Ο LHC ως επιταχυντής φωτονίων

Posted on 02/09/2014

0


O ανιχνευτής CMS

O ανιχνευτής CMS στο CERN

Ναι καλά διαβάσατε: επιταχυντής φωτονίων.

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) είναι γνωστός για τις συγκρούσεις πρωτονίων. Η ενέργεια από αυτές τις συγκρούσεις μετατρέπεται σε ύλη, με την παραγωγή νέων σωματιδίων, η μελέτη των οποίων μας επιτρέπει την κατανόηση των μυστηρίων του σύμπαντος.

Στον LHC δημιουργούνται δέσμες πρωτονίων, η κάθε μια περιέχει 100 000 000 000 πρωτόνια, και όταν συγκρούονται στο κέντρο του ανιχνευτή CMS (Compact Muon Solenoid), μόνο ένας μικρός αριθμός πρωτονίων – περίπου 25 – συγκρούεται μεταξύ τους. Τα υπόλοιπα πρωτόνια συνεχίζουν την κίνησή τους μέσα στον LHC ανεμπόδιστα, μέχρι την επόμενη διασταύρωση – σύγκρουση.

Μερικές φορές συμβαίνει κάτι πολύ διαφορετικό. Καθώς τα πρωτόνια επιταχύνονται από τον LHC, εκπέμπουν φωτόνια, τα κβάντα του φωτός.

Αν δυο πρωτόνια που κινούνται μέσα στον CMS προς αντίθετες κατευθύνσεις, πολύ κοντά το ένα στο άλλο, εκπέμψουν φωτόνια, υπάρχει η πιθανότητα να συγκρουστούν μεταξύ τους (τα φωτόνια) και να παράγουν νέα σωματίδια – όπως ακριβώς γίνεται και στις συγκρούσεις μεταξύ των πρωτονίων.

Τα δυο μητρικά πρωτόνια παραμένουν εντελώς άθικτα, εκτός από την ανάκρουσή τους εξαιτίας της αλληλεπίδρασης φωτονίου – φωτονίου. H ανάκρουση των πρωτονίων προκαλεί μια μικρή εκτροπή από την αρχική τους τροχιά, αλλά η κίνησή τους συνεχίζεται κανονικά στον LHC.

Μπορούμε να καταλάβουμε ότι έγινε η αλληλεπίδραση των φωτονίων, εντοπίζοντας την απόκλιση των πρωτονίων!

Έτσι, ο LHC μπορεί έμμεσα να λειτουργήσει ως επιταχυντής φωτονίων, ανοίγοντας νέους δρόμους στην έρευνα των στοιχειωδών σωματιδίων.

Μια τέτοιου είδους παρακολούθηση των πρωτονίων δεν έγινε δυνατή μέχρι σήμερα στον LHC.

Όμως ένα νέο ερευνητικό πρόγραμμα που ονομάζεται CMS-TOTEM Precision Proton Spectrometer (CTPPS) θα μας επιτρέψει σύντομα να μελετήσουμε αυτές τις σπάνιες συγκρούσεις. Το νέο αυτό πρόγραμμα συνδέει τις δυο ερευνητικές ομάδες του CERN, CMS και TOTEM, που είχαν συνεργαστεί και στο παρελθόν κατά την διάρκεια των συγκρούσεων πρωτονίων – μολύβδου το 2013.

Το CTPPS θα τοποθετηθεί σε κάθε πλευρά του ανιχνευτή CMS, 200 μέτρα μακριά από το σημείο αλληλεπίδρασης στο κέντρο του ανιχνευτή.

Η φυσική από την μελέτη συγκρούσεων φωτονίων

Η φυσική των συγκρούσεων φωτονίων έχει μπει στο προσκήνιο εδώ και πολλές δεκαετίες. Σε μια συνάντηση φυσικών το 1978, είχε συζητηθεί αυτή η προοπτική μελέτης τέτοιων συγκρούσεων από τον προκάτοχο του LHC, τον LEP, ο οποίος λειτούργησε ως επιταχυντής ηλεκτρονίων – ποζιτρονίων από το 1989 έως το 2000.

Ένας από τους στόχους του πειράματος CTPPS είναι το να μελετήσει ο ανιχνευτής CMS αλληλεπιδράσεις στις οποίες δυο φωτόνια μετά την σύγκρουσή τους παράγουν δυο μποζόνια W, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα Feynman:

Πρωτόνια εκπέμπουν φωτόνια, τα οποία αλληλεπιδρούν παράγοντας μποζόνια W. Με το πρόγραμμα CTPPS, ο ανιχνευτής CMS θα μπορέσει να μελετήσει το κατά πόσον τέτοιες αλληλεπιδράσεις είναι συμβατές ή όχι με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων με δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη ακρίβεια απ’ ότι στο παρελθόν.

Πρωτόνια (p) εκπέμπουν φωτόνια (γ), τα οποία αλληλεπιδρούν παράγοντας μποζόνια W. Με το πρόγραμμα CTPPS, ο ανιχνευτής CMS θα μπορέσει να μελετήσει το κατά πόσον τέτοιες αλληλεπιδράσεις είναι συμβατές ή όχι με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, με δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη ακρίβεια απ’ ότι στο παρελθόν.

Το πείραμα CTPPS θα έχει τη δυνατότητα να ερευνήσει για νέα σωματίδια με μάζες πάνω από 200 GeV (υπενθυμίζεται ότι η μάζα του μποζονίου Higgs που ανιχνεύθηκε πριν από δυο χρόνια ήταν περίπου 125 GeV).
To CMS-TOTEM Precision Proton Spectrometer αναμένεται να λειτουργήσει το 2016.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ:cms.web.cern.ch

Ετικέτα: , , ,