תשובה: מדוע כל כך הרבה טבעות האצה ב- LHC
שאלה: בסרטון הזה (מתוך yNET) מודגמת פעולתו של מאיץ החלקיקים החדש. לפי הסרטון רואים שהחלקיקים מואצים בטבעת קטנה עד למהירות מסויימת, ולאחר מכן הם עוברים לטבעת גדולה יותר שם הם מואצים עוד יותר, ומשם הם עוברים לטבעת עוד יותר גדולה ומואצים למהירויות גבוהות יותר, ועוד טבעת ועוד טבעת, וכך הלאה. http://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-3595094,00.html אז מה ההגיון מאחורי כל המעברים האלו? מדוע לא ניתן היה להאיץ את החלקיקים בטבעת הגדולה ממהירות 0 ועד למהירות הסופית? מדוע צריכים לבצע זאת בחלקים נפרדים עם כל המעברים האלו? תשובה: ובכן, הסיבה היא מורכבת למדי. משתמשים בעיקרון ה- Tandem ובשרשרת סינרגטית כדי "לטפס בהדרגה" בסולם האנרגיה, תוך הקפדה על עקרונות רבים ובהם: - יצירת "קבוצות" של חלקיקים - כדי שהמערכת לא תוצף בשטף בלתי-נשלט של חלקיקים. - חיסכון כספי על ידי יעילות משופרת של כמה שלבים יעודיים (להבדיל משלב בודד אחד). - חיסכון באנרגיה העצומה הנדרשת להפעלת כל המתקן הענק. - יצירת שני מסלולים מנוגדים - כדי ליצור את ההתנגשות ביניהם. - "מיקוד" (פוקוס) של אלומת החלקיקים לחתך צר ככל האפשר - כדי לדייק בהתנגשות. - יצירת "מאגר" מוכן של חלקיקים - בשני מסלולים מנוגדים - לשימוש מיידי, על פי צורך. - יצירת כמה "תחנות" התנגשות, שפועלות במקביל - כדי לנצל את המתקן לכמה ניסויים בו-זמניים. - ועוד. שיטת ה- Tandem - משלבת מחוללי שדה חשמלי (אדום - בדוגמה המצורפת) בעל קוטביות מתחלפת בקצב מהיר - כדי "למשוך" את קבוצת החלקיקים המתקרבת (ירוק בהיר - בדוגמה המצורפת), ומיד - להפוך קוטביות ו"לדחוף" אותה. השלב הראשון הוא מאיץ לינארי - Linac. הוא בזבזני ויקר, אבל חיוני בהקניית אנרגיה התחלתית לחלקיקים - מה שאינו אפשרי בלעדיו. השלב הבא הוא ציקלוטרון - Cyclotron, שהוא זול מאד ביחס לראשון, ויעיל מאד בהאצה חוזרת ונשנית - במעגל - של החלקיקים. אבל יש לו חיסרון - הוא אינו יכול להאיץ את החלקיקים - מעבר לרמת אנרגיה (ומהירות) מסוימת - שנקבעת בעיקר על ידי רדיוס שלו. בגלל השימוש בטכניקת שדה חשמלי מתחלף בתדר גבוה (RF), ובעיקרון המשיכה-דחיפה (Tandem) - מגיעים בספו של דבר לנקודה של "המהירות האופיינית" של המאיץ הזה - שמעבר לו - הוא הופך בלתי יעיל,ואינו יכול להאיץ עוד. צריך לזכור - שהמטענים שמואצים במעגל של ה- Cyclotron - נתונים להשפעה של כוח צנטרופיטלי עצום ויש צורך במגנטים "שמרפדים" את מעטפת ה- Cyclotron, כדי להפעיל על החלקיקים את הכוח הצנטרופיטלי הזה - ולשמור אותם ברדיוס קבוע ככל האפשר - מבלי "שייזרקו" למסלולים היקפיים ברדיוס גדול יותר. צריך עוד לזכור - שחלקיק חשמלי טעון, שנע במהירויות יחסותיות - פולט קרינה רדיואקטיבית בזמן תנועתו - ולכן נוצרת בעיית התחממות גדולה במערכת - שגם היא מגבילה את פעולתה. ה- Cyclotron - כאמור - מתוכנן להגיע למהירות (או אנרגיה) מסויימת, בדרך כלל - עשרות Mev (מגה אלקטרון-וולט), וברגע שהוא מגיע אליה - יש צורך להפנות את החלקיקים למתקן הבא - שנקרא - Synchrotron, שמתוכנן לקלוט את החלקיקים שכבר הואצו לאנרגיות גבוהות - ולהאיץ אותם עוד יותר. שיטת הפעולה של ה- Synchrotron - דומה לזו הקודמת, למעט העובדה שהחלקיקים נעים באלומה צרה הרבה יותר, מה שמאפשר שימוש בשדה מגנטי צר הרבה יותר מהקוטר של הצינור שבתוכו זורמים החלקיקים. לדוגמה - אם קוטר הצינור הוא שני מטרים, קוטר השדה המגנטי המושרה (ובהתאם - קוטר האלומה) - יכול להיות שני סנטימטרים בלבד. המשמעות היא - שהאלומה מתחילה "להתחדד" ולקבל "פוקוס" ה- Synchrotron מסוגל להניע את החלקיקים לאנרגיה בסדר גודל של עשרות או מאות Gev (ג'יגה אלקטרון-וולט). במהירויות העצומות האלה - לחלקיקים יש מאסה כל כך גדולה - שנדרשים מגנטים עצומים כדי "לכופף" את העלומה לצורת מעגל - ולספק לה את הכוח הצנטרופיטלי הדרוש. לכן - במקום להשתמש באלומה "רציפה" - כמו בשלב הקודם - משתמשים "בהזרקה" של קבוצות קטנות של חלקיקים בכל פעם, מה שאומר - שצריך לטפל בהרבה פחות מאסה - מאשר באלומה רציפה. שלב נוסף אפשרי - הוא שימוש ב- Synchrotron נוסף, גדול הרבה יותר - אבל פועל באותו עיקרון ממש. רק בשלב הסופי - החלקיקים מוזנים אל תוך ה- Collider עצמו - המורכב משתי טבעות. החלקיקים מוזנים בכוונים מנוגדים - לכל אחת משתי הטבעות הללו, כדי ליצור את שתי האלומות שיוטחו זו בזו - ליצירת "ההתנגשות". אלא שלפני יצירת ההתנגשות, ה- Collider ממלא עוד שתי מטרות חשובות. - ראשית - הוא מאיץ את החלקיקים עוד יותר, לאנרגיות של כמה Tev (טרה אלקטרון-וולט). - שנית - הוא "ממקד" את החלקיקים לאלוה צרה ביותר, ומשמש "לאיחסון" של "קבוצות" חלקיקים כאלה - שנעות בתוכו. מאחר ששורר ואקום - אין אבדן אנרגיה, והחלקיקים יכולים להיות מואצים, ו"מאוחסנים" - מוכנים לשעת ההפעלה של הניסוי. כשמגיע שלב הניסוי - נשלח מחדר הבקרה - מתח חשמלי שיוצר הסטה קטנה של האלומות - ומוביל אותן "למסלול ההתנגשות" שלהן. למעשה - בגלל שמאוחסנות קבוצות רבות של אלומות חלקיקים - יכול חדר הבקרה להפעיל במקביל - כמה הסטות כאלה, כדי להפנות כמה קבוצות של חלקיקים - להתנגשויות בו-זמניות (אבל במקומות שונים לאורך המסלול) - כדי לספק חלקיקים להתנגשויות, עבור כמה ניסויים שונים שיכולים להתבצע במקביל.
שאלה: בסרטון הזה (מתוך yNET) מודגמת פעולתו של מאיץ החלקיקים החדש. לפי הסרטון רואים שהחלקיקים מואצים בטבעת קטנה עד למהירות מסויימת, ולאחר מכן הם עוברים לטבעת גדולה יותר שם הם מואצים עוד יותר, ומשם הם עוברים לטבעת עוד יותר גדולה ומואצים למהירויות גבוהות יותר, ועוד טבעת ועוד טבעת, וכך הלאה. http://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-3595094,00.html אז מה ההגיון מאחורי כל המעברים האלו? מדוע לא ניתן היה להאיץ את החלקיקים בטבעת הגדולה ממהירות 0 ועד למהירות הסופית? מדוע צריכים לבצע זאת בחלקים נפרדים עם כל המעברים האלו? תשובה: ובכן, הסיבה היא מורכבת למדי. משתמשים בעיקרון ה- Tandem ובשרשרת סינרגטית כדי "לטפס בהדרגה" בסולם האנרגיה, תוך הקפדה על עקרונות רבים ובהם: - יצירת "קבוצות" של חלקיקים - כדי שהמערכת לא תוצף בשטף בלתי-נשלט של חלקיקים. - חיסכון כספי על ידי יעילות משופרת של כמה שלבים יעודיים (להבדיל משלב בודד אחד). - חיסכון באנרגיה העצומה הנדרשת להפעלת כל המתקן הענק. - יצירת שני מסלולים מנוגדים - כדי ליצור את ההתנגשות ביניהם. - "מיקוד" (פוקוס) של אלומת החלקיקים לחתך צר ככל האפשר - כדי לדייק בהתנגשות. - יצירת "מאגר" מוכן של חלקיקים - בשני מסלולים מנוגדים - לשימוש מיידי, על פי צורך. - יצירת כמה "תחנות" התנגשות, שפועלות במקביל - כדי לנצל את המתקן לכמה ניסויים בו-זמניים. - ועוד. שיטת ה- Tandem - משלבת מחוללי שדה חשמלי (אדום - בדוגמה המצורפת) בעל קוטביות מתחלפת בקצב מהיר - כדי "למשוך" את קבוצת החלקיקים המתקרבת (ירוק בהיר - בדוגמה המצורפת), ומיד - להפוך קוטביות ו"לדחוף" אותה. השלב הראשון הוא מאיץ לינארי - Linac. הוא בזבזני ויקר, אבל חיוני בהקניית אנרגיה התחלתית לחלקיקים - מה שאינו אפשרי בלעדיו. השלב הבא הוא ציקלוטרון - Cyclotron, שהוא זול מאד ביחס לראשון, ויעיל מאד בהאצה חוזרת ונשנית - במעגל - של החלקיקים. אבל יש לו חיסרון - הוא אינו יכול להאיץ את החלקיקים - מעבר לרמת אנרגיה (ומהירות) מסוימת - שנקבעת בעיקר על ידי רדיוס שלו. בגלל השימוש בטכניקת שדה חשמלי מתחלף בתדר גבוה (RF), ובעיקרון המשיכה-דחיפה (Tandem) - מגיעים בספו של דבר לנקודה של "המהירות האופיינית" של המאיץ הזה - שמעבר לו - הוא הופך בלתי יעיל,ואינו יכול להאיץ עוד. צריך לזכור - שהמטענים שמואצים במעגל של ה- Cyclotron - נתונים להשפעה של כוח צנטרופיטלי עצום ויש צורך במגנטים "שמרפדים" את מעטפת ה- Cyclotron, כדי להפעיל על החלקיקים את הכוח הצנטרופיטלי הזה - ולשמור אותם ברדיוס קבוע ככל האפשר - מבלי "שייזרקו" למסלולים היקפיים ברדיוס גדול יותר. צריך עוד לזכור - שחלקיק חשמלי טעון, שנע במהירויות יחסותיות - פולט קרינה רדיואקטיבית בזמן תנועתו - ולכן נוצרת בעיית התחממות גדולה במערכת - שגם היא מגבילה את פעולתה. ה- Cyclotron - כאמור - מתוכנן להגיע למהירות (או אנרגיה) מסויימת, בדרך כלל - עשרות Mev (מגה אלקטרון-וולט), וברגע שהוא מגיע אליה - יש צורך להפנות את החלקיקים למתקן הבא - שנקרא - Synchrotron, שמתוכנן לקלוט את החלקיקים שכבר הואצו לאנרגיות גבוהות - ולהאיץ אותם עוד יותר. שיטת הפעולה של ה- Synchrotron - דומה לזו הקודמת, למעט העובדה שהחלקיקים נעים באלומה צרה הרבה יותר, מה שמאפשר שימוש בשדה מגנטי צר הרבה יותר מהקוטר של הצינור שבתוכו זורמים החלקיקים. לדוגמה - אם קוטר הצינור הוא שני מטרים, קוטר השדה המגנטי המושרה (ובהתאם - קוטר האלומה) - יכול להיות שני סנטימטרים בלבד. המשמעות היא - שהאלומה מתחילה "להתחדד" ולקבל "פוקוס" ה- Synchrotron מסוגל להניע את החלקיקים לאנרגיה בסדר גודל של עשרות או מאות Gev (ג'יגה אלקטרון-וולט). במהירויות העצומות האלה - לחלקיקים יש מאסה כל כך גדולה - שנדרשים מגנטים עצומים כדי "לכופף" את העלומה לצורת מעגל - ולספק לה את הכוח הצנטרופיטלי הדרוש. לכן - במקום להשתמש באלומה "רציפה" - כמו בשלב הקודם - משתמשים "בהזרקה" של קבוצות קטנות של חלקיקים בכל פעם, מה שאומר - שצריך לטפל בהרבה פחות מאסה - מאשר באלומה רציפה. שלב נוסף אפשרי - הוא שימוש ב- Synchrotron נוסף, גדול הרבה יותר - אבל פועל באותו עיקרון ממש. רק בשלב הסופי - החלקיקים מוזנים אל תוך ה- Collider עצמו - המורכב משתי טבעות. החלקיקים מוזנים בכוונים מנוגדים - לכל אחת משתי הטבעות הללו, כדי ליצור את שתי האלומות שיוטחו זו בזו - ליצירת "ההתנגשות". אלא שלפני יצירת ההתנגשות, ה- Collider ממלא עוד שתי מטרות חשובות. - ראשית - הוא מאיץ את החלקיקים עוד יותר, לאנרגיות של כמה Tev (טרה אלקטרון-וולט). - שנית - הוא "ממקד" את החלקיקים לאלוה צרה ביותר, ומשמש "לאיחסון" של "קבוצות" חלקיקים כאלה - שנעות בתוכו. מאחר ששורר ואקום - אין אבדן אנרגיה, והחלקיקים יכולים להיות מואצים, ו"מאוחסנים" - מוכנים לשעת ההפעלה של הניסוי. כשמגיע שלב הניסוי - נשלח מחדר הבקרה - מתח חשמלי שיוצר הסטה קטנה של האלומות - ומוביל אותן "למסלול ההתנגשות" שלהן. למעשה - בגלל שמאוחסנות קבוצות רבות של אלומות חלקיקים - יכול חדר הבקרה להפעיל במקביל - כמה הסטות כאלה, כדי להפנות כמה קבוצות של חלקיקים - להתנגשויות בו-זמניות (אבל במקומות שונים לאורך המסלול) - כדי לספק חלקיקים להתנגשויות, עבור כמה ניסויים שונים שיכולים להתבצע במקביל.