Stød imellem α-partikler på CERN?

Hej Spørg om Fysik
Når man smadrer protoner sammen i en accelereator som CERN, så smadres disse, men hvad hvis man skiftede protonerne ud med alpha-partikler (helium-4-kerner)? Alpha-partikler har jo boson-karakter.

Naturligvis vil der være en vældig modstand på grund af ladningen, men hvis alpha-partiklerne kommer ind i nærheden af hinanden, vil de så bare "gå igennem hinanden" ligesom fotoner, altså fordi alpha-partiklerne har boson-karakter og ikke fermion-karakter?

Med venlig hilsen
G M

Det er rigtigt, at alpha partikler er bosoner, og derfor er det i princippet tilladt for to alpha partikler at besætte den samme kvantetilstand, f.eks. at have nøjagtigt samme hastighed. Men partikler som bringes til kollision med en accelerator har voldsomt forskellige tilstande: den ene flyver den ene vej, og den anden flyver den anden vej, så det faktum at de er bosoner spiller ingen rolle i sammenstødet.

Proton-proton sammenstød, karakteristisk måleresultat (efter computerbehandling)

Det er også rigtigt at fotoner, lyspartikler, kan gå durk igennem hinanden. Men det har ikke at gøre med, at fotonen er en boson. Det skyldes at fotonen ikke har nogen elektrisk ladning, og derfor ikke "mærkes" af en anden foton.

 En alpha partikel, derimod, har i høj grad ladning, ikke bare elektrisk ladning, men også den type "ladning" som mærkes af den stærke kernekraft, som holder sammen på atomkernerne på trods af den elektriske frastødning mellem protonerne.

CERN fra luften

Derfor vil to alpha partikler, som kolliderer (dvs rammer hinanden indenfor nogle få fermi (1 fermi= 10^{^-15} m)), som oftest gå i stykker, og hvis energien er høj nok, vil der også blive skabt andre partikler i sammenstødet. Husk på, at den energi det koster at fjerne en proton eller en neutron fra en atomkerne, er af størrelsesorden 10 MeV, mens en accelerator producerer stråler med mange GeV eller, som LHC, mange TeV kinetisk energi.

Derfor er der ingen, eller kun lidt, forskel på, om man støder to alpha partikler sammen eller støder to gange fire frie protoner og neutroner sammen. 

CERN under jorden

Dette gælder ved høje energier. Ved sammenstødsenergier i MeV området kan alpha
partikler reagere som et hele med hinanden. Det er det, der sker, i den sidste fase af en stjernes liv. Her går 3 alpha partikler sammen, via en kompliceret kæde af processer, og danner carbon. Carbon er helt afgørende for biologisk liv og således for vores eksistens. Dit spørgsmål er derfor ganske fundamentalt.

Med venlig hilsen
Peter Hansen

CERN's Datacenter som yder databehandlingen