仕組み：大型ハドロン衝突型加速器

世界で最も強力な粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、2012 年に長年探し求められていたヒッグス粒子を発見し、物理学を一変させたことで有名です。しかし、その半分のパワーでしか動作していませんでした。それ以来、LHC は大規模なアップグレードを受け、この春にはほぼフルパワーで 2 回目の動作を開始します。今後 3 年間、12,000 人を超える科学者が LHC を使用して、粒子物理学の最も奥深く奇妙な疑問を探究します。彼らが何を見つけるか (新しい粒子、力、さらには次元) は誰にもわかりません。

仕組み

1. 加速:衝突型加速器は、約 17 マイルの円形トンネルを占有します。2 本の陽子ビームがリングの周りを反対方向に移動しながら、超高真空に保たれたチューブを通り、宇宙よりも低い温度に冷却された超伝導磁石によって誘導されます。光速に近い速度で移動する陽子は、1 秒間に 11,245 周します。

2. 衝突:ビームは 4 つのメイン検出器で交差し、粒子は 1 秒間に 8 億回衝突します。次の実行では、これらの衝突により前例のない 13 テラ電子ボルトが生成されます。これは、動いている蚊のエネルギーの 13 倍ですが、1 兆分の 1 の小さな空間に押し込まれています。これは、ビッグバン直後の密度に似ています。

3. 創造:アインシュタインが E=mc2 で理論化したように、エネルギーは質量に変換できます (逆もまた同様)。そのため、2 つの陽子の衝突のエネルギーは結合して、これまでに観測された中で最も重い素粒子であるトップ クォークを含む、質量の大きい新しい粒子に変換されます。これらの粒子は不安定であるため、すぐに崩壊して多数の新しい粒子になります。

4. 検出:これらの二次粒子が衝突点から飛び去る際、検出器は空間内の位置、エネルギー、運動量、質量、電荷などの特性を測定します。物理学者はこの情報を使用して、衝突の瞬間に生成された粒子の正体を推測し、まったく新しい何かを示す可能性のある異常がないかデータを精査します。

ATLAS 検出器

28,750 立方メートルの ATLAS は、これまでに作られた粒子検出器の中で最大容積であり、最も幅広い実験を行うように設計されています。粒子が衝突すると、4 つのコンポーネントが結果を記録します。内部検出器は運動量を測定し、熱量計はエネルギーを測定し、ミューオン スペクトロメータはミューオン (衝突の副産物) を追跡し、磁石システムは荷電粒子を曲げます。データ レートは 500 億回の同時通話に相当するため、どのデータを記録するか、または無視するかを決定するシステムも備えています。

この記事はもともと、毎年恒例の「How It Works」パッケージの一部として、Popular Scienceの 2015 年 4 月号に掲載されました。