Kompleks akceleratorów w CERN-ie...
LEP był sztandarowym urządzeniem badawczym CERN-u do 2000 roku. Został uruchomiony w 1989 roku i przez ponad dziesięć lat przeprowadzano w nim cztery wielkie eksperymenty ze zderzającymi się wiązkami przeciwbieżnymi, zwane ALEPH, DELPHI, L3, i OPAL. LEP przyspieszał wiązki impulsowane i na ogół pracował z czterema impulsami elektronów i czterema impulsami pozytonów krążącymi w przeciwnych kierunkach. Impulsy te zasadniczo mogły się zderzać w ośmiu punktach pierścienia, jednak w praktyce używano tylko czterech, odpowiadających wspomnianym czterem eksperymentom.
Każdy impuls wiązki zawierał około 250 miliardów cząstek. Miał niewiele ponad centymetr długości i ułamek milimetra szerokości oraz grubości. Daje to wyobrażenie, jak niewiarygodnie maleńkie są elektrony.
Wiązki biegły w LEP-ie z szybkością niemal równą szybkości światła. Różnica była tak nieznaczna, że gdyby jednocześnie wysłano wiązkę elektronów z LEP-u i wiązkę światła w stronę oddalonego od Ziemi o 384 500 kilometrów Księżyca, u celu światło wyprzedziłoby elektrony zaledwie o pięć milimetrów! Przy takiej szybkości cząstki w LEP-ie wykonywały 11 200 okrążeń na sekundę, co oznacza, że w czterech detektorach wiązki przenikały przez siebie 44 800 razy na sekundę. Fakt, że do zderzenia między pojedynczymi elektronami i pozytonami dochodziło zaledwie kilka razy na sekundę jest kolejnym dowodem świadczącym o znikomych rozmiarach elektronów.
Kompleks akceleratorów w CERN-ie...
...w znacznej części umieszczony jest pod ziemią. Na powyższym zdjęciu białe okręgi wskazują gdzie się znajduje.
Cząstki zderzane w LEP-ie rozpoczynały życie w liniowym wstrzykiwaczu (iniektorze) o nazwie LIL (skrót od angielskiej nazwy Linear Injector for LEP). Następnie gromadzono je w urządzeniu zwanym akumulatorem elektronów i pozytonów EPA (skrót od angielskiej nazwy Electron-Positron-Accumulator), aż zebrało się ich wystarczająco wiele, by utworzyć impuls wiązki. Przed wstrzyknięciem do LEP-u impulsy były kolejno przyspieszane w mniejszych akceleratorach zwanych PS i SPS, będących również niezależnymi urządzeniami badawczymi. Zanim zderzyły się w obrębie czterech układów eksperymentalnych, otrzymywały w LEP-ie końcowy zastrzyk energii. Kołowy akcelerator cząstek, taki jak LEP, zbudowany jest głównie z magnesów, które prowadzą wiązkę wzdłuż pierścienia. Pracuje w następujący sposób:
Cząstki naładowane w polu magnetycznym poruszają się po zakrzywionych torach...
...zatem w celu utrzymania impulsów wiązki cząstek na orbitach stosuje się potężne magnesy dipolowe.
Ponieważ energie cząstek zależą wprost od napięć przyspieszających, fizycy używają jednostki energii opartej na napięciu. Elektron przyspieszany od spoczynku w polu o napięciu 1 wolta uzyska energię 1 elektronowolta, eV. Odpowiada to około 10-19 dżula, zatem w fizyce cząstek dość niewygodnie byłby stosować tę jednostkę.
Jeżeli elektron i pozyton są przyspieszane w polu o napięciu 470 megawoltów, każdy z nich uzyskuje energię 470 megaelektronowoltów lub 470 MeV. Jeśli następnie zderzą się czołowo, całkowita energia zderzenia wyniesie 940 MeV.
Zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E = mc2, które mówi, że materia i energia mogą przechodzić w siebie nawzajem, energia ta wystarczyłaby do wytworzenia neutronu. Właśnie dlatego w fizyce cząstek także masy cząstek wyraża się w elektronowoltach:
Dla prostoty, fizycy często po prostu przytaczają masy w elektronowoltach pamiętając, że zawsze występuje tam jeszcze dzielnik c2. Z tego właśnie powodu często spotyka się fizyków używających elektronowoltów jako jednostek zarówno energii, jak i masy.
Dane wykorzystane na tym CD-ROM-ie uzyskano podczas zderzeń elektronów i pozytonów przyspieszanych w LEP-ie do energii około 45 miliardów elektronowoltów, a dokładnie mówiąc 45.625 GeV (gigaelektronowoltów), co dawało energię zderzenia równą 91.25 GeV. Jest to dokładnie energia potrzebna do wytworzenia cząstki Z.
Wydaje się, że to bardzo dużo energii, ale w rzeczywistości jest to zaledwie około jednej dziesiątej energii kinetycznej lecącego komara. Różnica jest taka, że energia zderzających się cząstek jest skupiona w maleńkim obszarze przestrzeni, około dziesięć tysięcy milionów milionów razy mniejszym od komara, dlatego właśnie prowadzi do zjawisk, którymi interesują się fizycy.
