Anche nelle giornate più calde e secche, i raggi del sole sono troppo deboli per accendere un fuoco. Ma con una lente d'ingrandimento (o, in alcuni sfortunati casi, un ornamento da giardino in vetro), puoi concentrare la luce del sole in un raggio abbastanza luminoso da accendere l'esca.

Al Large Hadron Collider, gli scienziati applicano questo stesso principio quando focalizzano fasci di protoni (o talvolta ioni pesanti) prima di farli passare attraverso i quattro punti di collisione dell'acceleratore. Le collisioni di particelle ad alta energia consentono agli scienziati di studiare le leggi fondamentali della fisica e di cercare nuove particelle, campi e forze.

Focalizzando strettamente i fasci di protoni subito prima di farli scontrare, gli scienziati possono aumentare rapidamente il numero di eventi di collisione che devono studiare.

Scienziati, ingegneri e tecnici al CERN e in tutto il mondo, incluso il Fermi National Accelerator Laboratory, Brookhaven National Laboratory e Lawrence Berkeley National Laboratory, insieme come parte del programma di aggiornamento dell'acceleratore LHC ad alta luminosità del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, stanno costruendo nuovi magneti di focalizzazione, che comprimerà i protoni in collisione in volumi ancora più piccoli. Stanno anche progettando nuovi magneti kicker, che farà urtare le traiettorie delle particelle in arrivo per aiutare i due raggi ad incontrarsi faccia a faccia nel punto di collisione.

Alla fine degli anni 2020, gli scienziati accenderanno un LHC ad alta luminosità con turbocompressore. L'aggiornamento aumenterà il numero totale di potenziali collisioni che gli scienziati devono studiare di almeno un fattore 10.

Perché la luminosità e non le collisioni?

Come avrai notato, quando i fisici parlano di collisioni di particelle, parlano di una misura chiamata luminosità. Non dice esattamente agli scienziati quante collisioni di particelle stanno avvenendo all'interno di un collisore; piuttosto, la luminosità misura la densità delle particelle nei fasci che si incrociano. Più stretta è la stretta, più è probabile che alcune particelle si scontrino.

Nell'HL-LHC, Si prevede che 220 miliardi di protoni attraversino altri 220 miliardi di protoni ogni 25 nanosecondi alle quattro intersezioni sperimentali dell'acceleratore. Ma la stragrande maggioranza dei protoni non interagirà effettivamente tra loro. Anche con la migliore tecnologia di focalizzazione del fascio di oggi, le probabilità che un protone entri in collisione con un altro protone all'interno dell'anello LHC sono ancora significativamente inferiori alle probabilità di vincere il Mega Millions Jackpot.

I protoni non sono sfere solide che rimbalzano, si rompono o si frantumano quando entrano in contatto tra loro. Piuttosto, sono pacchetti disordinati di campi e particelle ancora più piccole chiamate quark.

Due protoni potrebbero passare l'uno attraverso l'altro, e c'è una possibilità che tutto ciò che farebbero è riprodurre quella scena del film Ghost in cui l'attore Patrick Swayze, giocando il fantasma titolare, infila la sua testa eterea in un treno in movimento, senza alcun effetto. Puoi portare i protoni in uno scontro frontale, ma non puoi farli interagire.

Anche se due protoni interagiscono, conta come collisione? Se due protoni sfrecciano l'uno sull'altro e l'onda d'urto dai loro campi elettromagnetici che si intersecano espelle alcuni fotoni, conta? E se uno di questi fotoni vaganti si tuffasse nel cuore di un altro protone? E se due protoni si sfiorassero e sparassero un mucchio di particelle, ma rimanere intatto?

Le collisioni sono complicate. Quindi i fisici parlano invece di luminosità.

Tasso di collisione

La velocità con cui le particelle si uniscono per scontrarsi è chiamata "luminosità istantanea".

"La luminosità istantanea dipende dal numero di particelle in ciascun raggio in collisione e dall'area dei raggi, "dice Paul Lujan, un postdoc presso l'Università di Canterbury che lavora sulle misurazioni della luminosità per l'esperimento CMS. "Una dimensione del raggio più piccola significa più potenziali collisioni al secondo".

Nel 2017, I fisici di LHC hanno raggiunto un nuovo record quando hanno misurato una luminosità istantanea di 2,06 x 10 ³⁴ per centimetro quadrato al secondo. (Moltiplicare il numero di protoni in ciascun raggio, quindi dividere per l'area del raggio, in centimetri quadrati, nel tempo.)

"Le unità di luminosità sono un po' non intuitive, "Lujan dice, "ma ci fornisce esattamente le informazioni di cui abbiamo bisogno."

Quando gli scienziati caricano l'LHC con un nuovo lotto di particelle da far collidere, li mantengono in funzione finché i raggi sono in condizioni sufficientemente buone con abbastanza particelle rimaste per avere una buona luminosità istantanea.

Considerando che un riempimento medio di LHC dura tra le 10 e le 20 ore, il numero di potenziali collisioni può aumentare molto rapidamente. Quindi gli scienziati non si preoccupano solo della luminosità istantanea; si preoccupano anche della "luminosità integrata, "Quante potenziali collisioni si accumulano in quelle ore di marcia.

Non potevo colpire il lato largo di una porta di un fienile

La differenza tra luminosità istantanea e luminosità integrata è la differenza tra, "In questo momento sto guidando a 60 miglia all'ora, " e "Più di dieci ore, Ho guidato per 600 miglia".

Per la luminosità integrata, i fisici passano dai centimetri quadrati a una nuova unità di superficie:il fienile, un riferimento all'idioma, "Impossibile colpire il lato largo di un fienile." Dal punto di vista di una particella subatomica, "il fienile" è così massiccio che sarebbe difficile non vederlo.

Il fienile è stato inventato negli anni '40. La sua dimensione effettiva—10-24 centimetri quadrati—è stata classificata fino alla fine della seconda guerra mondiale. Questo perché è equivalente alla dimensione di un nucleo di uranio, un ingrediente chiave nella bomba atomica allora di recente sviluppo.

Il fienile è rimasto in piedi dopo la guerra ed è diventato un modo standard per misurare l'area nella fisica nucleare e delle particelle.

Parlare nei fienili e un'unità ancora più piccola pari a 10 ^-15 fienili chiamati "femtobarn":consente ai fisici di prendere un numero enorme e convertirlo, trasformandolo da qualcosa di troppo lungo da scrivere sul lato di un vero fienile in qualcosa che potrebbe stare su una cartolina.

I fisici usano anche i femtobarns per misurare la probabilità di un processo subatomico, chiamato la sua "sezione trasversale".

"Immagina una battaglia di cibo in una caffetteria, " dice Lujan. "Possiamo prevedere il numero di persone che verranno schizzate con una polpetta randagia [una "interazione di polpette, "se vuoi] in base al numero di persone presenti, l'area e le dimensioni della caffetteria, quanto dura la lotta alimentare [che può essere utilizzata per calcolare la "luminosità integrata" di tutte le possibili interazioni, comprese le interazioni con le polpette] così come la probabilità di quel particolare processo [la "sezione trasversale" di un'interazione con le polpette]".

Per verificare le leggi della fisica, i fisici confrontano le loro previsioni sulla probabilità di certi processi con ciò che effettivamente vedono nella pratica.

Con l'aggiornamento HL-LHC, gli scienziati stanno aumentando il numero di protoni, diminuendo il diametro dei punti di collisione, e allineare meglio le traiettorie dei protoni. Tutti questi cambiamenti aiutano ad aumentare la probabilità che i protoni interagiscano tra loro quando attraversano le intersezioni di LHC. L'aumento del numero di opportunità di collisione aiuterà i fisici a trovare e studiare i processi e le particelle rari che sono fondamentali per comprendere le leggi fondamentali della fisica.