| Indeks
|
|
|
| Źródło
|
|
|
|
Leon Lederman,
Dick Teresi
BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?
Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Dzień z życia protonu |
|
|
| Dzień z życia protonu
|
|
|
| szystko, co zostało powiedziane w tej części, możemy zilustrować opisem kaskadowego akceleratora należącego do Fermilabu. Składa się on z układu pięciu maszyn, a jeśli liczyć także dwa pierścienie, które służą do wytwarzania antymaterii, to z siedmiu. Cały Fermilab stanowi bardzo skomplikowany układ choreograficzny zawierający pięć akceleratorów, z których każdy jest o stopień wyższy od poprzedniego pod względem osiąganych energii i wyrafinowania. Zupełnie tak, jak ontogeneza będąca rekapitulacją filogenezy (czy czegoś tam innego).
|
| Najpierw potrzebujemy czegoś, co można by przyspieszyć. Wstępujemy do sklepu z narzędziami i częściami żelaznymi i kupujemy butlę sprężonego wodoru. Atom wodoru składa się z jednego elektronu i prostego jednoprotonowego jądra. Protonów z tej butli wystarczy nam na rok pracy Fermilabu. Koszt: około 20 dolarów, nie licząc kaucji za butlę. Pierwszym urządzeniem w kaskadzie jest ni mniej, ni więcej tylko elektrostatyczny akcelerator Cockcrofta-Waltona, projekt z roku 1930. Mimo że jest to najbardziej starożytny ze wszystkich akceleratorów w Fermilabie, wygląda najbardziej futurystycznie. Zdobią go wielkie błyszczące kule oraz obwarzankowate pierścienie, toteż bardzo często bywa fotografowany. W tym urządzeniu iskra odziera atom wodoru z elektronu, pozostawiając nagi proton w zasadzie w stanie spoczynku. Następnie maszyna ta przyspiesza protony do energii 750 keV i kieruje je do drugiego urządzenia – do liniowego akceleratora, zwanego linak, gdzie protony na przestrzeni 160 metrów mijają serię wnęk – szczelin – z polem elektrycznym zmieniającym się z częstością radiową i osiągają energię równą 200 MeV.
|
| Obdarzone tą – godziwą już – energią, protony za pomocą magnetycznego sterowania i ogniskowania przesyłane są do akceleratora wspomagającego – synchrotronu – w którym osiągają energię 8 GeV. I pomyśleć tylko, że już na tym etapie protony dysponują energią wyższą niż uzyskiwana w bewatronie w Berkeley, pierwszym akceleratorze przyspieszającym do energii liczonej w GeV. A przed sobą mamy jeszcze dwa pierścienie. Nasza porcja protonów wędruje teraz do głównego pierścienia – do „dwusetki” o obwodzie równym mniej więcej 6,5 kilometra. W latach 1974–1982 „dwusetka” pracowała na poziomie 400 GeV – dwukrotnie wyższym od tego, dla którego została zaprojektowana. Ten główny pierścień był pociągowym koniem kompleksu Fermilabu.
|
| Po podłączeniu tewatronu w roku 1983 życie „dwusetki” stało się trochę lżejsze. Obecnie doprowadza protony tylko do 150 GeV i przesyła je do nadprzewodzącego pierścienia tewatronu. Obie maszyny mają identyczny promień i leżą jedna nad drugą; tewatron około metra pod „dwusetką”. Normalnie w tewatronie cząstki o energii 150 GeV, prowadzone przez magnesy nadprzewodzące, wykonują 50 tysięcy okrążeń w ciągu sekundy, zyskując za każdym okrążeniem około 700 keV, aż po mniej więcej dwudziestu pięciu sekundach osiągają energię 900 GeV. W tym czasie magnesy zasilane prądem 5000 amperów zwiększyły natężenie pola magnetycznego do 4,1 tesli, czyli ponad dwukrotnie więcej, niż można osiągnąć za pomocą żelaznych magnesów. A energia potrzebna do utrzymania prądu 5000 amperów jest w przybliżeniu równa zeru! Technologia stopów nadprzewodzących wciąż się rozwija. Technologia zastosowana w tewatronie została znacznie ulepszona, tak że w SSC pole magnetyczne będzie miało natężenie równe 6,5 tesli, a CERN prowadzi wytężone badania, by osiągnąć pole sięgające 10 tesli, stanowiące przypuszczalnie nieprzekraczalną granicę dla stopów niobu.
|
| W roku 1987 odkryto nowy rodzaj nadprzewodnictwa, który występuje w materiałach ceramicznych i pojawia się już w temperaturze ciekłego azotu. Odkrycie to wzbudziło wielkie nadzieje na rychły nowy przełom – możliwość stosowania tanich nadprzewodników na masową skalę. Jednak jak dotąd nie opracowano metod otrzymywania silnych pól magnetycznych w tych materiałach i nikt nie potrafi przewidzieć, kiedy zastąpią one stopy niobu i tytanu i czy w ogóle jest to możliwe.
|
| W tewatronie maksymalne pole magnetyczne wynosi 4,1 tesli. Przyspieszone protony zostają wprowadzane przez siły elektromagnetyczne na orbitę prowadzącą je do tunelu, gdzie dzielą się na 14 wiązek. Tu właśnie zespoły eksperymentatorów ustawiają tarcze do bombardowania oraz detektory. Około tysiąca fizyków pracuje nad doświadczeniami z nieruchomymi tarczami. Urządzenie pracuje cyklicznie. Cały proces przyspieszania zajmuje około 30 sekund. Potem wiązka jest „rozciągana” przez następne 20 sekund, aby nie zaciemniać doświadczenia zbyt wielką ilością cząstek naraz. Taka sekwencja powtarza się co minutę.
|
| Wiązka cząstek wychodząca z akceleratora jest bardzo silnie zogniskowana. Przeprowadziliśmy kiedyś pewien eksperyment w Centrum Protonowym, gdzie wiązka wydostaje się z akceleratora, jest ogniskowana i nakierowywana na tarczę odległą o 2,5 kilometra. Nasza tarcza miała ćwierć milimetra szerokości – ot, grubość żyletki. Protony uderzają w tę cienką krawędź co minutę, dzień po dniu, przez bardzo wiele tygodni i nigdy nie odchylają się od środka tarczy o więcej niż znikomy ułamek jej szerokości.
|
| Można też zupełnie inaczej wykorzystywać tewatron, a mianowicie do zderzania ze sobą cząstek. To jest zupełnie inny sposób używania tego urządzenia, więc poświęcę mu trochę czasu. Polega to na tym, że cząstki rozpędzone do energii 150 GeV krążą w tewatronie i czekają na antyprotony, które w odpowiednim momencie dostarczane są do tej samej komory i krążą w pierścieniu w przeciwnym kierunku. Gdy obie wiązki znajdą się już w tewatronie, zaczynamy zwiększać moc elektromagnesów i przyspieszamy wszystkie cząstki. (Za chwilę omówię to dokładniej).
|
| W każdej fazie tego procesu komputery kontrolują magnesy i układy częstości radiowej, dbając o to, by protony były skupione w wąską wiązkę i całkowicie pod kontrolą. Czujniki przekazują informację o prądach, napięciach, ciśnieniach, temperaturach, położeniu protonów i najnowszych notowaniach na giełdzie papierów wartościowych. Jakakolwiek usterka mogłaby sprawić, że protony wytrysną z rury próżniowej, wywierciwszy w niej bardzo elegancki i kosztowny otworek. Nie doszło nigdy do czegoś podobnego – przynajmniej na razie.
|
|
| |
|
