Was würde passieren, wenn der Large Hadron Collider Elektronen kollidieren lassen würde?

Zunächst einmal – es würde nicht „ Large Hadron Collider “ heißen, richtig?
Sieht so aus, als würde man es eher so etwas wie " Large Electron-Positron Collider " nennen.
In diesem Fall bräuchte man definitiv eine andere Abkürzung dafür. So etwas wie " LEP " statt " LHC "...

Ratet mal, was vorher im selben Tunnel war ?

Bearbeiten: Da mein Spielereien populär wurde, werde ich näher darauf eingehen.

• Ja, es waren tatsächlich kollidierende Elektronen und Positronen, nicht Elektronen-Elektronen. Hauptsächlich wegen der reichhaltigeren Physik solcher Kollisionen. ( Aber für meine theoretische Sichtweise: Positron ist nur ein Elektron, das in der Zeit zurückgeht. )

• Warum der gleiche Tunnel? Vielleicht überraschenderweise übernimmt der Tunnel einen wesentlichen Teil der Kosten eines Beschleunigers. Das Graben eines neuen für den LHC hätte definitiv ein großes Loch in die Tasche des CERN gebrannt.

• Bei einem festen kreisförmigen Tunnel (seinem Radius) haben Sie tatsächlich eine Energiegrenze, die Sie für Ihre Partikel haben können. Aufgrund von Synchrotronstrahlung - siehe Antwort von @emarti für mehr.

• 27 Kilometer scheinen eine vernünftige Grenze für die Größe eines kreisförmigen Tunnels zu sein. ( Eigentlich denken die Leute an 233 km, aber das klingt für mich verrückt. ) Der nächste Beschleuniger wird also höchstwahrscheinlich linear sein und es wird ein Elektron-Positron sein.

PS : Haben Sie schon von einem Photon Collider gehört?

Bei der Beantwortung dieser Frage gibt es zwei Punkte:

1. Design: Das Design des Colliders müsste anders sein. Elektronen/Positronen in einem Zyklotron strahlen Synchrotronstrahlung aus, wenn sie beschleunigt werden (was selbst ein nützliches Gerät ist ). Um über einige GeV zu kommen, verwenden Forscher Linearbeschleuniger wie SLAC . Der vorgeschlagene International Linear Collider ist ein Design, das TeV-Energien erreichen soll, die nahe an dem liegen, was der LHC bereits mit Protonen erreicht.

2. Wissenschaft: Ja, Elektron-Elektron- oder Elektron-Positron-Kollisionen sind sehr nützlich beim Studium der Teilchenphysik. Das Signal ist "sauberer", da Elektronen keine zusammengesetzten Teilchen sind, und es ist einfacher, die Wirkungsquerschnitte zu berechnen. Im Gegensatz dazu ist es sehr schwierig zu berechnen, wie zwei kollidierende Protonen mit sechs Quarks zerfallen werden, um es gelinde auszudrücken. Eine klassische Geschichte von Elektron-Elektron- und Proton-Proton-Collidern, die sich gegenseitig ergänzen, war die Entdeckung des J/psi-Mesons . Die allgemeine Idee, die ich gehört habe, ist, dass Proton-Proton-Collider höhere Energien erreichen können, Elektron-Positron-Collider jedoch tendenziell eine bessere Energieauflösung und sauberere Signale haben.

Der eigentliche Grund, warum LEP aufhörte, zu höheren Energien zu gehen (es erreichte in der letzten Stufe, LEPII, einen Massenschwerpunkt von über 200 GeV) und der Tunnel für LHC verwendet wurde, ist die Synchrotronstrahlung .

Beachten Sie, dass die Strahlungsleistung proportional zu 1/m^4 ist

Es ist nicht möglich, einem kreisförmigen Elektronenstrahl die Energie zuzuführen, die benötigt wird, um ihn auf höhere Energien im Radius von LEP anzuheben, es ist ein verlorenes Spiel, die Energie würde in die Speisung der Synchrotronstrahlung fließen. Der Grund, warum derselbe Radius für Protonen mit viel höherer Energie verwendet werden kann, ist das Verhältnis der Massen von Elektron zu Proton.

Synchrotronstrahlung ist in Linearbeschleunigern nicht vorhanden, und deshalb wird der nächste Elektron-Positron-Beschleuniger ein Linearbeschleuniger, der ILC , sein .

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Was würde passieren, wenn die Wissenschaftler Leptonen anstelle von Hadronen verwenden würden?

Es ist bei LEP und LEPII mit Elektronen auf Positronen passiert. Wenn die Streuung nicht elastisch ist, erscheinen viele Hadronen sowie Leptonen und Z-Bosonen. Die Daten von LEP bestätigten die Berechnungen des Standardmodells für Elementarteilchen mit großer Genauigkeit.

Insbesondere: Was würde passieren, wenn sie mit Elektronen kollidieren würden?

Aus dem vorherigen Absatz sagt das Standardmodell voraus, was passieren würde, wenn Elektronen an Elektronen gestreut würden: Alle Varianten der Möglichkeiten des Feynman-Diagramms würden ebenfalls auftreten.

Insbesondere: Was würde passieren, wenn sie mit Elektronen kollidieren würden?

Falls Sie wirklich Elektron auf Elektron (und nicht Elektron auf Positron) gemeint haben: Für eine "Entdeckungs" -Maschine ist es nützlich, einen Anfangszustand zu haben, der in jeder Hinsicht "neutral" ist: keine Nettoladung (Elektronen und Positronen haben entgegengesetzte Ladung; Protonen enthalten nicht nur Quarks, sondern auch eine beträchtliche Menge an Antiquarks und Gluonen), kein Netto-Lepton-Geschmack usw.

Bisher bleibt der Lepton-Flavor fast vollständig erhalten, sodass ein ee-Collider überwiegend Endzustände mit einer Elektronen-Flavour-Zahl von zwei erzeugen würde, was für ein neues Fundamentalteilchen ziemlich unnatürlich wäre.

Was würde passieren, wenn die Wissenschaftler Leptonen anstelle von Hadronen verwenden würden?

Andere haben darauf hingewiesen, dass dies bis zum Jahr 2000 im LHC-Tunnel (LEP) geschah und durch die Synchrotronstrahlungsverluste begrenzt ist (während der LHC durch die erreichbaren Felder in den Biegemagneten begrenzt ist).

Es gibt auch das Konzept eines Myon-Colliders , der ähnliche Eigenschaften wie ein e+ e-Collider hätte (bekannter Anfangszustand vier Impulse usw.), aber dies ist technologisch sehr anspruchsvoll, hauptsächlich aufgrund der Auftriebszeit des Myons von nur zwei Mikrosekunden. Es würde aber zum Beispiel erlauben, die Masse des Higgs-Teilchens auf keV-Präzision zu messen, wenn ich mich recht erinnere (durch Scannen der Strahlenergie, ähnlich der Bestimmung der Masse und Zerfallsbreite des Z-Teilchens bei LEP).

Was würde passieren, wenn die Wissenschaftler Leptonen anstelle von Hadronen verwenden würden?

Sie würden in die entgegengesetzte Richtung gehen – Elektronen haben die entgegengesetzte Ladung zu Protonen. Der LHC verwendet keine Elektronen, da Protonen 2000-mal schwerer sind, sodass Sie bei der Kollision viel mehr Energie erhalten.

Insbesondere: Was würde passieren, wenn sie mit Elektronen kollidieren würden?

Nicht viel - sie würden aneinander abprallen. Elektronen (soweit wir wissen) brechen nicht auseinander (und nicht bei diesen niedrigen Energien)

Ist es nicht intrinsisch, dass alle Teilchen aus kleineren Teilchen bestehen?

Wahrscheinlich nicht. Wir kennen keine Bestandteile eines Elektrons, aber wir wissen auch nicht, warum es die gleiche Ladung wie ein Proton haben sollte, wenn es nicht aus dem gleichen Material besteht - also würde ich keine Wetten eingehen.

Könnten wir sie mit der aktuellen Technologie erkennen?

Dann wären das logischerweise die kleinsten Teilchen, die wir nachweisen könnten ... und so weiter ....

Dies ist eine interessante Frage, auf die aus verschiedenen Blickwinkeln einige interessante Antworten gegeben wurden.

Mich interessiert, was bei den Elektron-Elektron-Kollisionen bei diesen hohen Energien passieren wird. Es ist wahr, dass bei niedrigen Energien die beiden Elektronen voneinander abprallen, es passiert nicht viel. Bei sehr hohen Energien dachte ich jedoch, dass das folgende Ergebnis möglich sein könnte (es ist möglich, ein Feynman-Diagramm zu zeichnen, um die Wahrscheinlichkeitsamplitude für ein solches Ereignis zu berechnen.) Entschuldigung, ich habe nicht gelernt, wie man Zeichnungen einbringt, also ich werde es nur beschreiben:

Als die$e^-$und$e^-$sich einander nähern, könnten sie über die schwache Kraft interagieren. Elektron 1 würde a emittieren$W^-$und werde zu einem$\nu_e$die als freies Teilchen entstehen würde. Das$W^-$könnte elektromagnetisch mit Elektron 2 wechselwirken und beide Teilchen würden in einige andere Richtungen streuen. Das$W^-$würde dann zerfallen$e^-+\bar{\nu_e}$. deshalb, die$e^--e^-$Kollision könnte als dienen$\nu_e-\bar{\nu_e}$erzeugende Maschine?

$e^-+e^- -->e^-+e^- + \nu_e+\bar{\nu_e}$.

Leider kennen wir keinen anderen Mechanismus, um völlig neue Physik vorherzusagen.