Acceleratorfysik
– Varför låter man partikelskurar kollidera i CERN?
Då man accelererat partiklar till stora kinetiska energier, kan man låta dem kollidera med
strålmål och hoppas att någonting intressant inträffar. I många experiment låter man
partikelskurar frontalkrocka i stället för att använda så kallade stationära strålmål. Varför det?
Vi skall undersöka ett enkelt fall.
Bilden visar tvåpartiklar, i detta fall för enkelhetens skull med samma massa. Den vänstra rör
sig mot den högra som är stationär. En stund senare kolliderar partiklarna. Vad händer?
Vi har två invarianslagar att räkna med:
- Rörelsemängden ∑ p = ∑ mv måste bevaras
-
Den totala energin bevaras
Om kollisionen är elastisk kan vi gå ännu längre. Då bevaras per definition också den
kinetiska energin. Vi antar att kollisionen inte riktigt är central, utan en aning sned. Vad gäller
efter kollisionen?
Bilden visar ett exempel för hur partiklarna rör sig. Detta behandlas i samband med kurserna i
fysik i gymnasiet. Vi koncentrerar oss på en viktig detalj. Rörelsemängden är olika noll.
Eftersom den första partiklen avviker från den ursprungliga (prickade) rörelseriktningen,
måste den andra partiklen sättas i rörelse så att den totala rörelsemängdens riktning överlever
kollisionen. En del av den kinetiska energin för den rörliga partikeln före kollisionen måste
åtgå för att få den stillastående partikeln i rörelse. (Den totala kinetiska energin konserveras
om kollisionen är elastisk.)
I ett stillastående strålmål förbrukas en del energi i partikelstrålen för att försätta strålmålets
atomer i rörelse. Resten kan användas för att skapa eventuella nya partiklar.
1
Nu ser vi på en annan möjlighet:
Nu är partiklarna på väg mot varandra med lika stora hastigheter. Den totala rörelsemängden
är noll. Det bör den vara också efter kollisionen. Om denna är fullständigt oelastisk, klibbar
partiklarna ihop. Om den är fullständigt elastisk, studsar partiklarna ifrån varandra utan
förluster i kinetisk energi.
Fördelen med det senare stället är att partiklarna i principunder ett oändligt kort ögonblick
stannar upp helt och hållet. Hela den kinetiska energin i systemet är under detta korta ögonblick tillgängligt för bildande av eventuella nya partiklar!
Kolliderande partikelskurar garanterar alltså ett effektivare utnyttjande av den kinetiska energi
partikelskurarna har.
2
