Parikler og partikkelkollisjoner
Et prosjekt i 2Fy på videregående skole. Her kan du lære mye om partikkelfysikkens rare verden.
Skrevet av Glenn, Maziar og Eivind.
Thomsons oppdagelse: elektronet
Nøytrinoet, en eksotisk partikkel
Summering: elektron, muon, tau og nøytrino
Alt som noensinne er observert består av kvarker, leptoner eller kraftpartikkel
Hvordan blir kvarker brutt ned?
Det var en ustyrlig mengde lag!
Kommer ikke kjernen snart for en dag?
Nei - Gud om den gjør! Til det innerste indre
er alt sammen lag, - bare mindre og mindre. –
Naturen er vittig!
Ordene tilhører Henrik Ibsen og kan på en måte symbolisere noe av problematikken rundt forskning på partikler. Man finner stadig nye og mindre enheter og finner ut hva verden og jorda egentlig er bygd opp av. Noe av dette arbeidet er gjort på CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), verdens største forskningssenter for partikkelfysikk. Her bor forskere og studenter fra hele verden. Det er et europeisk samarbeid, og har 20 medlemsstater, deriblant Norge.
Ved CERN og andre forskningssentre, som DESY i Hamburg og SLAC i California, har man oppdaget stadig nye partikler. For å gjøre dette har det blitt bygget akseleratorer, som brukes til blant annet å kollidere partikler. Funnene har gitt oss mange svar, men hver gang noe nytt kommer for dagen, er et annet problem like rundt hjørnet.
I denne oppgaven skal vi skrive en del om forskjellige typer partikler og grupper og videre vil vi skrive om partikkelkollisjonene og akseleratorer og til slutt litt om detektorene. På den måten kan vi vise hvordan nye partikler blir ”funnet”, og hvordan vi har oppdaget så mye innen partikkelfysikken.
Partikler
Verden rundt oss består ikke av jord, luft, ild og vann, som det ble trodd i tidligere tider. Alt vi ser og tar på, til og med oss, består av to typer partikler; leptoner og kvarker, som går under fellesnavnet fermioner. I tillegg til disse finnes det noen partikler som kalles kraftformidlere eller bosoner. Alle partikler har også sin antipartikkel, disse blir angitt med en sterk over partikkelens symbol, og her akkurat lik masse og spin, men motsatt ladning. Noen elektrisk nøytrale bosoner er sine egne antipartikler, som for eksempel γ og Z0, men ikke
Elektrisk ladning blir målt i deler av protonets ladning. I SI enheter er den elektriske ladningen til et proton lik
Energienheten i partikkelfysikk er elektronvilt (eV), som er energioverskuddet av et elektron som krysser en potensial differanse på en volt. Masse blir gitt i GeV/c2, hvor
Den største forskjellen mellom fermioner og bosoner, er at fermioner adlyder ”The Pauli Exlusion Principle”. Dette prinsippet sier at to fermioner i samme system ikke kan inneha den samme tilstanden samtidig. Bosoner, på en annen side, er styrt av fet motsatte som gjør at det er ganske sannsynlig at de har den samme tilstanden. Som en følge av dette, vil bosoner prøve og inneha den tilstanden i systemet med lavest mulig energi. De spesielle egenskapene til en laser blir oppnådd ved hjelp av denne effekten; i en laserstråle, mange fotoner er i akkurat den samme tilstanden.
|
|
Fermion |
Boson |
|
Fundamental |
q = kvark <bilde> |
<bilde>
<bilde> <bilde> |
|
Sammensetning |
<bilde> |
<bilde> |
Litt historie: fermioner og bosoner er oppkalt etter den italienske fysikeren Enrico Fermi (1901 – 1954), og den indiske fysikeren Satyendra Nath Bose (1894 – 1974). Begge studerte de statistiske egenskapene til grupper av partikler. Fermi og kollegaene gjorde viktige oppdegelser med nøytroner, og fikk for dette nobels fredspris i 1938. Fermi var en pioner innen partikkelfysikk. I begynnelsen møtte Bose store hindre i å få sine teorier akseptert for publikasjon, han sendte så sine papirer til Albert Einstein, som personlig oversatte dokumente til tysk og fikk dem utgitt.
Leptoner
Thomsons oppdagelse: elektronet
J. J. Thomson ville aldri oppdaget elektronet, eller i det hele tatt blitt en fysiker, hvis hans mor hadde hatt råd til å betale for hans lærlingperiode som ingeniør. Så i stedet utdannet han seg som matematiker på Cambridge University, og innen 1880 jobbet han på Cavendish Laboratory, hvor han innledet en livslang studie på katodestråler. Selv om katodestråler hadde vært kjent siden 1858, debatterte fysikere fortsatt om det var en form for stråling, eller en strøm av negativt ladde partikler. For å bevise det siste, viste Thomson at katodestråler ble avbøyd av elektriske felt og magnetfelt. Han fikset på de to feltene slik at avbøyingen ble opphevet, og så bestemme hastigheten. Når han kombinerte denne informasjonen med den målte avbøyingen på grunn av det elektriske feltet. Med dette hadde han nok informasjon til å bestemme forholdet mellom ladningen e og massen m for denne partikkelen. Thomsons verdi for e/m var mye større enn for noe annen partikkel kjent på den tiden, spesielt hydrogen ionet. Ved moderne eksperimenter vet vi at dette forholdet er 1837 ganger større enn ved et proton. Thomson gikk ut i fra at e var den samme, så massen til denne partikkelen måtte være ekstremt liten. Ordet elektron hadde tidligere vært brukt av G. J. Stoney i 1874 i en annen sammenheng, men ble fort sett i sammenheng med Thomsons partikkel. De fleste partikler som har blitt funnet etter elektronet, har vist seg å være sammensatte partikler bestående av mindre deler, men man tror fortsatt at elektronet er fundamentalt. Thomson mottok nobel prisen i 1906.
Elektron nummer to?
Helt uten videre oppdaget fysikerne ett nytt elementærpartikkel i 1937. Dette såkalte muonet (μ) var veldig likt elektronet. Den store forskjellen var at det var mye tyngre, slev om det størrelsesmessig var ganske likt. Etter oppdagelsen lurte folk på hvorfor det tilsynelatende fantes en kopi av elektronet, bare med 200 ganger mer masse. Fysikeren I. I. Rabi kom med uttalelsen ”hvem har bestilt dette?”
Hvis ikke dette var nok, fant Martin Perl, som jobbet på SLAC, enda en versjon av elektronet, som han kalte tau (τ). Denne partikkelen hadde 20 ganger massen til muonet og 3000 ganger massen til elektronet. Martin Perl fikk i 1995 nobels pris for den uventede oppdagelsen av tau.
Muonet ble oppdaget i kosmisk stråling; tau ble oppdaget i SLAC akseleratoren. Elektronet, muonet og tau blir nå regnet som medlemmer i en klasse partikler som blir kalt leptoner. Det er mulig at det eksisterer leptoner med andre elektriske ladninger som har masser for store til å bli funnet med den energien som er tilgjenglig i dagens akseleratorer.
Nøytrinoet, en eksotisk partikkel
At nøytrinoet fantes, ble først slått fast i 1930. Fysikere hadde observert at ved radioaktiv β-stråling inne i atomkjernen, endret et nøytron seg til et proton etter formelen
Det første foreløpige signalet på en nøytrinoprosess
Det er tre typer nøytrinoer, elektron-nøytrinoet, muon-nøytrinoet og tau-nøytrinoet (νe, νμ, ντ). Som navnene indikerer, er hvert nøytrino i nær slekt med de samsvarende leptonene Eksperimenter ved SLAC og CERN viser at det bare finnes tre nøytrinoer med lav masse, men utelukker ikke at særskilt massive nøytrinoer også kan finnes. Nøytrinoer påvirker hverandre så lite at de ikke danner sammensatte objekter. De blir ikke påvirket av elektromagnetiske eller sterke krefter, bare av svake krefter og gravitasjon.
Fundamentale krefter
De fundamentale kreftene som vi vet om i dag er
- Gravitasjon
- Svak
- Elektromagnetisk
- Sterk
Summering: elektron, muon, tau og nøytrino
Elektronet, muonet og tau har en negativ elektrisk ladning på -1 og ingen sterk kraft. De er veldig like i de fleste grunnleggende egenskapene, uten om at de har forskjellig masse.
I tilleg til disse ladde partiklene, har nøytrinoer ingen elektrisk ladning og en astronomisk liten masse. Uttrykket lepton beskriver en samling partikler hvor elektronet, muonet, tau og tre nøytrinoer er inkludert.
For hver type ladd lepton, finnes det et korresponderende nøytrino. For hvert lepton finnes det en antipartikkel: for e-, er det e+, for μ-, μ+, og for τ-, τ+. Antielektronet, e+, blir også kalt et positron. Antinøytrinoer blir denotert med en stripe, som i
Alt som noensinne er observert består av kvarker, leptoner eller kraftpartikkel
Kvarker og leptoner er de fundamentale delene av masse. Det finnes også partikler som blir assosiert med hver av de fundamentale kreftene.
Nedbrytning av leptoner
Elektroner og nøytrinoer er de eneste stabile leptonene, det vil si at det ikke er noen kjent prosess hvor de forsvinner og to eller flere partikler med laver masse oppstår i stedet. De mer massive leptonene kan ikke bli funnet i ordinær materie fordi de brytes ned ekstremt fort via påvirkning av de svake kreftene til lettere leptoner, og noen ganger noen ganger kvarker og antikvarker. Livstida til muon er 2x10-6 sekunder, og livstida til tau er 3x10-13 sekunder.
Verdens fysikk, kjemi og biologi ville sett helt annerledes ut hvis noen av disse partiklene ikke ble brutt ned. Det omvendte er også sant; hvis det fantes en kraft som kunne forårsake nedbrytning av protoner, selv med en halveringstid på en million år, ville ikke vi vært her for å diskutere dette.
Man kan spørre etter hvilken kraft som kan bryte ned muon og tau til partikler med mindre masse. Ved å observere mange forskjellige prosesser ag måle verdiene deres, lærer man at den elektromagnetiske kraften aldri endrer en partikkel fra en type til en annen. Derfor er elektromagnetisk kraft aldri med i nedbrytning av en fundamental partikkel (men kan være med i kompositt-partikler). Gjennom eksperimenter finner vi ut at leptoner blir nedbrutt via den svake kraften.
Mesoner og baryoner
Selv om leptoner ble oppdaget umiddelbart, ble andre fundamentale partikler (kvarker) oppdaget ved å studere egenskapene til hadroner (partikler som protoner, nøytroner, og pioner). Man visste ingenting om kvarker inntil perioden i 1950-årene og tidlig på 60-tallet. denne perioden blir av og til referert som ”the particle population explosion”, fordi mer enn 100 hadroner ble oppdaget i denne perioden. Fysikerne observerte at de hadronene de fant, passet inn i to kategorier: mesoner og baryoner. Deres egenskaper ser ut til å være svært forskjellige.
Fysikerne begynte så å se visse mønstre blant de mange partiklene, men disse var vanskelige å forstå inntil kvarkmodellen ble foreslått i 1964. Da ble det også lettere å forstå mesonene og baryonene.
En avgjørende spådom
Det var veldig imponerende at kvarkmodellen kunne forklare hvert eneste meson og baryon som hadde blitt oppdaget. Men modellen spådde også enda en partikkel. Den spådde en type partikkel som aldri før hadde blitt observert: et baryon lagd av tre strange-kvarker (qqq), kalt omega-minus, Ω-. Fysikere begynte umiddelbart å lete etter denne partikkelen, og etter et par måneder fant de den. Omega-minus oppdagelsen var for å bygge opp under kvarkenes eksistens. Noen år senere oppdaget man mesoner med enda større masse. Dette var et tegn på at de inneholdt nye kvarker som selv var svært massive. (charm og bottom kvarkene).
Vi har sett at alle mesoner og baryoner er kjent som kompositt partikler bestående av kvarker. Kvarker er som leptoner grunnleggende masse-partikler. Den største forskjellen mellom kvarker og leptoner, er at kvarker blir påvirket av den sterke kraften, som binder den sammen til kompositt partikler, som protoner og nøytroner. Leptoner på en annen side blir ikke påvirket av den sterke kreften, og kan derfor være enkeltstående objekter.
Kvarker har brøkdels ladning
Gell-Mann og Zweigs kvarkmodell var en dristig hypotese, ikke bare hevdet den at disse nye fundamentale partiklene fabtes, men den sa også at disse partiklene hadde brøkdels elektriske ladninger(de fleste hadde +1, 0 eller -1).
Gell-Mann og Zweig foreslo at kvarker hadde en elektrisk ladning på enten
Det meste av materien rundt oss, er bygd opp av de to kvarkene med lavest masse og ladningene
Kvarker har farger
Standardmodellens teori om disse sterke kreftene implisere at hver kvark bærer en av tre typer sterk ladning, også kalt ”farge” ladning. En antikvark har en av de tre komplementære farge (også kalt antifarge) ladning.
Navnet ”farge” har ingenting å gjøre med fargene til synlig lys. Ingen observerte partikler laget av kvarker har fargeladning, i stedet er alle nøytrale. Det er to måter til å lage farge-nøytrale kombinasjoner av kvarker.
1. En kombinasjon av kvark og antikvark blir kalt mesoner. Motsatte farger tiltrekker hverandre. Når det er like sannsynlig at hver farge og antifarge er til stede i kvantetilstanden, er det farge-nøytralt.
Hvordan er en sånn tilstand mulig? Tenk deg en tilstand som er en rød kvark og en antirød antikvark. Ved å utveksle et gluon-partikkel, blir dette en grønn-antigrønn kombinasjon. En utveksling til kan bytte det til en blå-antiblå kombinasjon. Hver farge-antifarge kombinasjon er jevnt sannsynlig, og systemet bytter fra en til en annen for alltid.
2. Kombinasjoner av tre kvarker blir kalt baryoner. Tre forskjellige farger, eller tre forskjellige antifarger vil tiltrekke seg hverandre og forme et system som er farge-nøytralt. I et baryon har hver kvark en forskjellig farge av de tre mulige.
Frem til utviklingen av standardmodellens teori om sterke krefter, kunne en ikke forklare hvorfor kvarkene bare kombinerte seg til tre kvarker (baryoner) og to kvark-antikvark kombinasjoner (mesoner), og ikke til for eksempel fire kvarker. Nå forstår vi at bare disse er farge-nøytrale kombinasjoner. Partikler, som du, dd eller
I tillegg til elektrisk ladning og farge-ladning, har kvarker en karakteristikk som kalles ”smak”. Hver kvarksmak har et navn (for eksempel up og down) og en egen masse. Jordens vanlige materie består av elektroner, protoner og nøytroner. Protonene og nøytronene består av bare to typer kvarker; up og down.
Er kvarker blitt observert?
Kvarker er bare blitt observert inni hadroner; de er ikke blitt observert isolert, og teorien foreslår at de ikke kan bli isolert. Hva skjer så hvis vi prøver å separere to kvarker? Hadronkollisjoner med høy energi kan bli sett som å kollidere de kvarkene hadronene består av. I enhver prosess som gjør at kvarker flyttes fra hverandre, oppstår det et farge-kraftfelt. Og energien i dette feltet blir bare sterkere jo lenger kvarkene er fra hverandre, og til slutt når energien er stor nok vil den omdannes til en kvark og en antikvark. Dette skjer på grunn av Einsteins formel E=mc2.
Hvordan blir kvarker brutt ned?
Akkurat som hos leptonene, er de mer massive kvarkene svært ustabile, derfor er partiklene som består av dem også ustabile, og de løses opp til partikler med lavere masse. En kvark kan brytes ned til en mindre massiv kvark av en annen ladning, pluss enten en til kvark eller antikvark eller lepton antilepton (hvor en er en nøytrino). Siden verken den elektromagnetiske eller den sterke kraften tillater slike forandringer, må det være den svake kraften som oppererer her.
Elektromagnetiske kraftbærere
Fotonet, et lyskvant, er en av de fundamentale kraftbærerne. Fotonet har ingen ladninger og er derfor sin egen antipartikkel. Fotonet har ikke masse og beveger seg alltid i lysets hastighet. Fotonet er kraftbæreren i den elektromagnetiske kraften, og påvirkningen mellom elektrisk ladde partikler, kan sees på til å være et foton som blir sendt mellom dem. Fotoner kan bli absorbert eller utstrålt av elektrisk ladde partikler.
Kraftpartikkelen til de sterke kreftene blir kalt gluon. Gluoner, akkurat som kvarker, bærer sterk (farge) ladning. Det er åtte mulige sterke ladninger for gluoner, alle med hver sin antipartikkel. Den sterke kraften virker på alle partikler som har sterk ladning, det er på kvarker og til og med gluonet selv. Det at sterke kraftbærere har sterke ladninger selv er en vesentlig forskjell mellom sterke og elektromagnetiske krefter. Akkurat som kvarker kan ikke gluoner observeres isolert. Når en kvark absorberer eller sender ut et gluon, skifter fargen. Kvarkene i et hadron absorberer og sender ut gluoner så fort at fargene endrer stadig. Det er på grunn av dette at vi som regel ikke tar oss bryet til å notere ned fargen. Hadronet fortsetter å være nøytralt uansett hvor mange bytter det foregår mellom kvarkene på innsiden. Man kan ikke se gluoner direkte, siden de ikke blir produsert som frie partikler. Man har likevel funnet sterke bevis på at gluoner finns.
Det er to typer svake kraftbærere, det er de med elektrisk ladning
Gravitasjon
I tillegg til disse tre kreftene har vi gravitasjonen. Man tror at gravitasjonens kraftpartikkel er gravitonet, men det er det fortsatt ingen som har påvist. Dette fordi det har så liten masse og så svak kraft at de andre kraftpartiklene overskygger den. Det er merkelig at vi skal vite så lite om den kraften som påvirker oss mest.
Partikkelkollisjoner
Elektron – elektron:
Når to elektroner kolliderer utveksles det ofte et foton. Etter kollisjonen går elektronene fra hverandre igjen. Prosessen vises på figuren under.
Elektron – positron:
Når et elektron og et positron (et positron er et antielektron) kolliderer, kan de annihilere. Dette skjer ved at partiklene har blitt tilført enorm fart og dermed har høy energi. At en partikkel og en antipartikkel annihilerer, vil si at de utsletter hverandre, og ved reaksjonen frigjøres det store mengder energi.
Etter at partiklene har ”møttes”, dannes det en kraftbærende partikkel, et foton eller en Z-partikkel. Ut i fra disse partiklene oppstår det en sjarmkvark c og en antisjarmkvark c¯.
Kvarkene fortsetter å fjerne seg fra hverandre og jo lenger unna de kommer, jo større blir energien. Feltet mellom kvarkene kalles gluonfelt. Energien blir høy nok til at det dannes nye partikler, nedkvark og antinedkvark.
Sluttresultatet av kollisjonen mellom et elektron og et positron blir D+ og D- mesoner. D-- mesonet består av en antisjarmkvark og en nedkvark. D+- mesonet består av en sjarmkvark og en antinedkvark.
Ved å la en partikkel og en antipartikkel, som her elektronet og positronet kollidere, kan vi få fram nye tunge partikler.
Når elektronet og positronet annihilerer, oppstår det en Z-partikkel. Z-partiklene kan henfalle til (bli til) partiklene som i eksempelet over. Men den kan også henfalle til andre partikler.
Z-partiklene kan henfalle til:
- elektron og positron
- myon og antimyon
- taupartikler
- kvarker
1. Z-partikkelen henfaller til et elektron og et positron igjen.
2. I dette tilfellet henfaller Z-partikkelen til et myon og et antimyon
3. Z-partikkelen blir til taupartikler. Taupartiklene igjen går over til andre partikler. To alternativer for taupartikler:
I: Den ene taupartikkelen går over til et elektron og to nøytrinoer, mens den andre henfaller til et myon og to nøytroner
II: Den ene taupartikkelen henfaller til et myon og to nøytrinoer, mens den andre blir tre hadroner og et nøytrino.
4. For kvarkene finnes det også to alternativer etter at Z-partikkelen har henfalt til en kvark og en antikvark
I: Kvarkene inngår i ”bunter”, såkalte jets. Det blir to
II: En av kvarkene har her sendt ut et gluon tidlig etter at Z-partikkelen har henfalt. Disse er så med i jets. I denne reaksjonen blir det tre jets.
Elektron- proton:
Når et elektron og et proton kolliderer vekselvirker elektronet med en kvark i protonet. Denne virkningen skjer ved utvekslingen av et foton. Ved lave energiverdier vil kvarken ”gå samme vei” som de to andre kvarkene. Hvis vi derimot bruker større energimengder kan protonet brytes opp og det dannes et nukleon og for eksempel pi-mesoner.
Når elektronet har så stor energi vil en del av denne energien via fotonet overføres til den atskilte kvarken, som i sin tur får en annen retning.
I prosessen der et proton og et antiproton kolliderer, vil en kvark fra protonet annihilere med en antikvark fra antiprotonet. Resultatet blir et W-boson. Dette kunne ”bevises” ved at det splittet seg til for eksempel et elektron og et nøytrino, og begge hadde en energi som var halvparten av W-bosonets hvileenergi. De to kvarkene og de to antikvarkene vil slå seg sammen til hadroner.
På jakt etter nye opplysninger om partiklenes struktur og oppbygning, har akseleratorene vært et helt nødvendig hjelpemiddel. Den enorme utviklingen innen partikkel fysikk må sees i sammenheng med utvikling av akseleratorene. På begynnelsen av 1930-årene hadde man akseleratorer som var 2 meter lange, mens den kjente LEP(Large electron positron collider) -akseleratoren ved CERN har en omkrets på 27 km. Med akseleratorenes hjelp har man oppdaget nye partikler og man har kunnet utforske materiens minste bestanddeler.
Akseleratorene kan være et nyttig hjelpemiddel på flere måter. For det første kan man akselerere partikler og på den måten korte ned bølgelengden. Da kan forskerne se inn i atomene. Det andre, og som vi skal ta for oss, er at partikler kan bli akselerert og kollidert og i denne prosessen vil nye partikler bli skapt.
Det finnes to typer akseleratorer; en sirkelformet og en rett.
Det første som skjer, er at partiklene blir akselerert i elektriske felt. I ringformede akseleratorer blir strålene av partikler avbøyd ved hjelp av gigantiske magneter, slik at de kan følge sirkelbanen helt rundt. For hver ny runde får partiklene litt høyere energi. De nyeste akseleratorene har et system slik at partikler kan gå i motsatte retninger i ringen. Man kan også da styre hvor man vil at partiklene skal kollidere. Med dagens teknologi kan partikler bli akselerert slik at de får en energi på flere GeV (Giga-elektronvolt). De nærmer seg da lysets hastighet.
De rettlinjede akseleratorene brukes på tre forskjellige områder. Den første metoden er at man bruker de til å ”treffe” bestemte mål og den andre til at man bruker den for å kjøre partikler inn i de sirkulære akseleratorene. Det tredje bruksområdet er enkelt og greit som en kollisjonsmaskin.
Den sirkelformede akseleratoren brukes enten for å kollidere partikler eller for å sende ut strålene av partikler som skal treffe et bestemt mål.
Partiklenes enorme bevegelsesenergi går over til masse i det de kolliderer med en annen partikkel. Akseleratorene brukes med det for å skape nye, tunge partikler.
De viktigste akseleratorene (Fra Fysikknett)
|
Akselerator |
Beliggenhet |
Oppdagelse |
|
SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) |
California, USA |
Sjarm-kvarken Tau-leptonet |
|
Fermilab (Fermi National Laboratory Accelerator) |
Illinois, USA |
Bunn- og toppkvarkene (b og t) Tau-nøytrinoet |
|
CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) |
Grensa mellom Frankrike og Sveits |
W- partiklene Z-partiklene |
|
BNL (Brookhaven National Lab) |
New York, USA |
Sjarm-kvarken samtidig som SLAC |
|
CESR (Cornell Electron-positron Storage) |
New York, USA |
Studier av bunnkvarken |
|
DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) |
Hamburg, Tyskland |
Gluonet |
|
KEK (Deutsches Elektronen-Synchrotron) |
Japan |
Stor produksjon av B-mesoner |
|
IHEP (Institute for High-Energy Physics) |
Beijing, Kina |
Studier av tau-leptonet og sjarm-kvarken |
LEP og LHC
Den tidligere største akseleratoren, LEP, var å finne i CERN. Den var i bruk fram til 2000. Da fant man ut at man skulle gi plass for en annen akselerator, LHC (Large Hadron Collider). I den nye akseleratoren skal protoner kollidere med hverandre, mens det i LEP- akseleratoren var elektroner og positroner som ble kollidert. LHC skal stå ferdig i 2007. Kollisjonene mellom protoner gir energi over 10 TeV (terra-elektronvolt).
DETEKTORER
Å skape kollisjonene i akseleratorene er èn ting. Å få noe fornuftig ut av det, er noe helt annet. Detektorene består av forskjellige deler, hver med sin oppgave. Resultatene samles og tolkes av regnemaskiner, som da gir informasjonen til forskerne som følger med. Spordetektor, kalorimetre og myondetektorer er de hovedtypene detektorer, der de to første er klart viktigst.
Detektorer brukes både i partikkelkollisjonsforsøk og i eksperimenter der partiklene treffer faste mål.
fast mål
partikkelkollisjon
Når partikler kolliderer, dannes det skurer av partikler som sprer seg. Derfor bygges detektorene sylinderformet, og den blir plassert på en sånn måte at kollisjonen skjer midt inni, noe som er logisk i og med at partiklene går til alle kanter. Skurene setter spor etter seg i detektorene, som da kan brukes for å finne ut hvilke partikler som var med i kollisjonen.
Detektor
Spordektorer:
Det første ”laget” partiklene møter, er spordetektoren. Den kan deles inn i to hovedtyper igjen: halvlederdetektorer og trådkammere. Halvlederdetektoren er bygd opp av en halvleder, mens trådkammerne er konstruert slik at det er tråder som er oppspunnet i kammere med gass. I spordetektorer merkes kun ladde partikler, mens nøytrale partikler bare fortsetter rett igjennom, og i detektoren vises partiklenes baner og spredningsvinkler.
Kalorimetre:
Kalorimetrene er delt i to: et elektromagnetisk kalorimeter og et hadronkalorimeter. EM- kalorimeteret kommer først. Her kan energien til elektroner, positroner og fotoner måles. Dette kalorimeteret er blant annet bygd opp av bly. Her er det en elektromagnetisk veskelvirkning som skaper de ”nye” paritiklene
Hadronkalorimeteret måler energien til hadroner, som er bygd opp av kvarker.
H-kalorimeteret er ganske likt EM- kalorimeteret, men er ofte bygd opp av jern. Hadronene kommer mye lenger før de blir tatt opp, og derfor er H-kalorimeteret mye tjukkere enn EM-kalorimeteret. Her er det en sterk vekselvirkning som skaper de nye partiklene.
Når partiklene kommer inn i kalorimeterne kolliderer de med det tjukke materialet, noe som fører til at det dannes nye skurer som går i mange forskjellige retninger. Kalorimeteret er derfor plassert utenfor spordetektoren slik at partiklenes bane allerede er ”lest av”.
Myondetektor:
Myoner og nøytroner er de eneste partiklene som kommer så langt ut i detektoren. Myondetektoren er ganske lik hadronkalorimeteret, og er bygd opp av jern og trådkammer. I kammer er det myonet som vekselvirker med jernet og skaper nye partikler.
DELPHI:
DELPHI- detektoren var en av de fire store detektorene i LEP- akseleratoren. Den var 10 meter i diameter og veide 3500 tonn. Mellom EM-kalorimeteret og Hadron-kalorimeteret i fantes det også en stor magnet. Den fungerte slik at partikler ble avbøyd og deres ladning og bevegelsesmengde kunne bestemmes.
ATLAS er samme type detektor som DELPHI, og er bygd opp på likt vis. Den er bare mye større. Når den er ferdigstilt vil den være 22 meter høy og 44 meter lang. Den skal brukes til den nye akseleratoren LHC.
J. J. Thomson fant elektronet like før 1900. I dag, kun drøyt hundre år senere, har vi oppdaget en mengde nye partikler, som har gitt oss et innblikk i hvordan universet er bygd sammen på det mest mikroskopiske nivå. For å ”oppdage” nye elektroner, har forskerne fra 1950-tallet tatt i bruk akseleratorer og detektorer. Ved hjelp av disse tekniske vidundere, har vi fått svar på mange gamle, uløste gåter. Utviklingen har skutt fart, og ingen kan vel være helt sikre på hvor vi vil ende?
En ting er i hvert fall sikkert. Jordas hemmeligheter er mange, og vil antagelig aldri finne svar på alt. Men ved hjelp av kunnskapen, teknologien og økende samarbeide mellom land i verden, vil vi komme langt på vei. Men er det kanskje slik som Ibsen sa, at alt bare er en mengde lag?
Begrensningens kunst er ofte vanskelig. Dette blir svært tydelig når en skal jobbe med en slik oppgave. Vi bestemte oss tidlig for å skrive om partikkelkollisjoner, og vi syns vi har lært noe nytt under hele perioden prosjektet har pågått. Det må sies at vi fikk vel mye om de forskjellige partiklene, i stedet for bare om kollisjoner, noe som er kritikkverdig. Derfor valgte vi å forandre oppgaven litt, til ”Partikler og partikkelkollisjoner”.
Partikkelfysikken og alle dens hjelpemidler kan bidra på veien framover, for å løse nye mysterier og gi flere svar, blant annet rundt temaet antimaterie. Målet er fjernt der borte, men ingenting er umulig…
ERGO Fysikk, 2FY, lærebok,
Aschehoug og Gyldendals store norske leksikon, 1996, bind 1 og 4
Barnet, Mühry og Quinn ”The charm of strange quarks”, Springer-Verlag, New York. Inc. 2000
http://www.fys.uio.no/epf/adventures/particleadventure_2.1/
frameless/modern_detect.html
http://www.fys.uio.no/cern50.html
Tu.no (teknisk ukeblad på nett)
http://www.futurama.no/forskning.no/Artikler/2005/april/1111486983.91
Legg inn din tekst!
Vi setter veldig stor pris på om dere gir en tekst til denne siden, uansett sjanger eller språk. Alt fra større prosjekter til små tekster. Bare slik kan skolesiden bli bedre!
Last opp tekst