Akcelerator cząstek w twojej salaterce

Naukowcy trwają w poszukiwaniu najmniejszych cząsteczek budujących wszechświat. Atom, dawniej uznawany za niewidoczny, był najmniejszą cząstką fundamentalną, do momentu, aż okazał się, że zbudowany jest z elektronów, protonów i neutronów. Silniejsze akceleratory cząstek ujawniły, że protony i neutrony można rozłożyć na jeszcze mniejsze elementy: bowiem każdy z nich zawiera po trzy kwarki. Najnowszym odkryciem jest cząsteczka zwana bozonem Higgsa, zaobserwowana w 2012 roku przez największy na świecie akcelerator cząstek – Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider – LHC) w CERN.

Akceleratory cząstek, które rozpędzają naładowane cząstki (takie jak protony czy elektrony) do prędkości zbliżonej do prędkości światła, są wykorzystywane do badania materii w najmniejszej skali. To pozwala naukowcom na lepsze zrozumienie właściwości cząstek elementarnych, zbadanie sposobu w jaki wchodzą w interakcje i ostatecznie zgłębienie sposobu funkcjonowania wszechświata. Teoria najlepiej opisująca cząstki i ich interakcje (wszystkie prócz grawitacji) znana jest jako Standardowy Model fizyki cząstek elementranych. Od momentu sfinalizowania modelu w latach 70. XX wieku, udało się z powodzeniem wytłumaczyć wyniki niezliczonej ilości eksperymentów.

A jednak pytanie wciąż pozostaje aktualne. Wiadomo, że Standardowy Model opisuje jedynie 4% wszechświata. Dlatego też potrzeba większej ilości eksperymentów oraz silniejszych narzędzi aby wytłumaczyć pozostałe 96%, wraz z enigmatyczną „czarną materią”. Akceleratory wykorzystywane do przeprowadzenia wspomnianych eksperymentów są co prawda olbrzymie, ale ty możesz przeprowadzić ich podstawowe procedury w swojej klasie.

Przygotowanie salaterkowego akceleratora

Być może doświadczyłeś wstrząsu spowodowanego przez elektryczność statyczną wywołaną tarciem, a może widziałeś, jak generator Van de Graaffa może sprawić, że włosy staną ci na głowie. To urządzenie jest wykorzystywane do ładowania dużej metalowej kuli do poziomu wysokiego napięcia. Wymyślono je po to, aby zapewnić wysoki poziom energii wymaganej do napędzania naładowanych cząstek we wczesnych modelach akceleratorów cząstek. Ta sama reguła jest wykorzystywana również w obecnych elektrostatycznych akceleratorach cząstek.

Większość współczesnych akceleratorów, działających na dużą skalę, używa jednak zmiennych pól elektromagnetycznych: pola elektryczne rozpędzają cząsteczki do zawrotnie dużych prędkości, a pola magnetyczne kontrolują wiązki cząstek i ich trajektorię. Proces ten można przedstawić przy pomocy małego generatora Van de Graaffa, piłeczki ping-pongowej pokrytej metalem i salaterki. Akcelerator mogą skostruować albo uczniowie, albo nauczyciel przed lekcją. Na kanale YouTube^w1 dostępny jest film ukazujący, w jaki sposób można zbudować accelerator salaterkowy (zgodnie z poniższą metodą) lub akcelerator z papierowego kubka^..

Materiały

• Plastikowa salaterka (nie szklana): powinna być gładka i o płytkim zakrzywieniu – każda nierówność czy wgniecenie utrudni trajektorię piłki
• Jedna piłeczka ping-pongowa lub polistyrenowa
• Farba przewodząca prąd: nikiel lub grafit (w celu wytworzenia powłoki przewodzącej prąd)
• Pędzel malarski
• Aluminiowa (lub miedziana) folia samoprzylepna, szeroka na przynajmniej 2cm
• Generator Van de Graaffa (lub generator Wimshursta)
• Przewody elektryczne, wtyki bananowe, krokodylkowe zaciski
• Nożyczki
• Wykałaczki (do trzymania kulek w czasie ich malowania i późniejszego suszenia)
• Gazety (do ochrony powierzchni podczas malowania)
• Plastikowe łyżeczki (do manipulowania kulkami w misce)

Postępowanie

1. Przygotuj piłeczkę ping-pongową zanurzając ją w farbie przewodzącej prąd. Ponieważ farba będzie potrzebowała trochę czasu żeby wyschnąć, zacznij proces malowania piłeczki na kilka dni przed przygotowaniem salaterki.
2. Wytnij dwa kawałki folii aluminiowej. Każdy powinien być szeroki na ok. 2cm i wystarczająco długi, aby  przejść od jednego brzegu salaterki, po dnie, do drugiej krawędzi.
3. W połowie każdego z tych pasków podetnij je lekko z obu stron tak, aby były węższe (ok. 1 cm w samym środku) niż reszta paska tak, jak pokazuje to rycina 1.

4. Przytwierdź paski do powierzchni miski: powinny przecinać się pod kątem 90°, formując w srodku miski krzyż. Oba paski powinny się kończyć na obrzeżu salaterki (ryc. 2).
5. Z innego kawałka folii wytnij osiem krótkich, wąskich (ok. 1 cm szerokości) pasków. Powinny być wystarczająco długie, aby jeden koniec pozostał przytwierdzony do brzegu salaterki, a drugi kończył się w pobliżu środka salaterki. Zaokrąglij końce pasków, tak, aby napięcie nie przeciekało przez ostre rogi. Zwróć uwagę na to, że szerokie paski nadmienione w kroku 3 nie muszą być za końcach zaokrąglone.
6. Wykorzystując cztery z wąskich pasków, przytwierdź po jednym z nich w przestrzeni pomiędzy ramionami powstałego wcześniej krzyża. Nie powinny one dotykać punktu w samym środku. Zewnętrze końce pasków powinny wychodzić poza obrzeże salaterki i zbiegać na dół (ryc. 3).

7. Przy użyciu pozostałych czterech wąskich pasków taśmy, połącz wszystkie wąskie paski na zewnątrz salaterki (Ryc. 4).

8. Wykorzystaj taśmę aluminiową, krokodylkowe zaciski i wtyki bananowe aby połączyć jeden z wąskich pasków na obrzeżu salaterki z uziemieniem generatora Van de Graaffa i podłącz krzyż do wysokiego napięcia (kopułki) generatora Van de Graaffa (Ryc. 5). Upewnij się, że przewody wysokiego napięcia i uziemienia nie stykają się ze sobą.

9. Wrzuć piłeczkę do salaterki i włącz generator.
10. Obserwuj, jak piłeczka wibruje wewnątrz salaterki. Po zakończeniu eksperymentu nie zapomnij rozładować generator Van de Graaffa.

Rozwiązywanie problemów

Jeśli piłeczka nie zaczyna wibrować:

• Sprawdź, czy generator jest włączony
• Delikatnie porusz salaterką aby zainicjować ruch
• Sprawdź, czy paski wysokiego napięcia nie stykają się z paskami uziemienia
• Spróbuj użyć mniejszej piłeczki..

Jak to działa?

Generator Van De Graaffa produkuje elektryczność statyczną, która wytwarza wysokie napięcie (ponad 30 000 woltów) na metalowych paskach formujących krzyż. To oznacza, że te paski są naładowane (albo dodatnio albo ujemnie). Jednak przepływający prąd jest bardzo mały, co powoduje, że całość ćwiczenia jest bezpieczna. Pozostałe paski są uziemione, więc nie posiadają żadnego ładunku.

W chwili, gdy piłeczka styka się z jednym z naładowanych pasków, przejmuje jego ładunek. Ponieważ w tym momencie zarówno piłeczka jak i pasek mają taki sam ładunek, zaczynają się odpychać: piłeczka się oddala. Zbliża się tym samym do paska uziemionego, który neutralizuje piłeczkę i pozbawia ją ładunku. Piłeczka przyspiesza za każdym razem, gdy dotkie naładowanego paska i zwalnia pomiędzy paskami z uwagi na tarcie z salaterką.

Na czym polega podobieństwo (i różnica) w porównaniu z prawdziwym akceleratorem?

Salaterkowy accelerator jest prostym modelem wyjaśniającym działanie prawdziwych akceleratorów cząstek, takich jak LHC. Pomimo tego, że obecnie nadal korzysta się z kilku podstawowych właściwości oryginalnego akceleratora Van de Graaffa, to jednak współczesne akceleratory mają kilka fundamentalncyh różnic.

Ładunek cząstek i pola elektryczne

W przeciwieństwie do cząstek w akceleratorze, piłeczka w salaterce nie posiadała żadnego własnego ładunku – jej ładunek zmieniał się w zależności od tego, którego aluminiowego paska ostatnio dotknęła. W akceleratorze LHC w CERN, protony i jony posiadają swój własny ładunek, który się nie zmienia. Zamiast tego, na około akceleratora umieszcza się specjalnie zaprojektowane metalowe komory, które oscylują między ujemnym a dodatnim ładunkiem, wytwarzając tym samym fale radiowe, które popychają cząstki w wiązkach.

W tym ćwiczeniu, piłeczka reprezentuje jedną z cząstek, którą naukowcy chcą rozpędzić i zderzyć. Jednak w rzeczywistym zderzaczu mamy miliardy, a awet tryliardy takich cząstek, które formują wiązki. Aby uniknąć kolizji z cząsteczkami powietrza, wiązki te przemieszczają się w próżni, wewnątrz melatowej rury. Obserwowanie właściwości tych wiązek w czasie realnym jest niezwykle istotne, na przykład w celu ochrony maszyny, dlatego też, aby móc podążać na każdą jedną cząstką w wiązce, naukowcy korzystają z całego wachlarzu technik zwanych diagnostyką wiązki.

Rozmiar i kształt

Akceleratory cząstek mogą być liniowe – w takich układach wiązka cząstek przemieszcza się w linii prostej z jednego końca na drugi – lub kołowe, gdzie wiązka cząstek przemieszcza się po pętli. Zaletą akceleratora kołowego, takiego jak LHC, jest to, że każdą kolejną pętlą cząstki przyspieszają coraz bardziej. To pozwala na osiągnięcie wyższego poziomiu energii pomimo faktu, że cząstki trochę jej tracą wraz z każdym obrotem, który jest efektem zwanym promieniowaniem synchrotronowym. Energia końcowa akceleratora kołowego jest organiczona przez jego rozmiar, intensywność pól przyspieszenia i magnesów zakrzywiających tor ruchu cząstek, tak, aby pozostały na szlaku. Typowa salaterka jest szeroka na 30-40 cm, podczas gdy LHC ma przekrój 8,5 km. Duży rozmiar akceleratora LHC jest jednym z powodów dlaczego akcelerator rozpędza cząstki prawie do prędkości światła.

W salaterkowym akceleratorze prędkość piłeczki jest ograniczona przez tarcie i szybkość transferu ładunku między aluminiowym paskiem a piłeczką. W momencie, gdz piłeczka porusza się wolno, pozostaje dłużej w kontakcie z paskiem i ma więcej czasu na naładowanie się i rozładowanie, a tym samym pojawiają się większe możliwości przyspieszenia. Gdy piłęczka porusza się szybciej, ma mniej czasu na kontakt z paskami i ostatecznie osiąga stałą prędkość.

Magnesy

Magnesy są niezbędne do kontrolowania niesfornych cząstek krążących po akceleratorach liniowych i kołowych. Na przykład, kwadrupole i magnesy wyższego rzędu są stosowane do ściskania cząstek razem i kontrolowania wielkości oraz rozbieżności (jak przekrój wiązki wzrasta wraz z odległością) wiązki.

W akceleratorach kołowych, cząstki muszą poruszać się raczej po krzywej niż po prostej, a doprowadza się do tego stosując bardzo silne magnesy dipolowe. Im większa jest energia wiązki cząstek, tym silniejszy musi być magnes. Główne magnesy LHC są nadprzewodnikami, co oznacza, że gdy są schłodzone do wystarczająco niskich temperatur, to przewodzą prąd elektryczny o zerowej resystancji. Te magnesy działają w temperaturze 1,9 Kelvina (–271 °C), która jest możliwa do osiągnięcia poprzez przepompowanie 70 000 litrów płynnego helu przez zamknięty obwód wokół akceleratora. Salaterka sama w sobie działa jak magnesy, ograniczając ruch piłeczki i wymuszając na niej ruch w kółko – na szczęście dzieje się to w temperaturze pokojowej.

Detektory cząstek

Przyspieszenie cząstek jest tylko pierwszą częścią całej historii. Akceleratory cząstek zwiększają prędkość cząstek do poziomu wysokiej energii jeszcze zanim zostaną one nakierowane na konkretny cel (taki jak cienki kawałek metalowej folii) lub zderzone ze sobą poprzez nakierowanie na siebie dwóch wiązek cząstek. W akceleratorach takich jak LHC dwie wiązki cząstek przemieszczają się w przeciwnych kierunkach – jedna zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, a druga w przeciwnym kierunku – i w określonych punktach celowo doprowadza się do ich niemalże czołowego zderzenia. Detektory są umieszczone wokół punktów zderzeń i mają za zadanie zbierać informacje na temat cząstek powstających w wyniku zderzenia, takie jak ich prędkość, masa czy ładunek. Na podstawie tych danych naukowcy mogą odkrywać nowe cząstki lub dowiedzieć się, w jaki sposób cząstki reagują ze sobą. W ten sposób naukowcy z CERN odkryli bozon Higgsa, cząstkę uważaną za źródło masy wszystkich pozostałych cząstek we wszechświecie.

Pytania dla uczniów

Dlaczego piłeczka kręci się w określonym kierunku?

To, czy piłeczka kręci się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, czy w kierunku przeciwnym zależy od tego jaki impuls pierwotny nadawany jest piłeczce. Jeśli piłeczka w punkcie zero znajduje się w stanie spoczynku, to odsunie się od naładowanego paska w jedną lub drugą stronę, zależnie od swojego położenia, dlatego też przewidzenie kierunku obrotu jest trudne. Po kilku przypadkowych ruchach, ogólny kierunek zostanie ustalony i piłeczka zacznie przyspieszać.

Czy możesz spowodować, że piłeczka zacznie się obracać w drugą stronę? Jak?

Weź plastikową łyżeczkę i popchnij piłeczkę w przeciwnym kierunku.

W jaki sposób można przyspieszyć obrót piłeczki?

Prędkość piłeczki jest ograniczona przez siłę tarcia i szybkość transferu ładunku pomiędzy paskiem a piłeczką. Zastosowanie gładszej piłeczki i miski pozwoliłoby piłeczce na szybsze osiągnięcie prędkości końcowej, ale nie zmieniłoby to jej wartości samej w sobie. Kształt miski jest ważny, ponieważ końcowa trajektoria piłeczki jest określona przez równowagę pomiędzy siłą grawitacji, siłą odśrodkową oraz siłą normalną. Siła normalna zapobiega temu, aby piłeczka przeleciała przez plastikową miskę, a ponieważ jest prostopadła do powierzchni miski, zależy również od jej kształtu.

Co się stanie, jeśli wykorzystamy piłeczkę nie pokrytą farbą przewodzącą prąd? Dlaczego?

Bez pokrycia farbą przewodzącą prąd piłeczka nie mogłaby być naładowywana ani rozładowywana, a tym samym nie mogłaby nabierać przyspieszenia.

Zderzacze nowej generacji

Akceleratory cząstek to złożone i super nowoczesne maszyny, których rozwój wymaga zazwyczaj współpracy pomiędzy ludźmi z różnych krajów, pracującymi w różnych dziedzinach. Tysiące naukowców, inżynierów i techników potrzebowało prawie 30 lat, aby zaplanować i zbudować LHC.

Podczas gdy największy accelerator cząstek ma jeszcze przed sobą kilkadziesiąt lat funkcjonowania, badacze z instutytów z całego świata już teraz są gotowi by przysiąść i wspólnie zaprojektować następne pokolenie zderzaczy. Następca LHC rozpocznie swoje działanie najprawdopodobniej w okolicach 2040 roku, stąd większość naukowców, którzy będą przy nim pracować jest obecnie na etapie edukacji szkolnej. Dlatego też salaterkowy akcelerator może być dla nich dobrym punktem startowym.

Podziękowanie

Inspiracją do tego ćwiczenia byli fizycy Todd Johnson (Fermilab) i Suzie Sheehy (Oxfort University), którzy pracują nad przyspieszaniem cząstek.