Dieser Schlüsselindikator im Collider bezieht sich tatsächlich auf die Scheune

Was bedeutet „Helligkeit“ in der Teilchenphysik?

Von Sarah Charley

Zusammengestellt von Ye Li

Korrekturgelesen von Liu Hang

Selbst an den heißesten und trockensten Tagen sind die Sonnenstrahlen zu schwach, um Feuer zu entfachen. Wenn Sie jedoch eine Lupe oder ein Stück Glas haben, können Sie das Sonnenlicht zu einem Lichtstrahl bündeln, der stark genug ist, um ein Feuer zu entfachen.

Am Large Hadron Collider (LHC) verwenden Wissenschaftler dasselbe Prinzip, um Protonenstrahlen (und manchmal auch schwere Ionen) zu fokussieren, bevor sie vier Aufprallpunkte im Beschleuniger passieren. Wissenschaftler nutzen hochenergetische Teilchenkollisionen, um die grundlegenden Gesetze der Physik zu untersuchen und nach neuen Teilchen, Feldern und Kräften zu suchen. Durch Fokussieren des Protonenstrahls vor einer Kollision kann die Anzahl der Kollisionsereignisse, die Wissenschaftler untersuchen möchten, schnell erhöht werden.

Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker am CERN und auf der ganzen Welt, darunter am Fermi National Accelerator Laboratory, am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory, arbeiten im Rahmen des Beschleuniger-Upgradeprojekts High-Luminosity LHC (HL-LHC) des Office of Science des US-Energieministeriums. Sie bauen neue Fokussierungsmagnete, die kollidierende Protonen auf einen kleineren Raum komprimieren, und entwerfen neue Lenkmagnete, die dazu beitragen, dass die Protonenstrahlen am Kollisionspunkt frontal aufeinanderprallen, indem sie die Flugbahn der einfallenden Teilchen korrigieren.

In den späten 2020er Jahren werden Wissenschaftler den turbogeladenen HL-LHC in Betrieb nehmen. Durch die Modernisierung wird sich die Gesamtzahl der für Untersuchungen zur Verfügung stehenden potenziellen Kollisionsereignisse um mindestens das Zehnfache erhöhen.

Warum heißt es Helligkeit und nicht Kollision?

◆ ◆ ◆

Ihnen ist vielleicht aufgefallen, dass Physiker, wenn sie über Teilchenkollisionen sprechen, von einer Größe namens „Leuchtkraft“ sprechen. Diese Maßeinheit verrät den Wissenschaftlern nicht genau, wie viele Teilchenkollisionen im Inneren des Beschleunigers stattgefunden haben. Einfach ausgedrückt ist die Helligkeit ein Maß dafür, wie dicht die Teilchen in einem sich kreuzenden Teilchenstrahl zusammengepackt sind. Je stärker der Druck, desto wahrscheinlicher ist es, dass einige Partikel miteinander kollidieren.

An den vier experimentellen Kreuzungspunkten im HL-LHC werden alle 25 Nanosekunden schätzungsweise 220 Milliarden Protonen an weiteren 220 Milliarden Protonen vorbeihuschen. Aber die überwiegende Mehrheit der Protonen interagiert nicht miteinander. Selbst mit der heute modernsten Strahlfokussierungstechnologie ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zweier Protonen in der Kreisbahn des LHC immer noch weitaus geringer als die Chance, den Jackpot im Lotto zu gewinnen.

Protonen sind keine festen Kugeln, die abprallen, zerreißen oder auseinanderbrechen, wenn sie miteinander in Kontakt kommen. Stattdessen handelt es sich um ein Sammelsurium verschiedener Felder und noch kleinerer Teilchen (Quarks). (Anmerkung des Herausgebers: Informationen zur Natur von Partikeln finden Sie unter „Was sind Partikel? Kommentare von Wen Xiaogang | Die Tür zu Wundern“)

Zwei Protonen könnten sich gegenseitig durchdringen und würden damit lediglich die Szene aus dem Film Ghost nachstellen, in der der von Patrick Swayze gespielte Geist seinen körperlosen Kopf in einen fahrenden Zug steckt und unverletzt wieder herauskommt. Sie können Protonen frontal kollidieren lassen, aber sie interagieren nicht miteinander.

Standbilder aus Ghost

Selbst wenn zwei Protonen interagieren, zählt das als Kollision? Wenn zwei Protonen aneinander vorbeifliegen und aufgrund der Wechselwirkung ihrer sich kreuzenden elektromagnetischen Felder einige Photonen aussenden, zählt dies dann als Kollision? Was würde passieren, wenn eines dieser Streuphotonen in das Zentrum eines anderen Protons gelangte? Was wäre, wenn zwei Protonen aneinander nagen und einen Haufen zufälliger Partikel herausschießen und dann wieder am Anfang wären?

Jetzt verstehen Sie wahrscheinlich, dass die Definition einer Kollision nicht so einfach ist, deshalb verwenden Physiker stattdessen die Helligkeit.

Kollisionsrate

◆ ◆ ◆

In der Teilchenphysik und Beschleunigerphysik ist die Helligkeit die Anzahl der pro Zeiteinheit erfassten Ereignisse geteilt durch den Reaktionsquerschnitt.

. Hier der Reaktionsquerschnitt

(Wirkungsquerschnitt, σ) spiegelt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines physikalischen Prozesses wider, und unterschiedliche physikalische Prozesse haben unterschiedliche Wirkungsquerschnitte (ihre Dimension ist die Fläche). Je mehr Ereignisse pro Zeiteinheit erkannt werden, desto größer ist daher die Helligkeit.

Natürlich wirkt sich auch die Effizienz des Detektors bei der Ereigniserkennung auf die Ergebnisse der Helligkeitsmessung aus. Eine höhere Helligkeit bedeutet also nicht automatisch, dass der physikalische Prozess mit höherer Wahrscheinlichkeit auftritt. Die Ereignisrate von Partikelkollisionen wird durch die Anzahl der einfallenden Partikel und die Effizienz des Detektors bestimmt.

Die Rate kollidierender Partikelereignisse pro Zeiteinheit wird als „momentane Leuchtkraft“ bezeichnet. Tatsächlich ist die Standarddefinition von Helligkeit die momentane Helligkeit, genau wie sich Geschwindigkeit in der Physik auf die momentane Geschwindigkeit bezieht.

„Die momentane Helligkeit hängt von der Anzahl der Partikel in jedem Strahl und dem Strahlquerschnitt ab“, sagte Paul Lujan, ein Postdoc an der University of Canterbury, der derzeit an Helligkeitsmessungen für das CMS-Experiment arbeitet. „Eine kleinere Strahlgröße bedeutet mehr potenzielle Kollisionen pro Sekunde“, sagte Lujan. „Die Helligkeitseinheit ist nicht intuitiv, aber sie gibt uns genau die Informationen, die wir brauchen.“

Im Jahr 2017 stellte der LHC einen Rekord auf, indem er eine vorübergehende Helligkeit von 2,06 x 10^34 pro Sekunde pro Quadratzentimeter maß. (Multiplizieren Sie die Anzahl der Protonen in jedem Strahl und dividieren Sie durch die Veränderung des Strahlquerschnitts im Laufe der Zeit. Der jüngste Rekord wurde vom SuperKEKB-Collider in Japan mit einer momentanen Helligkeit von 2,40×10^34cm^(-2)s^(-1) aufgestellt.)

Wenn Wissenschaftler den LHC mit einer neuen Ladung Partikel auffüllen, um die Kollisionen aufrechtzuerhalten, müssen sie versuchen, den Strahl in gutem Zustand zu halten und genügend Partikel übrig zu haben, um eine gute vorübergehende Helligkeit aufrechtzuerhalten.

Da die durchschnittliche Füllzeit des LHC 10 bis 20 Stunden beträgt, könnte die Zahl möglicher Kollisionen von Zeit zu Zeit schnell ansteigen. Daher interessieren sich Wissenschaftler nicht nur für die momentane Helligkeit, sondern auch für die "integrierte Leuchtkraft".

", das heißt, wie viele potenzielle Kollisionen sich während des Vorgangs angesammelt haben, was das Integral der momentanen Helligkeit über die Zeit ist,

. Der Unterschied zwischen der momentanen Helligkeit und der integrierten Helligkeit ist wie der Unterschied zwischen „Ich fahre jetzt 60 Kilometer pro Stunde“ und „Ich bin in zehn Stunden 600 Kilometer gefahren.“

Wenn in allgemeinen Berichten von der Helligkeit eines Colliders die Rede ist, ist damit meist die integrierte Helligkeit gemeint. Den Physikern geht es vielmehr um die Gesamtzahl der letztlich gemessenen Ereignisse. Je mehr, desto besser und der statistische Fehler wird kleiner sein (der Algorithmus kann sogar noch weiter optimiert werden, um systematische Fehler zu reduzieren). Die Gesamtzahl der Erkennungsereignisse ist proportional zur integrierten Helligkeit. Wenn die momentane Helligkeit nicht hoch ist, muss die Betriebszeit verlängert werden (höherer Geldaufwand), um die gleiche Gesamtzahl an Ereignissen zu erreichen. Bei begrenzten Mitteln ist die Betriebsdauer nach oben begrenzt oder grundsätzlich fest vorgegeben, so dass eine Erhöhung der Momentanhelligkeit erforderlich ist. Je höher die momentane Helligkeit, desto besser und desto mehr Daten erhalten Sie letztendlich.

Die Einheit ist "Scheune"

◆ ◆ ◆

Für die integrierte Helligkeit haben die Physiker den Quadratzentimeter in eine neue Flächeneinheit umgerechnet: Barn. Dies ist ein Verweis auf die englische Redewendung „Couldn’t hit the broad side of a barn.“

Das Wort „Scheune“ kam erstmals in den 1940er Jahren im Zusammenhang mit der Forschung zur Atombombe auf. Seine tatsächliche Größe (10^(-24) Quadratzentimeter) wurde erst nach dem Zweiten Weltkrieg offiziell festgestellt. Tatsächlich entspricht diese Zahl der Größe des Urankerns. Im Vergleich zu anderen Atomkernen ist der Urankern definitiv groß. Der Urankern ist wie eine riesige „Scheune“. Aus der Perspektive subatomarer Teilchen ist die Scheune so groß, dass es schwierig wäre, einen Zusammenstoß mit ihr zu vermeiden. Die beiden Physiker, die den Begriff erstmals vorschlugen, MG Holloway und CP Parker, waren damals an der Purdue University und dachten natürlich an die Scheune, ein ikonisches Gebäude im Ackerland Mittelamerikas.

Nach dem Krieg wurde die ursprünglich vertrauliche „Scheune“ weitergegeben und entwickelte sich schließlich zur Standardmaßeinheit für Flächen in der Kernphysik und Teilchenphysik.

Natürlich gibt es auch kleinere Einheiten als Scheunen, beispielsweise 10^(-15) Scheunen, sogenannte Femtobarns. Normalerweise sind Femtobarn auch die Einheiten von Reaktionsquerschnitten. Physiker sind Meister der Einheitenumrechnung. Zahlen, die zu lang sind, um an eine Scheunenwand zu passen, können nach dem Umbau problemlos auf eine Postkarte geschrieben werden.

„Stellen Sie sich eine Essensschlacht in einer Cafeteria vor“, sagte Lujan. „Wir können alle möglichen Wechselwirkungen berechnen, einschließlich der integrierten Helligkeit der Wechselwirkungen zwischen Fleischbällchenbomben, basierend auf der Anzahl der anwesenden Personen, der Fläche und Größe der Cafeteria und der Dauer der Essensschlacht. So lässt sich vorhersagen, wer von den Fleischbällchen getroffen wird, genau wie durch die Berechnung des Reaktionsquerschnitts der Fleischbällchen.“

Um die Gesetze der Physik zu testen, vergleichen Physiker ihre Vorhersagen über die Wahrscheinlichkeiten bestimmter Prozesse mit den Ergebnissen, die sie in tatsächlichen Experimenten messen. Im Zuge der Modernisierung des HL-LHC erhöhen die Wissenschaftler die Anzahl der Protonen, verringern den Durchmesser der Kollisionszone und kalibrieren die Flugbahnen der Protonen besser. Alle diese Verbesserungen tragen dazu bei, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass Protonen beim Passieren der LHC-Verbindung interagieren. Die erhöhte Wahrscheinlichkeit von Kollisionen wird Physikern dabei helfen, sehr seltene physikalische Prozesse zu entdecken und zu untersuchen, die für das Verständnis der grundlegenden Gesetze der Physik von entscheidender Bedeutung sind.

Verweise

[1] Originalartikel: https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-luminosity

[2]https://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-721.html

[3] Illustrationen mit freundlicher Genehmigung von Ariel Davis, Sandbox Studio,