¿Qué pasaría si el haz de protones del LHC estuviera expuesto al aire?

Hay dos efectos que ocurren cuando un protón de alta energía atraviesa el medio material (como el aire):

  1. excita e ioniza las moléculas del medio, desde el punto de vista macroscópico este proceso es continuo, es decir, la partícula pierde energía lentamente dejando un rastro de moléculas ionizadas y excitadas
  2. ocasionalmente el protón colisionará con un núcleo atómico, creando una pulverización de partículas secundarias. Las energías de esas partículas secundarias son obviamente más bajas que la energía del protón incidente, pero aún así son bastante altas. Algunos de ellos se descompondrán, otros colisionarán con otros núcleos y producirán aerosoles de partículas de energía aún más bajas … se desarrollará algo que llamamos una “ducha hadrónica”.

Ahora, para cuantificar un poco: supongamos que un solo grupo LHC de 100 mil millones de protones a 6.5 TeV se envía al aire, a temperatura y presión normales. El haz de protones está lo suficientemente enfocado como para ionizar completamente el aire a su paso, por lo que al principio probablemente verá una delgada línea brillante (el brillo proviene de la desexcitación y la recombinación de moléculas de gas excitado e ionizado). La longitud media de la trayectoria de un protón en el aire antes de sufrir una colisión con algún núcleo es, si no me equivoco, de unos 500 m. Eso significa que a través de los protones originales se perderían continuamente del rayo, incluso después de un kilómetro todavía habrá 1 / e ^ 2, o muy por encima de 10 mil millones de ellos restantes. Por lo tanto, necesitará muchos kilómetros de aire para que la intensidad del haz caiga a niveles insignificantes, como debajo de un millón de partículas.

Sin embargo, este no es el final de la historia, las partículas secundarias de la colisión nuclear también continuarán. Debido a la alta energía del protón inicial y, por lo tanto, al fuerte impulso relativista de las partículas producidas, inicialmente viajarán muy cerca del haz original. Una ducha iniciada por un solo protón probablemente sería real como una longitud de 5 km, fluctuando fuertemente de una ducha a la siguiente debido al carácter estocástico del proceso de desarrollo de la ducha. Las direcciones de las partículas secundarias comenzarán a desviarse más fuerte de la dirección del haz a medida que las energías de las partículas de la ducha caen, por lo que la energía se depositará en un área más grande a medida que el haz avanza por el aire. Finalmente, el ancho de cada ducha será como unos cientos de metros, nuevamente con fuertes fluctuaciones.

Finalmente, toda la energía del grupo, whis es de aproximadamente 100 kJ, se transformará en luz y calor (para ser precisos, una fracción, como un pequeño porcentaje, se escapará como neutrinos). Como este depósito se distribuye a lo largo de una gran distancia (muchos kilómetros), no estaría cerca de una explosión. Probablemente solo habrá un fuerte crack. Y, debido a toda la radiación secundaria, me gustaría estar al menos a unos cientos de metros del rayo (en dirección transversal) cuando tal cosa suceda.

El haz utilizado en el LHC es un puñado de protones (bueno, hadrones). Si estuviera expuesto al aire, colisionaría con las enormes moléculas de aire y agua y sería destruido.

Una buena ducha hadronica.

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