภาคพื้นฐานมากมายเนื่องจากมีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่จำเป็นต้องมีเรื่องธรรมดาของอะตอมและลูกสุนัขและพิซซ่า มันไม่ได้อธิบายว่าทำไมจักรวาลจึงประกอบไปด้วยสสารเพียงอย่างเดียวเมื่อทฤษฎีทำนายว่าสสารและ antimatter ควรมีอยู่ในปริมาณที่เท่ากัน มันไม่ได้ระบุสสารมืดซึ่งแพร่หลายกว่าสสารธรรมดาห้าเท่าและจำเป็นต้องอธิบายว่าทำไมกาแลคซีหมุนไปในลักษณะที่โอฬารและไม่แยกตัวออกจากกัน
เมื่อคุณลงไปที่มันมีจำนวนมากที่รุ่นมาตรฐานไม่ได้อธิบาย และในขณะที่มีแนวคิดมากมายเกี่ยวกับทฤษฎีใหม่และปรับปรุงที่สามารถแทนที่ได้ความคิดราคาถูก เคล็ดลับคือการค้นหาความคิดที่ถูกต้อง
นั่นคือสิ่งที่ LHC เข้ามา LHC สามารถสำรวจสิ่งที่เกิดขึ้นได้หากเราเปิดเผยเรื่องที่รุนแรงมากขึ้นเรื่อย ๆ การใช้สมการของ Einstein E = MC2เราสามารถเห็นได้ว่าพลังงานที่มีการชนสูงสามารถทำได้ใน LHC นั้นจะถูกแปลงเป็นรูปแบบของสสารที่ไม่เคยเห็นมาก่อน เราสามารถกรองข้อมูล LHC เพื่อค้นหาเบาะแสที่ชี้ให้เราไปในทิศทางที่ถูกต้องเพื่อหวังว่าจะได้ทฤษฎีที่ใหญ่กว่าและมีประสิทธิภาพมากขึ้น เราสามารถก้าวไปอีกขั้นสู่เป้าหมายสูงสุดของเราในการค้นหาทฤษฎีของทุกสิ่ง
ด้วย LHC ในขณะนี้ที่ทำงานที่ข้อมูลจำเพาะการออกแบบเป็นหลักในที่สุดเราก็สามารถใช้เครื่องเพื่อทำสิ่งที่เราสร้างขึ้นมาเพื่อ: สำรวจอาณาจักรใหม่เพื่อตรวจสอบปรากฏการณ์ที่ไม่เคยเห็นมาก่อนและขโมยบรรทัดจากรายการโทรทัศน์ที่ฉันโปรดปราน นักวิทยาศาสตร์เราตื่นเต้น เราหวิว เรากำลังสูบ ในความเป็นจริงอาจมี แต่วิธีหนึ่งในการแสดงวิธีที่เราดูปีที่กำลังจะมาถึงนี้:
มันเป็นเวลาโชว์
รับมุมมองเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของกระบี่แสงทำไม supercolliders ไม่วางไข่หลุมดำและอื่น ๆหน้า Landing Page ผู้เชี่ยวชาญของ Don Lincoln-
ติดตามปัญหาเสียงและการอภิปรายทั้งหมดของผู้เชี่ยวชาญ - และกลายเป็นส่วนหนึ่งของการสนทนา - บนFacebook-TwitterและGoogle+- มุมมองที่แสดงเป็นของผู้เขียนและไม่จำเป็นต้องสะท้อนมุมมองของผู้จัดพิมพ์ บทความฉบับนี้ได้รับการเผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวิทยาศาสตร์สด-
