Ένας επιταχυντής σωματιδίων στο μπολ σαλάτας σας Teach article

Μετάφραση από τους: Μπάρκα Θανάση, Πανώρια Ηλία, Σιώζο Κωνσταντίνο, Τσελέντη Δημήτρη, Τσομώκου Βασιλική (μαθητές λυκείου), Γκουντρομίχο Κωνσταντίνο (καθηγητή…

Οι επιστήμονες είναι σε διαρκή αναζήτηση των μικρότερων δομικών στοιχείων στο Σύμπαν. Το άτομο, που κάποτε υπήρχε η αντίληψη ότι ήταν αδιάσπαστο, ήταν το μικρότερο στοιχειώδες σωματίδιο μέχρι που διασπάστηκε για να αποκαλυφθούν τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Πιο ισχυροί επιταχυντές σωματιδίων αποκάλυψαν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπορούν να διαιρεθούν ακόμα περισσότερο: το καθένα περιέχει τρία κουάρκ. Η πιο πρόσφατη από αυτές τις ανακαλύψεις είναι ένα σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο του Χιγκς (Ηiggs), το οποίο παρατηρήθηκε το 2012 στο μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων του κόσμου – τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN.

Οι επιταχυντές σωματιδίων, οι οποίοι επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια (όπως πρωτόνια ή ηλεκτρόνια) κοντά στην ταχύτητα του φωτός, χρησιμοποιούνται για  να μελετηθεί η ύλη στην μικρότερη κλίμακα. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες κατανοήσουν καλύτερα τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων, να δουν πώς αλληλεπιδρούν και τελικά να εμβαθύνουν στο πώς λειτουργεί το σύμπαν. Η θεωρία που περιγράφει με τον καλύτερο τρόπο τα σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους (όλα εκτός της βαρύτητας) είναι γνωστό ως Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής σωματιδίων. Από τότε που το πρότυπο τελειοποιήθηκε, στην δεκαετία του 1970, έχει επιτυχώς εξηγήσει αμέτρητα αποτελέσματα πειραμάτων.

Όμως, η αναζήτηση δεν έχει ακόμα τελειώσει. Είναι  γνωστό ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο περιγράφει μόνο το 4% του Σύμπαντος. Ως εκ τούτου, περισσότερα πειράματα και ισχυρότερα εργαλεία είναι απαραίτητα για να εξηγήσουν το υπόλοιπο 96%, συμπεριλαμβανομένου της αινιγματικής «σκοτεινής ύλης». Οι επιταχυντές που χρησιμοποιούνται για να διεξαχθούν τα πειράματα είναι τεράστιοι, αλλά μπορείτε να δείξετε τη βασική τους λειτουργία στην τάξη σας.

Κατασκευάζοντας έναν επιταχυντή σε μπολ σαλάτας

Ίσως έχετε αισθανθεί ένα σοκ από στατικό ηλεκτρισμό που προκλήθηκε από τριβή, ή ίσως έχετε δει πώς μια γεννήτρια Van de Graaff κάνει τα μαλλιά σας να σηκωθούν ως τις άκρες. Αυτή η συσκευή χρησιμοποιείται για να φορτίσει μια μεγάλη σφαίρα σε υψηλή τάση. Εφευρέθηκε για να τροφοδοτεί την υψηλή ενέργεια που απαιτείται για την προώθηση φορτισμένων σωματιδίων σε πρώιμους επιταχυντές σωματιδίων και η ίδια αρχή εξακολουθεί να χρησιμοποιείται και σήμερα σε ηλεκτροστατικούς  επιταχυντές σωματιδίων.

Ωστόσο, οι περισσότεροι σύγχρονοι επιταχυντές μεγάλης κλίμακας χρησιμοποιούν μεταβαλλόμενα ηλεκτρομαγνητικά πεδία: τα ηλεκτρικά πεδία επιταχύνουν τα σωματίδια σε απίστευτα υψηλές ταχύτητες και τα μαγνητικά πεδία ελέγχουν τη δέσμη των σωματιδίων και την τροχιά τους. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αναπαρασταθεί χρησιμοποιώντας μια μικρή γεννήτρια Van de Graaff, μια σφαίρα πινκ-πονκ με μεταλλική επικάλυψη και ένα μπολ σαλάτας. Οι μαθητές μπορούν να κατασκευάσουν οι ίδιοι τον επιταχυντή, ή ο δάσκαλος μπορεί να τον προετοιμάσει πριν από το μάθημα. Ένα βίντεο που περιγράφει τον τρόπο κατασκευής ενός επιταχυντή σε μπολ σαλάτας (ακολουθώντας την παρακάτω μέθοδο) και ενός επιταχυντή χάρτινου κυπέλλου,  είναι διαθέσιμο στο YouTube ^w1.

Υλικά

• Πλαστικό μπολ σαλάτας (όχι γυάλινο): θα πρέπει να είναι λείο και με ρηχή καμπύλη – κάθε χτύπημα ή βαθούλωμα θα εμποδίσει την τροχιά της μπάλας
• Μία μπάλα πινκ-πονκ ή από πολυστυρένιο
• Αγώγιμη βαφή: είτε νικέλιου ή γραφίτη (για να δημιουργηθεί η ηλεκτρικά αγώγιμη επικάλυψη)
• Πινέλο ζωγραφικής
• Αυτοκόλλητο φύλλο αλουμινίου (ή χαλκού) με πλάτος τουλάχιστον 2 cm
• Γεννήτρια Van de Graaff (ή γεννήτρια Wimshurst)
• Ηλεκτρικά καλώδια, βύσματα τύπου μπανάνα και κροκοδειλάκια
• Ψαλίδι
• Οδοντογλυφίδες (για να κρατάτε τις μπάλες ενώ τις βάφετε και τις στεγνώνετε)
• Εφημερίδες (για την προστασία των επιφανειών κατά τη βαφή)
• Πλαστικά κουτάλια (για να χειριστούν τις μπάλες όταν βρίσκονται στο μπολ)
   

Μέθοδος

1. Προετοιμάστε το μπαλάκι του πινκ-πονκ, καλύπτοντάς το με αγώγιμη μπογιά. Εφόσον η μπογιά θα χρειαστεί κάποιο χρόνο να στεγνώσει, θα ήταν προτιμότερο να αρχίσετε να βάφετε το μπαλάκι μερικές μέρες πριν ετοιμάσετε το μπολ της σαλάτας.
2. Κόψτε 2 κομμάτια από αλουμινένια ταινία. Η καθεμιά θα πρέπει να είναι περίπου 2 εκατοστά σε πλάτος και αρκετά μακριά ώστε να φτάσει από την μια άκρη του μπολ, περνώντας από τον πάτο του και πάλι ως την άλλη άκρη του.
3. Στην μέση αυτών των ταινιών, ψαλιδίστε κάθε πλευρά ώστε να είναι πιο στενές (περίπου 1 εκατοστό στο κέντρο) από την υπόλοιπη ταινία, όπως στο σχήμα 1.

4. Κολλήστε τις ταινίες πάνω στο μπολ: θα πρέπει να σχηματίζουν γωνία 90^ο μοιρών, σχηματίζοντας ένα σταυρό στο κέντρο του μπολ. Οι ταινίες θα πρέπει να τελειώνουν στην άκρη του μπολ (σχήμα 2).

5. Κόψτε 8 κοντές, στενές ταινίες (περίπου 1 εκατοστό σε πλάτος) από άλλο κομμάτι αλουμινένιας ταινίας. Θα πρέπει να είναι αρκετά μακριές ώστε η μια άκρη της ταινίας να ξεπερνάει την άκρη του μπολ όταν το άλλο άκρο της είναι τοποθετημένο κοντά στο κέντρο του μπολ. Στρογγυλεύστε τις άκρες των ταινιών καθώς το φορτίο μπορεί να διαρρέει από αιχμηρές άκρες. Σημειώστε πως οι φαρδύτερες ταινίες στο βήμα 3 δεν χρειάζονται στρογγύλεμα.
6. Χρησιμοποιώντας τέσσερις από τις στενές ταινίες, κολλήστε από μια στο κάθε διάστημα μεταξύ του σταυρού. Δεν πρέπει να ακουμπούν το κέντρο. Η άκρη των ταινιών θα πρέπει να φτάνει μέχρι το χείλος του μπολ και να συνεχίζει προς τα κάτω από την εξωτερική πλευρά (σχήμα 3).

7. Με τις τέσσερις στενές ταινίες που έχουν απομείνει, ενώστε όλες τις στενές ταινίες μαζί στην εξωτερική πλευρά του μπολ (σχήμα 4).

8. Χρησιμοποιήστε αλουμινένια  ταινία, κροκοδειλάκια και βύσματα μπανάνα για να ενώσετε την μία από τις στενές λωρίδες στην άκρη του μπολ με τον ακροδέκτη γείωσης της γεννήτριας Van de Graaff και συνδέστε το σταυρό στο ακροδέκτη υψηλής τάσης (σφαίρα) της γεννήτριας Van de Graaff (σχήμα 5). Βεβαιωθείτε ότι τα καλώδια υψηλής τάσης και γείωσης δεν έρχονται σε επαφή μεταξύ τους.

9. Ρίξτε το μπαλάκι στο μπολ και ανοίξτε την γεννήτρια.
10. Παρατηρήστε το μπαλάκι να περιστρέφεται μέσα στο μπολ. Μετά το πείραμα μην ξεχάσετε να αποφορτίσετε την γεννήτρια Van de Graaff.

Αντιμετώπιση προβλημάτων

Αν το μπαλάκι δεν αρχίσει να περιστρέφεται:

• Ελέγξτε αν η γεννήτρια είναι ανοιχτή.
• Ωθήστε ελαφρώς το μπαλάκι για να ξεκινήσει η κίνηση
• Ελέγξτε ότι οι λωρίδες και τα καλώδια δεν έρχονται σε επαφή με τα γειωμένα.
• Δοκιμάστε να χρησιμοποιήσετε ένα μικρότερο μπαλάκι.

Πως λειτουργεί;

Η Van de Graaff γεννήτρια παράγει στατικό ηλεκτρισμό, ο οποίος συσσωρεύει τάση (πάνω από 30.000 volt) στις μεταλλικές ταινίες που σχηματίζουν τον σταυρό. Αυτό σημαίνει ότι οι μεταλλικές αυτές ταινίες είναι φορτισμένες (είτε θετικά είτε αρνητικά). Παρόλα αυτά, το τρέχων ρεύμα είναι πολύ μικρό, και αυτό κάνει την όλη διαδικασία ασφαλή. Οι άλλες ταινίες είναι γειωμένες οπότε δεν έχουν ρεύμα.

Την στιγμή που η μπάλα έρχεται σε επαφή με μια από τις φορτισμένες ταινίες, παίρνει το φορτίο αυτό. Επειδή και η μπάλα αλλά και η ταινία έχουν τώρα το ίδιο φορτίο, απωθούνται μεταξύ τους: η μπάλα κινείται μακριά. Έπειτα κυλά σε μια γειωμένη ταινία και χάνει το φορτίο της και γίνεται ουδέτερη. Η μπάλα επιταχύνει κάθε φορά που ακουμπά μια φορτισμένη ταινία και επιβραδύνει στις ενδιάμεσες ταινίες εξαιτίας της τριβής στο μπολ.

Πόσο παρεμφερές (και πόσο διαφορετικό) είναι σε σχέση με έναν πραγματικό επιταχυντή;

Ο επιταχυντής σε μπολ σαλάτας αποτελεί ένα απλό μοντέλο, το οποίο εξηγεί τις λειτουργίες των πραγματικών επιταχυντών σωματιδίων, όπως είναι ο LHC. Παρόλο που ακόμη και σήμερα χρησιμοποιείται η ίδια βασική αρχή με τον πρωτότυπο επιταχυντή Van de Graaff, οι μοντέρνοι επιταχυντές παρουσιάζουν κάποιες θεμελιώδεις διαφορές.

Φορτίο σωματιδίων και ηλεκτρικά πεδία

Αντίθετα με τα σωματίδια σε έναν επιταχυντή, η σφαίρα στο μπολ της σαλάτας δεν έχει δικό της φορτίο – το φορτίο της αλλάζει ανάλογα με την αλουμινένια λωρίδα με την οποία ήρθε τελευταία σε επαφή. Στον LHC του CERN, τα πρωτόνια και τα ιόντα έχουν το καθένα το δικό του φορτίο , το οποίο δεν αλλάζει. Αντί αυτού, ειδικά σχεδιασμένοι μεταλλικοί θάλαμοι βρίσκονται γύρω από τον επιταχυντή, οι οποίοι ταλαντεύονται μεταξύ θετικού και αρνητικού φορτίου, σχηματίζοντας έτσι ραδιοκύματα τα οποία  προωθούν μπροστά τα σωματίδια με μορφή δεσμών.

Σε αυτήν την δραστηριότητα, η σφαίρα αναπαριστά ένα από τα σωματίδια τα οποία οι επιστήμονες επιθυμούν να επιταχύνουν και να συγκρούσουν. Παρόλα αυτά, σε μια πραγματική σύγκρουση, υπάρχουν δισεκατομμύρια ακόμη και τρισεκατομμύρια από αυτά, τα οποία όλα μαζί σχηματίζουν μία δέσμη. Για να αποτραπούν συγκρούσεις με τα μόρια του αέρα, η δέσμη οδεύει υπό κενό σε έναν μεταλλικό σωλήνα. Το να υπάρχει παρακολούθηση των ιδιοτήτων αυτής της δέσμης σε πραγματικό χρόνο είναι ιδιαίτερα σημαντικό, για παράδειγμα για  να προστατευτεί η μηχανή. Έτσι οι επιστήμονες χρησιμοποιούν μια ποικιλία τεχνικών οι οποίες αποκαλούνται διαγνωστική ακτίνων (beam diagnostics) προκειμένου να εντοπίζουν καθένα ξεχωριστό σωματίδιο στην δέσμη.

Μέγεθος και σχήμα

Οι επιταχυντές σωματιδίων μπορεί να είναι γραμμικοί, στους οποίους η δέσμη των σωματιδίων κινείται σε ευθεία γραμμή από την μία άκρη στην άλλη, ή κυκλικοί, στους οποίους η δέσμη κινείται γύρω γύρω σε έναν βρόχο. Το πλεονέκτημα ενός κυκλικού επιταχυντή, όπως ο LHC, είναι ότι σε κάθε βρόχο, τα σωματίδια επιταχύνουν λίγο περισσότερο. Αυτό καθιστά δυνατό να φτάσουν σε υψηλές ενέργειες, παρόλο που χάνουν μερική ενέργεια σε κάθε περιστροφή εξαιτίας ενός φαινομένου που ονομάζεται ακτινοβολία συγχρότρου. Η τελική ενέργεια ενός κυκλικού επιταχυντή περιορίζεται από το μέγεθός του, την ένταση των πεδίων επιτάχυνσης και τους μαγνήτες που κρατούν τα σωματίδια σε τροχιά. Ένα τυπικό μπολ σαλάτας έχει περίπου 30-40 εκατοστά πλάτος, ενώ ο LHC έχει διάμετρο 8,5 χιλιομέτρων. Το μέγεθος του LHC είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους μπορεί να επιταχύνει σωματίδια σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός.

Στο επιταχυντή σε μπολ σαλάτας, η ταχύτητα της σφαίρας περιορίζεται από την  τριβή και από τον  ρυθμό μεταφοράς φορτίου μεταξύ της ταινίας και της μπάλας. Όταν η μπάλα κινείται αργά, παραμένει στις ταινίες περισσότερο και έχει περισσότερο χρόνο για να φορτιστεί και να αποφορτιστεί, άρα υπάρχει μεγαλύτερο περιθώριο για επιτάχυνση. Όταν η σφαίρα κινείται γρήγορα, παραμένει λιγότερο στις ταινίες και τελικά φτάνει σε μια σταθερή τελική ταχύτητα.

Μαγνήτες

Οι μαγνήτες είναι απαραίτητοι για να ελέγχουν τα ατίθασα σωματίδια τα οποία κυκλοφορούν εντός και των γραμμικών και των κυκλικών επιταχυντών. Για παράδειγμα, τετράπολοι και υψηλότερης τάξης μαγνήτες χρησιμοποιούνται για να κρατήσουν τα σωματίδια μαζί και για να ελέγχουν το μέγεθος και την απόκλιση (πόσο αυξάνεται η διάμετρος της δέσμης με την απόσταση) της δέσμης.

Στους κυκλικούς επιταχυντές, τα σωματίδια πρέπει να κινούνται σε καμπύλη παρά σε ευθεία γραμμή, το οποίο επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας πολύ ισχυρούς δίπολους μαγνήτες. Όσο υψηλότερη είναι η ενέργεια της δέσμης σωματιδίων, τόσο πιο δυνατοί χρειάζεται να είναι οι μαγνήτες. Οι κύριοι μαγνήτες του LHC είναι  υπεραγώγιμοι, το οποίο σημαίνει ότι άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα με μηδενική αντίσταση όταν ψύχονται σε επαρκώς χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτοί οι μαγνήτες λειτουργούν σε θερμοκρασία 1,9 βαθμών Κέλβιν (-271°C), το οποίο επιτυγχάνεται με την κυκλοφορία 70.000 λίτρων υγρού ηλίου εντός ενός κλειστού κυκλώματος γύρω από τον επιταχυντή. Το μπολ της σαλάτας λειτουργεί το ίδιο όπως οι μαγνήτες, περιορίζοντας την κίνηση της μπάλας και αναγκάζοντάς την να κινηθεί σε κυκλική τροχιά – ευτυχώς, λειτουργώντας σε θερμοκρασία δωματίου.

Ανιχνευτές σωματιδίων

Η επιτάχυνση των σωματιδίων είναι μόνο το πρώτο μισό της ιστορίας. Οι επιταχυντές σωματιδίων αυξάνουν την ταχύτητα των σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες προτού κατευθυνθούν σε έναν καθορισμένο στόχο (όπως ένα λεπτό κομμάτι μεταλλικού φύλλου) ή τα  αναγκάζουν να συγκρουστούν στρέφοντας δύο δέσμες σωματιδίων την μία πάνω στην άλλη. Σε επιταχυντές όπως είναι ο LHC, δύο δέσμες σωματιδίων κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις, η μία δεξιόστροφα και η άλλη αριστερόστροφα και αναγκάζονται να συγκρουστούν σχεδόν μετωπικά σε συγκεκριμένα σημεία. Ανιχνευτές είναι τοποθετημένοι γύρω από το σημείο-στόχο με σκοπό να συγκεντρώσουν πληροφορίες σχετικά με τα σωματίδια τα οποία προκύπτουν από τη σύγκρουση, όπως είναι η ταχύτητά τους, η μάζα και το φορτίο τους. Από αυτές τις πληροφορίες, οι επιστήμονες ίσως ανακαλύψουν νέα σωματίδια ή πώς αλληλεπιδρά το ένα σωματίδιο με το άλλο. Έτσι οι ερευνητές στο CERN ανακάλυψαν το μποζόνιο του Χιγκς, ένα σωματίδιο το οποίο θεωρείται πως δίνει μάζα σε όλα τα άλλα σωματίδια του σύμπαντος.

Ερωτήσεις για τους μαθητές

Γιατί η σφαίρα περιστρέφεται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση;

Το αν η σφαίρα περιστρέφεται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα καθορίζεται από την αρχική ώθηση που δίνεται στη σφαίρα. Εάν η μπάλα ξεκινήσει από ηρεμία, θα απομακρυνθεί από τη φορτισμένη λωρίδα προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση ανάλογα με την ακριβή θέση της μπάλας, επομένως είναι δύσκολο να προβλεφθεί. Μετά από μερικές τυχαίες κινήσεις, μια κατεύθυνση επιλέγεται  και η σφαίρα αρχίζει να επιταχύνεται.

Θα μπορούσατε να κάνετε την μπάλα να γυρίσει αντίστροφα; Πως;

Απλώς πάρτε το πλαστικό κουτάλι και δώστε της μια ώθηση προς στην αντίθετη κατεύθυνση.

Πώς θα μπορούσατε να κάνετε την μπάλα να περιστρέφεται γρηγορότερα;

Η ταχύτητα της σφαίρας περιορίζεται από την τριβή και από το ρυθμό μεταφοράς φορτίου μεταξύ της ταινίας και της σφαίρας. Έχοντας μια πιο λεία μπάλα και μπολ, θα επιτρέψει στην μπάλα να φτάσει στην τελική ταχύτητα πιο γρήγορα, αλλά δεν θα αλλάξει την τελική της ταχύτητα. Το σχήμα του μπολ είναι σημαντικό επειδή η τελική τροχιά της σφαίρας καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ της βαρύτητας, της φυγόκεντρης δύναμης και της κάθετης αντίδρασης. Η κάθετη αντίδραση εμποδίζει την πτώση της μπάλας από το πλαστικό μπολ και επειδή η δύναμη είναι κάθετη στην επιφάνεια του, εξαρτάται από το σχήμα του μπολ.

Τι συμβαίνει εάν χρησιμοποιείτε μια μη επικαλυμμένη μπάλα; Γιατί;

Χωρίς την αγώγιμη επίστρωση, η σφαίρα δε θα μπορούσε ούτε να φορτιστεί ούτε να αποφορτιστεί, επομένως δεν θα επιταχυνόταν.

Επιταχυντές επόμενης γενιάς

Οι επιταχυντές σωματιδίων είναι πολύπλοκες και τεχνολογίας αιχμής μηχανές των οποίων η ανάπτυξη συνήθως απαιτεί συνεργασίες μεταξύ ανθρώπων από διαφορετικές χώρες, που εργάζονται σε πολύ διαφορετικούς τομείς. Χρειάστηκαν σχεδόν 30 χρόνια για χιλιάδες επιστήμονες, μηχανικούς και τεχνικούς να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν τον  LHC.

Ενώ ο μεγαλύτερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο έχει ακόμα μπροστά του αρκετές δεκαετίες λειτουργίας, ερευνητές από ιδρύματα σε όλο τον κόσμο συνεργάζονται μαζί για να σχεδιάσουν την επόμενη γενιά επιταχυντών. Ο αντικαταστάτης του LHC θα τεθεί πιθανότατα σε λειτουργία τη δεκαετία του 2040, οπότε οι περισσότεροι επιστήμονες που θα το χρησιμοποιήσουν βρίσκονται σήμερα στο σχολείο. Ο επιταχυντής σε μπολ σαλάτας  ίσως τους δώσει ένα προβάδισμα.

Ευχαριστίες

Η έμπνευση για αυτή τη δραστηριότητα προέρχεται από τους φυσικούς Todd Johnson (Fermilab) και Suzie Sheehy (Oxford University) οι οποίοι δουλεύουν στο πεδίο της επιτάχυνσης σωματιδίων.

Download

Download this article as a PDF