¿Por qué los colisionadores de hadrones no son más pequeños?

Excelentes respuestas señalando que doblar un haz de alta energía y momento (para un camino de haz circular para reutilizar el haz y seguir agregando energía) requiere fuertes campos magnéticos, o un gran círculo que se curva gradualmente, ¡o de hecho ambos! La alternativa es un acelerador lineal, que es casi obligatorio para los colisionadores de leptones de alta energía debido a la prohibitiva pérdida de potencia de radiación sincrotrón que va como 1 / m ^ 4; pero los colisionadores lineales solo permiten un paso para agregar energía, y hay un límite de descomposición de materiales en el voltaje de los campos eléctricos que aceleran las partículas. Alcanzar altas energías nuevamente requiere kilómetros de construcción.

No parece haber ninguna revolución en el horizonte para la tecnología de imanes de alto campo, por lo que las máquinas circulares se mantendrán grandes. En el frente del colisionador lineal, algunas ideas geniales pueden sortear el límite del campo eléctrico, básicamente dejando que las partículas “surjan” en una ola en plasma que no necesita mantenerse unida: vea Aceleración de plasma, CERN se prepara para probar el revolucionario mini acelerador, y Aceleración de plasma Wakefield. Los experimentos de prueba de concepto ya tienen varias aceleraciones GeV por cm, lo que hace que las máquinas de mesa o al menos del tamaño de un campo de fútbol sean factibles si pueden escalar y encontrar formas de aumentar la eficiencia, enfocar y enfriar los haces, etc.

El objetivo de la ciencia es descubrir las cosas de manera confiable; Sería genial si pudiéramos hacer más por menos dinero, o con establecimientos de menor escala, y hay alguna esperanza para eso. Aún así, en la frontera experimental de alta energía, no creo que los esfuerzos en solitario vuelvan a ser realistas. ¡Me encantaría animar un Premio Nobel a cualquiera que lo refute!

El Gran Colisionador de Hadrones es grande porque (a) los Bosones de Higgs son realmente grandes, y (b) los protones son realmente pequeños.

Para hacer un bosón de Higgs, tienes que juntar protones muy, muy duro. Como, 99.99999% de la velocidad de la luz dura. Cualquier cosa menos no producirá suficiente energía para hacer un bosón de Higgs.

Sin embargo, los protones mismos son realmente pequeños. Conseguir que uno se estrelle contra otro es increíblemente difícil. Los protones son ridículamente pequeños, mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz, y estás tratando de golpear una cosa minúscula con otra cosa minúscula. Es como tratar de golpear una bala con otra bala … de otra galaxia. La única forma de hacerlo es trabajar con un gran número de protones. Como, mil millones de ellos por grupo. Y debe hacer eso millones de veces por segundo, durante meses, solo para obtener algunas colisiones que hagan bosones de Higgs.

Entonces, tienes que bombear grandes cantidades de energía, tanto que tienen que apagar la máquina en invierno para que la gente en Ginebra no se congele. E incluso si el colisionador en sí mismo podría ser de algún tamaño de sobremesa, no puede enchufarlo a la pared. Simplemente no habrá suficientes colisiones para detectar.

No, la ciencia nunca garantizó que pudieras reproducirlo en casa. La falsabilidad es una cuestión epistemológica: las cosas solo son “verdaderas” si tienen un efecto en el universo, a diferencia de uno que no puede medirse incluso si tuviera todo el dinero y el tiempo del mundo. No te garantiza el derecho a un bosón de Higgs más de lo que te garantiza el derecho de ir a la galaxia de Andrómeda durante el almuerzo. La falsabilidad realmente existe solo para cortar líneas de pensamiento que posiblemente no pueden ser significativas, y hay una cantidad sorprendente de eso entre los no científicos.

Puedes ir, aprender cómo funciona la física subatómica y unirte al proyecto LHC. La información no es mágica. Es realmente muy difícil. La ciencia nunca garantizó que las cosas fueran fáciles. Todo lo contrario: más o menos garantiza que las cosas fáciles se hagan primero, y lo que queda es difícil. Pero sigue valiendo la pena hacerlo.

En su mayor parte, las cosas que no hemos descubierto en física de partículas han permanecido desconocidas porque requerían colisiones de más energía de la que podíamos proporcionar. Entonces, si desea construir un colisionador que ayude a avanzar en nuestro conocimiento, necesita poder crear más colisiones energéticas que antes.

Aquí es donde entra el tamaño. Si bien hay grupos trabajando en la creación de nuevos tipos de colisionadores, los que sabemos cómo hacer ahora requieren un tamaño más grande para tener colisiones de energía más grandes. Existe un límite en la cantidad de energía que podemos agregar a una partícula en una cantidad de tiempo determinada, por lo que debemos acelerar la partícula durante un período prolongado.

Una forma de hacerlo es tener un dispositivo muy largo y recto. Esta es una manera más eficiente de hacer las cosas, pero considere que los protones en el LHC viajan por más de 300 millones de kilómetros antes de alcanzar la energía deseada. Por lo tanto, un acelerador lineal no es práctico para hacer el trabajo del LHC.

Con el anillo de 27 km para el LHC, los protones deben circular durante unos 20 minutos antes de estar listos para los experimentos. Podrías pensar que tendría sentido tener un anillo mucho más pequeño y menos costoso y solo tomar más tiempo para acelerar los protones. El problema con esto es algo llamado radiación sincrotón. Resulta que cuando una partícula cargada se acelera, emite ondas EM (radio) que transportan energía. Cuanto mayor es la aceleración, mayor es la pérdida de energía.

Un objeto que entra en un círculo experimenta aceleración hacia el centro del círculo. Cuanto más apretado sea el círculo, mayor será la aceleración. Entonces, en un pequeño acelerador, llega rápidamente al punto donde la energía perdida por la radiación sincrotón es igual a la cantidad de energía que puede poner y en ese punto la partícula ha alcanzado su energía máxima.

Si no crees que los descubrimientos que podemos hacer en física de alta energía son importantes, está bien. Pero si lo hace, debe aceptar eso por el momento que requiere máquinas muy grandes.

OC: ¿Por qué los colisionadores de hadrones no son más pequeños?

OP eliminó el comentario, pero creo que es importante hablar al menos con la primera subpregunta.

“¿No es ese el punto de la ciencia: que los experimentos pueden ser reproducidos por cualquier laico?”

No. La reproducibilidad es útil, ya que ayuda a reducir las posibilidades de error, pero eso es todo. Y un experimento ciertamente no tiene que ser reproducible por un laico. Ese nunca ha sido un componente necesario, y francamente sería absurdo. Un laico no tiene el conjunto de herramientas necesario para llevar a cabo una gran parte de los experimentos que realizan los científicos.

Ahora, en cuanto a la razón por la cual un LHC no se trata de arrogancia.

La respuesta es energía y velocidad. Un colisionador de hadrones es básicamente un gran bucle que arrastra algunas partículas en un círculo. Cada vez que una partícula hace una vuelta, obtiene más y más energía, y va cada vez más rápido. Un colisionador más grande, con un bucle más grande, más bobinas, etc. permite más energía. Y es la cantidad masiva de energía que separa estas partículas en sus componentes básicos.

Por lo tanto, un “SHC” no podría proporcionarnos la misma cantidad de información que un LHC, al menos todavía no. Los científicos están trabajando en la producción de unidades más pequeñas, que puedan impartir las mismas energías, pero todavía no estamos allí, e incluso si pudiéramos producir estos dispositivos, probablemente aún nos gustaría tener un LHC que pudiera producir energías aún más altas para poder conducir Incluso más experimentos.

TL; DR: en última instancia, es la aceleración centrípeta.

Puedes preguntar por qué los conductores de Nascar tienen turnos bancarios tan amplios. Debido a que el movimiento libre de una partícula es una línea recta y para doblar objetos en un círculo, debe acelerarlos hacia adentro. Cuanto más grande es el círculo, más pequeña es la aceleración necesaria.

Detalles técnicos:
La forma más fácil de doblar partículas cargadas es con un imán. El radio de curvatura de una partícula en el campo magnético, generalmente llamado “radio del ciclotrón” es
[matemáticas] R = p / e B [/ matemáticas]
donde p es el momento de la partícula y, e es la carga de la partícula (aquí se supone que es una carga elemental) y B es el campo magnético. Entonces, cuanto mayor es el campo magnético, menor es el radio.

Los aceleradores de partículas requieren que las partículas en colisión tengan mucho impulso. Por lo tanto, necesita un gran campo magnético para doblarlos. La tecnología actual limita que los campos magnéticos se limiten a estar en el rango de 10-30 Tesla. La única forma de evitar esto es hacer un túnel más grande.

Consideraciones adicionales:
Hay un problema adicional para las partículas ligeras como el electrón. Esto se debe a que las partículas de luz pierden energía a la radiación cuando se doblan. El poder perdido está dado por
[matemáticas] P = \ frac {2} {3} e ^ 2 a ^ 2 / c ^ 2 [/ matemáticas]
y usando la formulación de aceleración centrípeta relativista
[matemáticas] a = \ gamma ^ 2 v ^ 2 / R = p ^ 2 / m ^ 2 R [/ matemáticas]
el poder irradiado es
[matemáticas] P = \ frac {2} {3} e ^ 2 p ^ 4 / m ^ 4 R ^ 2 c ^ 2 [/ matemáticas]
Usando la fórmula para el radio de curvatura
[matemáticas] P = \ frac {2} {3} e ^ 4 B ^ 2 p ^ 2 / m ^ 4 c ^ 2 [/ matemáticas]
Entonces, vemos que si desea que el impulso sea grande, desea mantener bajos los campos magnéticos, lo que significa que necesita un radio grande. En la práctica, la potencia radiada es solo un problema para los electrones, que son un factor 2000 más livianos que el protón (y, por lo tanto, los electrones irradian 10 billones de veces más potencia que los protones), pero para los electrones, es un gran problema porque necesita estar continuamente acelerando los electrones para mantenerlos a altas energías.

Esta pérdida de energía es una de las razones por las que existen aceleradores lineales como el que se alojó en SLAC antes de que se reutilizara como un láser de rayos X. El único inconveniente con los aceleradores lineales es que no puedes reutilizar tu haz, si las partículas no chocan, entonces están tostadas (tienes que doblarlas para que vuelvan a colisionar. Si bien es un buen sistema, requiere un acelerador realmente largo porque los campos eléctricos que aceleran las partículas son muy fuertes. SLAC tenía un edificio de 3 km de largo para albergar el acelerador.

De hecho, primero voy a responder la pregunta sobre “por qué un anillo”, ya que se alimentará muy bien en la otra respuesta.

En primer lugar, no todos los aceleradores son anillos. Hay aceleradores de línea recta (o ‘lineal’), por lo que es perfectamente posible. El problema es que terminas usando mucho más espacio si construyes uno en línea recta (aunque hay otras ventajas, por eso la gente lo hace de todos modos). Esencialmente (sin entrar en demasiados detalles complicados), la forma en que funciona un acelerador de partículas es mediante el uso de campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas. Estos aceleradores están integrados en el tubo donde las partículas se deslizan hacia abajo. También puede doblar el camino de estas partículas utilizando campos magnéticos. Al usar campos magnéticos para doblar las partículas en un camino circular, puede enviarlas a través del mismo acelerador muchas, muchas veces. Esto significa que, en lugar de acelerar cada partícula solo una, cada acelerador se usa varias veces. Esto le permite construir un acelerador de partículas de mayor energía en un área más pequeña.

Ahora imagine que las partículas que estamos acelerando son automóviles, y el acelerador de partículas es una carretera circular. Si bien los autos van despacio, pueden girar en esquinas relativamente pequeñas con bastante facilidad. Sin embargo, a medida que los autos aceleran, se hace cada vez más difícil tomar esas curvas a la velocidad que van. A medida que alcanzan sus velocidades máximas, si la esquina está demasiado apretada, simplemente perderán agarre y girarán por el costado de la carretera.

Puede gastar un montón de dinero mejorando el manejo de los automóviles, dándoles un mejor agarre en la carretera, pero en algún momento se vuelve más barato y fácil simplemente hacer que la carretera gire menos bruscamente. El equivalente aquí son los imanes de flexión que ajustan la trayectoria de las partículas. Podrías crear campos increíblemente fuertes para permitir que las partículas se vuelvan un poco más apretadas, pero estas son partículas que viajan a una velocidad cercana a la de la luz. En algún momento, se vuelve más simple y más barato solo para hacer que su acelerador sea un poco más ancho.

¡Espero que eso ayude!

Porque un pequeño colisionador de hadrones sería inútil.

Las partículas en un HC se aceleran continuamente debido a que el HC tiene la forma de un círculo. Una curva más pronunciada significaría una aceleración mayor. Una aceleración mayor significaría que la energía perdida sería mucho más. Esto significaría que la energía de colisión sería menor de lo que necesitamos. Por lo tanto, los grandes túneles.

El punto de la ciencia ‘jodido’ no es que cualquier laico pueda reproducirlo. Es comprender la naturaleza de la naturaleza y producir modelos comprobables y reproducibles que puedan predecir fenómenos futuros. Una gran cantidad de experimentos requieren herramientas especiales para lograr esto. Muchos experimentos involucran láseres de alta energía. Muchos involucran instrumentos que son precisos para una millonésima parte de la unidad. No todos pueden hacer esto.

Y un HC no es una pérdida de dinero. El LHC ha descubierto algunos datos invaluables, cuyo pináculo es el descubrimiento del bosón de Higgs, que podría ser uno de los mayores descubrimientos científicos del siglo XXI.

Debido a limitaciones en la tecnología de electroimán.

En realidad, el LHC está construido en el túnel que anteriormente contenía el LEP (Electron-Positron, por lo que es un colisionador de fermiones). Cuando la tecnología de electroimán había avanzado lo suficiente (imanes superconductores) para doblar los hadrones más pesados ​​en el mismo círculo a las velocidades (energías) necesarias, pudieron construir el LHC en el túnel que fue excavado originalmente para el LEP.

Por supuesto, al CERN le gustaría construir un nuevo túnel ahora que tenga 100 km (en lugar de los 27 km actuales). Estoy todo a favor.

Para completar otras respuestas que son realmente geniales, también hay una densidad de potencia involucrada, lo que significa que hay un máximo en la energía que puede dar a una partícula en un volumen dado.

Es como tratar de hacer pasar una gran corriente eléctrica a través de un cable pequeño, no puede soportarlo. Sería necesario agregar un cable pequeño, por lo tanto, se sacrificaría el espacio. Por eso tenemos calibre de cable AWG 😉

Hay muchos colisionadores más pequeños en laboratorios y universidades, solíamos tener uno en la mía, pero decidieron derribarlo para nuevos edificios.

Lo que pasa es que la energía cinética de las partículas está relacionada con el tipo de partículas que ves después de la colisión, se ha hecho poca energía en los lugares que mencioné anteriormente. Para avanzar en el campo, se necesita una mayor energía. También los detectores más grandes son importantes.

Todo el presupuesto del LHC está en algún lugar cercano al pequeño porcentaje del presupuesto militar de los Estados Unidos, si no recuerdo mal … ¿Experimentar para avanzar en el conocimiento humano o algunos F-35 más? Hmmm …

Simplemente porque doblar más y más partículas cargadas de energía requiere imanes cada vez más potentes (Partículas cargadas en un campo magnético), pero esta potencia está limitada por la tecnología actual. En realidad, en el LHC se utilizan imanes superconductores que crean un campo magnético de 14.5 Tesla, que es el límite de corriente que se puede lograr. Juntos: Electroimanes superconductores Al aumentar la energía se necesitarán colisionadores aún más grandes o campos magnéticos más fuertes.

Los aceleradores están diseñados para lograr colisiones de alta energía de partículas. Ahora, para alcanzar velocidades extremadamente altas, necesitamos acelerarlas durante un período de tiempo más largo. Si una partícula se acelera por un período de tiempo más largo, necesitará recorrer una distancia mayor hasta que alcance la velocidad deseada.

En realidad, no son lo suficientemente grandes como para hacer todo lo que se desea. No, el objetivo de la ciencia no es hacerlo replicable por el laico promedio. Esto no es solo un problema de escala. Existen ciencias a pequeña escala que también son extremadamente complejas que los laicos no pueden hacer. Por cierto, incluso si un colisionador fuera pequeño y barato, la mayoría de los laicos que yo incluyo no tendrían el conocimiento científico para usarlo. Podría estudiar para obtener este conocimiento, pero no sería un laico. Por cierto, ¿de qué idioma se construyó un colisión en su hogar ancestral?

Se necesita mucha energía para enrollar algo a velocidades elevadas, y puede gastar el dinero con muchos imanes pequeños o un imán enorme. El primero es más barato, más fácil de mantener y no te va a molestar.

Debes recordar que se necesita un gran cohete para empujar una lata al espacio, y casi nada para ir a la luna. Mira los tamaños de los pedazos de la misión Apolo.