Зачем вашему ускорителю частиц нужны такие большие размеры, в то время как вы не можете придавать частицам скорость выше скорости света?
Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно обратиться к специальной теории относительности Эйнштейна.
В основном, релятивистская масса частицы увеличивается вместе со скоростью и стремится к бесконечности по мере того, как скорость приближается к скорости света.
На практике наши протоны двигаются со скоростью, лишь немного меньшей скорости света. При увеличении энергии (и импульса) они ускоряются на крайне малую величину, приближаясь к скорости света, но никогда не достигая ее. Однако, их энергия и импульс существенно увеличиваются.
Для исходного импульса нашим магнитам требуется обеспечить силу, необходимую, чтобы согнуть пучок частиц в 27-километровом пространстве. Увеличение импульса точно отражено в увеличенной силе, которую нам требуется применять с помощью этих магнитов при увеличении энергии пучка.
Размеры LHC в основном определяются максимальной силой наших дипольных магнитов. Если бы кольцо было меньше, им бы пришлось быть гораздо сильнее.
Более детальное обсуждение смотрите здесь или в любом материале по основам теории относительности.
ЭТО БЕЗОПАСНО?
Хокинг говорит:
«Что происходит, когда масса черной дыры в конечном счете становится предельно малой, не совсем ясно, но самая разумная догадка – то, что она совершенно исчезнет, напоследок произведя мощнейший взрыв, эквивалентный взрыву миллионов водородных бомб».
«изначально могли существовать черные дыры с гораздо меньшей массой, которые были созданы столкновением беспорядков на самых ранних стадиях формирования Вселенной. Такие черные дыры могли иметь гораздо большую температуру и излучать гораздо более мощную радиацию».
Почему это неприменимо к LHC?
Откуда Вы *знаете*, что это безопасно?
Две главные причины:
- Теория – Хокинг сам узнал, что черные дыры излучают радиацию. Учитывая энергию, доступную в LHC, если бы создалась черная дыра, она была бы обязательно крайне малого размера – микро черная дыра – энергия, получаемая от столкновения двух протонов в LHC не очень большая по космологической шкале. Черная дыра, скорее всего, сразу испарится и превратится в ливень из частиц.
- Космические лучи – частицы с предельно высокой энергией (величины на порядок большие, чем в LHC), приходящие из открытого космоса, распадаются в верхних слоях атмосферы, где сталкиваются с ядрами молекул газов. Находясь на уровне моря, мы видим космические дожди, происходящие из-за этих столкновений. Как видно, это вполне безопасно, следовательно, LHC также будет безопасен.
Сколько весят протоны в LHC при энергии 7 ТэВ?
Энергия протона составляет 7 ТэВ. Используя формулу E = mc2, мы получаем, что масса равна просто 7 ТэВ/c2 – и это как раз и есть обычно используемые единицы измерения.
7 ТэВ/c2, поделенные на массу покоя 0,938272029 ГэВ/c2, дают нам величину, большую массы покоя в 7460.52 раз.
В единицах системы СИ мы можем вычислить то же самое более детально:
При 7 ТэВ:
E = 7 *1012 *1.60206 *10-19 Дж
c= 2.99793 108 м/с
m = E/c2 = 1.2477-23 кг
В состоянии покоя (масса покоя протона = mp):
E = mp c2 = 0.938272029 *109*1.60206*10-19 Дж (или попросту mp = 0.938272029 ГэВ/c2 )
mp = E/c2 = 1.672009-27 кг
m/mp = 7460.52, что и было получено ранее
Это число является гаммой, т.е. 1/квадратный корень от (1- v2/c2) – из которой можно легко вычислить скорость.
СТОИМОСТЬ?
Стоимость одного только ускорителя (без экспериментов и вычислений), но вместе с рабочей силой и материалами составляет 4,7 миллиардов швейцарских франков (около 3,03 млрд. евро)
Есть ли в ЦЕРН механизм, способный предотвратить включение LHC, даже если кто-то находится в туннеле, делая это практически невозможным? (например, кто-то в Брукхейвенской национальной лаборатории рассказал мне, что в такой ситуации туннель блокируется и доступен только с использованием ключа и ключ этот также требуется для запуска установки).
LHC использует идентификационные карточки и биометрические данные, чтобы убедиться, что система доступа точно знает, кто находится в туннеле в любое время. Мы внимательно осматриваем туннель перед тем, как закрыть его и запустить ускоритель, чтобы убедиться, что там никого нет (также используются дополнительные меры безопасности: сирены и т. п.).
Вы упомянули, что уровень радиации в туннеле вдали от зоны экспериментов составит 10 Грэев в год. А какой уровень радиации предполагается ВБЛИЗИ зоны экспериментов, а также в случае потерь излучения или прямого контакта с ним?
В некоторых участках (например, таких как поглотитель нейтральных частиц), находящихся непосредственно в зоне экспериментов, уровень радиации будет достигать 1000 Гр/год снаружи поглотителя. Снаружи защитной оболочки уровень радиации составит 0,1 мЗв/час. За день, находясь на этих участках, можно получить годовую дозу облучения.
Сколько требуется протону, чтобы разогнаться от нуля до 14 ТэВ?
Когда протон покидает исходную позицию, он пересекает линейный ускоритель и достигает PSB за несколько микросекунд. В PSB он ускоряется от 50 МэВ до 1,4 ГэВ за 530 мс, затем менее чем за микросекунду он вбрасывается в PS, где он может:
- быть ускорен/повергнут манипуляциям/извлечен за 1025 мс
- или ждать еще 1,2 секунды перед ускорением, если является частью первой порции, передаваемой из PSB в PS.
Затем он посылается в SPS, где ждет 10,8, 7,2, 3,6, или ноль секунд, в зависимости от того, является ли он частью первой, второй, третьей или четвертой порции, передаваемой из PS в SPS,
SPS ускоряет его до 450 ГэВ за 4,3 секунды и отправляет в LHC.
Итак, время, за которое протон проходит с исходной позиции до выхода из SPS составляет от
0,53 + 1,025 + 4,3 = 5.86 секунд
до
0,53 + 1,2 + 1,025 + 10,8 + 4,3 = 17,86 секунд.
Затем нашему протону приходится ждать до 20 минут на 450-гигаэлектрон-вольтном инжекционном плато LHC перед 25-минутным ускорением до высокой энергии, и эти 45 минут составляют значительную часть времени перехода.
Умножьте это время на скорость света, и вы получите пройденный протоном путь!