Видно ли человеческому глазу столкновение протонов (столкновения, как на БАК)?

На самом деле это действительно хороший вопрос. (И я не из тех людей, которые настаивают на том, что глупых вопросов не бывает; я просто думаю, что нам не следует стесняться задавать глупые вопросы. Во всяком случае, это не глупый вопрос.)

Как вы, возможно, знаете, столкновения между двумя протонами (подобные тем, которые обычно происходят на БАК) могут производить множество различных типов частиц, некоторые из которых являются бозонами Хиггса , но большинство из них более привычны. Фотоны определенно относятся к знакомым типам частиц, которые создаются, и, поскольку люди могут видеть фотоны, по крайней мере в принципе возможно, что мы сможем увидеть возникающую в результате вспышку света. Вопрос в том, достаточно ли ярок этот свет и имеет ли он правильный «цвет», чтобы мы могли его увидеть.

Итак, «цвет» связан с энергией фотона. Предпочтительной единицей измерения энергии в физике элементарных частиц является электрон-вольт (эВ) , и в этих единицах мы видим фотоны с энергией от 1,65 до 3,27 эВ. Таким образом, только если фотон, созданный протон-протонным столкновением, имеет энергию в этом диапазоне, мы могли бы даже увидеть его. БАК предназначен для столкновения протонов с энергией 14 ТэВ (эквивалентно$1.4 \times 10^{13}$эВ, или 14 миллионов миллионов эВ), и большинство (но не все) частиц, образующихся в результате столкновения, будут иметь сравнимые энергии. Таким образом, мы можем ожидать, что большинство фотонов, произведенных этими столкновениями, будут иметь энергию более чем в миллион раз больше, чем мы можем видеть. Они могут случиться, но они будут очень редки. Итак, это цвет; что с яркостью? Что ж, в тех редких случаях мы получим один или, может быть, даже два фотона с нужной для нас энергией. И эта ссылка предполагает, что нам потребуется от пяти до девяти из них для одного события. Так что было бы очень маловероятно, чтобы это произошло за одно столкновение; они обычно не будут достаточно яркими.

С другой стороны, это всего лишь прямые результаты протон-протонных столкновений. Подобные высокоэнергетические столкновения обычно вызывают ливни.других частиц, как только продукты столкновения попадают в какую-либо материю (например, в глаз). Это похоже на удар шара для боулинга о кучу кеглей. Энергия мяча распределяется между кеглями, каждая из которых движется с более низкой энергией, и может поражать другие предметы, которые будут двигаться с еще более низкой энергией, и так далее. Таким образом, такая штука сбрасывала бы в ваш глаз много энергии, большая часть которой была бы в виде видимого света. И это не просто возможно, это вполне вероятно. Конечно, многие вещи, образующиеся в таком потоке частиц, включают в себя различные формы излучения, которые довольно быстро убили бы человека, если бы этот человек подвергся воздействию всей мощности БАК. Но в принципе да, человеческий глаз мог воспринимать результаты одиночного протон-протонного столкновения.

Смежной темой являются визуальные явления космических лучей , в которых астронавты могут видеть вспышки света, которые предположительно возникают из-за взаимодействия отдельных частиц космических лучей с их глазами. Относительно недавнее исследование (за платным доступом) показало, что протоны производят поток частиц, включая видимые фотоны, в различных структурах глаза. Авторы предполагают, что более тяжелые космические лучи могут напрямую стимулировать саму сетчатку. Здесь также есть хороший небольшой (бесплатный) обзор исследования .

Эти столкновения не производят значительного количества света в видимом диапазоне, поэтому простой ответ — «нет».

Они также происходят в вакууме, внутри лучевой трубы, которая сама погребена в детекторном аппарате со стороной более десяти метров и набита хламом, в котором нет места для человека.

Тем не менее, есть несколько способов, которыми ионизирующая частица с высокой энергией могла бы, в принципе, излучать свет в видимом диапазоне. В частности, электромагнитный поток, воздействующий на сам глаз, может производить достаточно черенковского света, чтобы пройти простые фильтры, которые мозг накладывает на вывод сетчатки, и сознательно регистрироваться как синяя вспышка. (Каждая вспышка представляет собой малую часть — значительной! — дозы ионизирующего излучения, которой вы подвергнетесь в ходе этого трюка.)

Если мы предположим область взаимодействия без детектора и физика, достаточно тупого, чтобы находиться в зале, пока луч включен (тщательно обойдя как аппаратные, так и административные блокировки, предназначенные для предотвращения этого), который затем прислоняет голову к лучевой трубе области взаимодействия, вы могли бы сказать: «Я видел один!» время от времени.

Но вы не поймаете меня на этом: я планирую умереть от чего-то другого, кроме радиационного отравления или рака.

Все зависит от вашего определения видимого.

Столкновения элементарных частиц стали видимыми со времен камер Вильсона и пузырьковых камер. Существует хороший сайт с фотографиями пузырьковых камер . К сожалению, рассеяние протонов не так фотогенично, как рассеяние другими частицами, поэтому мне не удалось найти фотографию рассеяния протонов в пузырьковой камере, хотя их должно быть тысячи.

Вот один каон из луча, ударяющий протон в пузырьковой камере и создающий ряд новых частиц из своей избыточной энергии (перейдите к «хотите ли вы увидеть» для списка частиц).

Из-за того, что каон взаимодействовал с протоном в водороде, самая правая дорожка луча дает распыление из 4 дорожек. Более длинная выделенная дорожка явно темная — она произвела большее количество пузырьков на сантиметр, чем, скажем, дорожки луча; это говорит нам о том, что он движется медленнее. (Подробности см. здесь.) Такие следы часто встречаются на изображениях пузырьковых камер и обычно обозначают протоны.

В ссылке есть объяснение того, как работает пузырьковая камера, чтобы сделать видимыми заряженные треки, исходящие от взаимодействия.

Для энергий LHC детекторы становятся более сложными и зависят от электроники и выходных данных компьютера, чтобы получить ту же видимость. Детекторы вершин и другие трековые камеры дают точные изображения взаимодействий, хотя большое количество вершин усложняет жизнь.

Хм, интересный вопрос по крайней мере. Видно, как два шара врезаются друг в друга; нет, виден как свет, излучаемый при столкновении; возможно нет.

Испускаемые фотоны имеют порядок$\rm{}MeV$, около$10^{-13}\rm{}$джоули. Человеческий глаз работает примерно$10^{-5}$. Так что отдельных столкновений нет.

Спинтарископ представляет собой простое устройство, состоящее из небольшого количества альфа-излучателя и экрана из сульфида цинка. Он часто включает лупу для просмотра экрана. Удивительно то, что адаптированный к темноте глаз может ясно видеть вспышки света, возникающие при попадании на экран отдельных альфа-частиц! Вероятно, от столкновения образовалось несколько фотонов видимого света, но глаз может обнаружить свет, произведенный энергией одного ядерного распада.