Även under de varmaste och torraste dagarna, strålar från solen är för svaga för att antända en eld. Men med förstoringsglas (eller i vissa olyckliga fall, en trädgårdsprydnad i glas), du kan fokusera solljus till en stråle som är tillräckligt stark för att tända tinder.

På Large Hadron Collider, forskare tillämpar samma princip när de fokuserar strålar av protoner (eller ibland tunga joner) innan de passerar genom acceleratorns fyra kollisionspunkter. Högenergipartikelkollisioner gör det möjligt för forskare att studera fysikens grundläggande lagar och söka efter nya partiklar, fält och krafter.

Genom att noggrant fokusera protonstrålarna precis innan de kolliderar med dem, forskare kan snabbt öka antalet kollisionshändelser de måste studera.

Forskare, ingenjörer och tekniker vid CERN och runt om i världen – inklusive på Fermi National Accelerator Laboratory, Brookhaven National Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory, tillsammans som en del av US Department of Energy Office of Sciences High-Luminosity LHC Accelerator Upgrade Program – bygger nya fokuseringsmagneter, som kommer att klämma ihop de kolliderande protonerna till ännu mindre volymer. De designar också nya kickermagneter, som kommer att stöta på de inkommande partiklarnas banor för att hjälpa de två strålarna att mötas ansikte mot ansikte vid kollisionspunkten.

I slutet av 2020-talet forskare kommer att slå på en turboladdad LHC med hög ljusstyrka. Uppgraderingen kommer att öka det totala antalet potentiella kollisioner forskare måste studera med minst en faktor 10.

Varför ljusstyrka och inte kollisioner?

Som du kanske har märkt, när fysiker talar om partikelkollisioner, de talar om ett mått som kallas ljusstyrka. Det berättar inte för forskarna exakt hur många partikelkollisioner som sker inuti en kolliderare; snarare, Ljusstyrkan mäter hur tätt packade partiklarna är i strålarna som korsar varandra. Ju hårdare pressen är, desto mer sannolikt är det att några av partiklarna kommer att kollidera.

I HL-LHC, 220 miljarder protoner förväntas passera genom ytterligare 220 miljarder protoner var 25:e nanosekund vid acceleratorns fyra experimentella skärningspunkter. Men den stora majoriteten av protonerna kommer faktiskt inte att interagera med varandra. Även med dagens bästa strålfokuseringsteknik, oddsen för att en proton ska kollidera med en annan proton inuti LHC-ringen är fortfarande betydligt mindre än oddsen för att vinna Mega Millions Jackpot.

Protoner är inte solida klot som studsar, går sönder eller går sönder när de kommer i kontakt med varandra. Snarare, de är röriga paket av fält och ännu mindre partiklar som kallas kvarkar.

Två protoner kan passera rakt igenom varandra, och det finns en chans att allt de skulle göra är att spela om den scenen från filmen Ghost där skådespelaren Patrick Swayze, spelar den titulära fantomen, sticker in sitt eteriska huvud i ett tåg i rörelse – utan effekt. Du kan föra protonerna i en frontalkollision, men du kan inte få dem att interagera.

Även om två protoner interagerar, räknas det som en kollision? Om två protoner glider förbi varandra och chockvågan från deras skärande elektromagnetiska fält matar ut några fotoner, räknas det? Tänk om en av dessa herrelösa fotoner störtar genom hjärtat av en annan proton? Tänk om två protoner betar varandra och skjuter av en massa partiklar, men förbli intakt?

Kollisioner är komplicerade. Så fysiker pratar om ljusstyrka istället.

Kollisionshastighet

Hastigheten med vilken partiklar förs samman för att kollidera kallas "momentan ljusstyrka".

"Den ögonblickliga ljusstyrkan beror på antalet partiklar i varje kolliderande stråle och strålarnas område, säger Paul Lujan, en postdoc vid University of Canterbury som arbetar med ljusstyrkamätningar för CMS-experimentet. "En mindre strålstorlek betyder fler potentiella kollisioner per sekund."

År 2017, LHC -fysiker uppnådde ett nytt rekord när de mätte en momentan ljusstyrka på 2,06 x 10 ³⁴ per kvadratcentimeter per sekund. (Multiplicera tillsammans antalet protoner i varje stråle, dividera sedan med strålarean – i kvadratcentimeter – över tiden.)

"Enheterna för ljusstyrka är lite icke-intuitiva, Lujan säger, "men det ger oss exakt den information vi behöver."

När forskare laddar upp LHC med en ny sats partiklar för att kollidera, de håller dem igång så länge som strålarna är i tillräckligt bra skick med tillräckligt med partiklar kvar för att få en bra momentan ljusstyrka.

Med tanke på att en genomsnittlig LHC-fyllning varar mellan 10 och 20 timmar, antalet potentiella kollisioner kan stiga mycket snabbt. Så forskare bryr sig inte bara om momentan ljusstyrka; de bryr sig också om "integrerad ljusstyrka, " hur många potentiella kollisioner samlas under dessa timmars löpning.

Kunde inte träffa den breda sidan av en ladugård

Skillnaden mellan momentan ljusstyrka och integrerad ljusstyrka är skillnaden mellan, "Just nu kör jag i 60 miles per timme, "och" Över tio timmar, Jag körde 600 mil."

För integrerad ljusstyrka, fysiker byter från kvadratcentimeter till en ny ytenhet:ladan, en hänvisning till formspråket, "Kunde inte träffa bredsidan av en lada." Ur en subatomär partikels synvinkel, "ladan" är så massiv att det skulle vara svårt att missa.

Ladugården uppfanns under 1940-talet. Dess faktiska storlek – 10−24 centimeter i kvadrat – klassificerades fram till slutet av andra världskriget. Det beror på att det motsvarar storleken på en urankärna, en nyckelingrediens i den då nyutvecklade atombomben.

Ladugården fastnade efter kriget och blev ett standardsätt att mäta area inom kärn- och partikelfysik.

Pratar i lador – och en ännu mindre enhet lika med 10 ^-15 lador som kallas "femtobarn" - gör det möjligt för fysiker att ta ett enormt antal och omvandla det, vända det från något för långt för att skriva ut på sidan av en verklig ladugård till något som kan passa på ett vykort.

Fysiker använder också femtobarns för att mäta sannolikheten för en subatomär process, kallade dess "tvärsnitt".

"Föreställ dig en matstrid i en cafeteria, "Säger Lujan." Vi kan förutsäga antalet människor som kommer att stänkas med en lösa köttbullar [en "köttbullsinteraktion, "om du vill] baserat på antalet närvarande personer, området och måtten på cafeterian, hur länge matstriden varar [som kan användas för att beräkna den "integrerade ljusstyrkan" för alla möjliga interaktioner, inklusive interaktioner med köttbullar] såväl som sannolikheten för den specifika processen ["tvärsnittet" av en interaktion med köttbullar]."

För att testa fysikens lagar, fysiker jämför sina förutsägelser om sannolikheten för vissa processer med vad de faktiskt ser i praktiken.

Med HL-LHC-uppgraderingen, forskare ökar antalet protoner, minska diametern på kollisionspunkterna, och bättre anpassa protonernas banor. Alla dessa förändringar bidrar till att öka sannolikheten för att protoner kommer att interagera med varandra när de kryssar genom LHC:s korsningar. Det ökade antalet kollisionsmöjligheter kommer att hjälpa fysiker att hitta och studera sällsynta processer och partiklar som är nyckeln till att förstå fysikens grundläggande lagar.