Wie schnell können Menschen Teilchen beschleunigen?

Die einzige Kampfkunst der Welt, die nicht besiegt werden kann, ist die Geschwindigkeit! Was ist die höchste Geschwindigkeit im Universum? Ich glaube, viele wissen, dass es sich um die Lichtgeschwindigkeit handelt (hier wird nur die Geschwindigkeit der Materie berücksichtigt, nicht die Geschwindigkeit der Expansion des Universums usw.)! Etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde! Bei dieser Geschwindigkeit könnte ein Lichtstrahl den Äquator der Erde siebeneinhalb Mal pro Sekunde umrunden! Legen Sie täglich 60 Milliarden Kilometer zurück! Was ist die zweitschnellste Geschwindigkeit? Wie das Sprichwort sagt: In der Literatur gibt es keinen Ersten und in der Kampfkunst keinen Zweiten, und es gibt nur ein schnellstes Objekt, kein zweitschnellstes!

Um jedoch den Ursprung des Universums und die Zusammensetzung der Materie zu erforschen, hat der Mensch Teilchenbeschleuniger und Teilchenkollider gebaut, um extrem kleine Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und sie dann frontal kollidieren zu lassen, wodurch die Teilchen auseinanderbrechen und in alle Richtungen fliegen. Indem wir diese verstreuten Partikel sammeln und ihr Verhalten analysieren, können wir auf die Eigenschaften der kollidierenden Partikel schließen.

Schematische Darstellung der LHC-Partikelkollision, rekonstruiert anhand realer Kollisionsdaten

Quelle: https://home.cern/news/news/accelerators/lhc-experiments-join-forces-zoom-higgs-boson)

Wie schnell können wir also Teilchen beschleunigen? Können wir die Lichtgeschwindigkeit erreichen? Dies ist leider nicht möglich, die Natur verbietet es! Die Beziehung zwischen der Energie und der Geschwindigkeit eines Teilchens ist:

m ist die Ruhemasse des Teilchens, c ist die Lichtgeschwindigkeit und v ist die Geschwindigkeit des Teilchens. Man kann erkennen, dass, wenn ein Teilchen mit einer Ruhemasse ungleich Null, wie etwa ein Elektron, ein Proton, ein Atomkern usw., die Lichtgeschwindigkeit erreicht, seine Energie ebenfalls unendlich ist, was offensichtlich unmöglich ist. Obwohl wir die Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen können, können wir uns ihr weiterhin annähern. Solange genügend Energie bereitgestellt werden kann, kann die Geschwindigkeit der Teilchen nahe genug an der Lichtgeschwindigkeit liegen.

Die Beziehung zwischen Teilchenenergie und Geschwindigkeit (Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit) vom Autor gezeichnet

Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt ist heute der Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung. Es beschleunigt Protonen, also Wasserstoffkerne. Wie schnell kann es sein? Die höchste Geschwindigkeit kann 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, was sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt!

Was ist mit beschleunigten Elektronen? Der Stanford Linear Accelerator (SLAC) kann Elektronen auf 99,999999995 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Obwohl diese Geschwindigkeit viel höher ist als die des oben erwähnten Protons, ist es tatsächlich einfacher, Elektronen zu beschleunigen als Protonen, da Elektronen eine geringere Masse haben, nämlich nur 1/1800 der Masse von Protonen. Gemäß der obigen Energieformel gilt bei gleicher Energie: Je größer die Ruhemasse, desto geringer die Geschwindigkeit.

Neben Elektronen und Protonen gibt es einen weiteren Beschleunigertyp, der die Kerne verschiedener Atome beschleunigt. Die Atomkerne sind viel schwerer als ein einfaches Proton oder Elektron. Beispielsweise kann der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory in den USA den Goldkern auf 99,995 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Obwohl es nicht so schnell ist wie die Geschwindigkeit der oben genannten Protonen und Elektronen, ist es bereits sehr schnell. Prinzipiell können alle Atomkerne auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, allerdings variiert die Geschwindigkeit natürlich je nach Masse.

Nachdem diese Partikel beschleunigt wurden, kollidieren sie auf natürliche Weise miteinander. In welcher Haltung kollidieren also zwei Atomkerne? So was:

Bildquelle: https://sciencesprings.wordpress.com/tag/eic-electron-ion-collider-in-development/

Offensichtlich nicht, aber das hier:

Simulation einer relativistischen Schwerionenkollision

Bildquelle: https://madai.phy.duke.edu/indexaae2.html?page_id=503

Dies liegt daran, dass der Atomkern ein bestimmtes Volumen hat und die Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit liegt. Daher tritt in Richtung der Geschwindigkeit ein Kontraktionseffekt auf und aus einem kugelförmigen Teilchen wird ein Pfannkuchen!

Aber das ist nicht die Grenze. Größere und längere Beschleuniger bedeuten oft mehr Energie und höhere Geschwindigkeiten. Viele Menschen stellen sich Beschleuniger vor, die in Zukunft die Erde, das Sonnensystem oder sogar die Milchstraße umkreisen. Derzeit handelt es sich dabei noch um Science-Fiction. Werfen wir einen Blick auf die Beschleuniger und Collider, die derzeit geplant oder gebaut werden.

Der International Linear Collider (ILC) beschleunigt und kollidiert Positronen und Elektronen: Die Positronen und Elektronen werden getrennt durch einen etwa 11 Kilometer langen Linearbeschleuniger (kein kreisförmiger) beschleunigt. Es wird erwartet, dass Elektronen auf 250 GeV beschleunigt werden und die Geschwindigkeit 99,999999999979 % der Lichtgeschwindigkeit erreicht, mit insgesamt 11 Neunen nach dem Komma! Höher als der oben erwähnte SLAC! Nach seiner Fertigstellung wird es der leistungsstärkste Elektronenbeschleuniger und -collider sein, der je gebaut wurde.

In den letzten Jahren hat China auch einen Circular Electron Positron Collider (CEPC) vorangetrieben, einen Kreisbeschleuniger mit einer Zielenergie von 125 GeV. Die Elektronengeschwindigkeit beträgt 99,999999999916 % der Lichtgeschwindigkeit, also ebenfalls 11 Neunen! Darüber hinaus könnte CEPC dem Plan zufolge, wenn alles gut geht, in einer späteren Phase zu einem Super-Proton-Proton-Collider (SppC) aufgerüstet werden. In der zweiten Phase des Projekts sollen Protonen auf 75 TeV beschleunigt werden, was deutlich höher ist als die 7 TeV des aktuellen LHC. Zu diesem Zeitpunkt wird die Geschwindigkeit der Protonen 99,999999992 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen können, also 10 Neunen. Diese Geschwindigkeit ist tatsächlich schnell genug!

CEPC-Designkonzeptdiagramm

Bildquelle: https://new.qq.com/omn/20191210/20191210A0G0BH00.html

Eines muss hier noch gesagt werden: Je höher die Energie eines Teilchens, desto besser; und je höher die Geschwindigkeit, desto besser. Dies hängt von den Forschungszielen ab. Beispielsweise besteht der Zweck zukünftiger Schwerionenbeschleuniger nicht darin, die Kollisionsenergie zu erhöhen, sondern sie zu verringern: Kollisionen mit hoher Energie sind relativ einfach, während Kollisionen mit niedriger Energie mit vielen Schwierigkeiten verbunden sind.

Nachdem so viel über Kollisionen hochenergetischer Teilchen gesprochen wurde, sind einige von Ihnen möglicherweise besorgt. Da die Energie der Teilchen so hoch ist, stellt sich die Frage: Wird die Kollision enorme Energie freisetzen und die Erde zerstören? Was wäre zum Beispiel, wenn ein Mikro-Schwarzes Loch entstehen würde und die Erde verschlucken würde?

Tatsächlich ist diese Sorge unbegründet. Die hohe Energie eines Teilchens bezieht sich auf die hohe Energie eines einzelnen Teilchens, aber die Gesamtzahl der Teilchen im Kollider ist im Vergleich zur Anzahl der in makroskopischer Materie enthaltenen Teilchen tatsächlich sehr gering, sodass auch die Gesamtenergie sehr gering ist. Die Gesamtenergie Ihres Atemzugs ist sogar höher als die Gesamtenergie der Teilchen im Kollider. Natürlich ist die durchschnittliche Energie der von Ihnen ausgeblasenen Luftmoleküle zu gering, um für Kollisionen genutzt zu werden!

Darüber hinaus scheint die von Menschen beschleunigte Teilchen erreichte Energie recht hoch zu sein, doch im Hinblick auf das Universum stellt sie immer noch eine kleine Hürde dar. Im Jahr 1991 wurde im Universum ein Proton entdeckt, dessen Geschwindigkeit 99,9999999999999999999999951 % der Lichtgeschwindigkeit betrug und insgesamt 23 Neunen nach dem Komma hatte. Dies ist weitaus mehr als die Geschwindigkeit und Energie, die der Mensch derzeit erreichen kann!

Die Energie dieses Teilchens ist so hoch, dass die Leute es „Das Oh-mein-Gott-Teilchen“ nennen (es hieß ursprünglich „gottverdammtes Teilchen“, aber das galt als unzivilisiert und wurde daher geändert). In den vergangenen 4,5 Milliarden Jahren der Existenz der Erde muss es eine Menge solcher hochenergetischer Teilchen gegeben haben, doch die Erde wurde davon kaum in Mitleidenschaft gezogen, und die Menschheit hat noch nie beobachtet, dass ein Planet im Universum durch ein hochenergetische Teilchen zerstört wurde. Also können Sie sich entspannen, der Collider kann die Erde nicht zerstören!

Produziert von: China Science Expo x Zhihu

Autor: Ziqian (Hervorragender Antwortgeber für Physikfragen auf Zhihu)

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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