La fusione protone-protone avviene a energie intorno a 15 keV. L'LHC attualmente funziona a un'energia di 13 TeV, che è letteralmente un miliardo di volte più grande. La fusione è uno dei processi a più bassa energia che potrebbero verificarsi all'LHC e la maggior parte delle reazioni interessanti studiate lì vanno ben oltre fusione nucleare.

Un protone è costituito da frammenti di materia fondamentali, puntiformi, chiamati quark, tenuti insieme da portatori di forza chiamati gluoni. Questi quark sono legati insieme a una certa energia di legame ; i quark sono anche relativamente leggeri, quindi questa energia di legame costituisce effettivamente la maggior parte della massa del protone. In altre parole, l'energia di legame del protone è approssimativamente uguale alla massa del protone.

Quando si scontrano i protoni con un'energia molto al di sotto della sua massa, il protone agisce come un singolo oggetto. Questo è il regime in cui si verifica tipicamente la fisica nucleare; tutte le reazioni che rompono i nuclei e l'energia che li tiene insieme sono in genere abbastanza piccoli da funzionare per trattare il protone come una singola unità la maggior parte del tempo. Ciò include la fusione nucleare; la massa del protone è 938 MeV e la quantità di energia richiesta per la fusione nucleare (15 keV, come abbiamo detto) è decine di migliaia di volte inferiore a quella.

Se invece decidiamo di far collidere i protoni a energie superiori di poche volte la massa del protone, allora c'è abbastanza energia nella reazione perché i quark all'interno dei protoni interagiscano tra loro direttamente. Non possiamo più trattare i protoni come oggetti singoli, poiché l'energia coinvolta nella reazione è sufficiente per esporre i suoi componenti interni. Man mano che l'energia di collisione diventa sempre più alta, l'energia di legame del protone diventa sempre meno rilevante e l'immagine di due dense nubi di quark e gluoni che interagiscono diventa sempre più accurata. Queste reazioni hanno energia sufficiente per produrre ogni sorta di materia esotica, particelle che non potresti mai trovare in un nucleo, né potresti crearle mediante fusione nucleare. L'energia attuale dell'LHC è all'incirca diecimila volte maggiore della massa del protone; a quelle energie, la massa del protone e l'energia di legame sono completamente trascurabili e le reazioni interessanti sono interamente guidate da quark e gluoni individuali che interagiscono tra loro. Il protone è semplicemente un veicolo per noi per fornire pezzi di materia fondamentale al sito della collisione. Se ci fosse un modo per far collidere solo quark liberi e gluoni liberi, senza tutto il caos generato dal protone, molti fisici delle particelle coglierebbero al volo l'occasione. (Sfortunatamente, questo risulta essere impossibile.)

C'è sicuramente molta fisica estremamente interessante da fare a livello di fisica nucleare e la nostra comprensione della dinamica dei nuclei è oggetto di una grande quantità di ricerche attive in altri esperimenti.Ma semplicemente non è ciò che le collisioni protone-protone all'LHC intendono esplorare.Le collisioni protone-protone sono in realtà meglio pensate come collisioni quark-quark , o collisioni quark-gluon o collisioni gluone-gluone .Non hanno lo scopo di studiare i protoni, motivo per cui i protoni vengono spesso completamente distrutti nella collisione, trasformati in materia esotica che poi decade di nuovo in materia ordinaria.Le collisioni protone-protone hanno lo scopo di trarre conclusioni sulle interazioni delle particelle fondamentali e ciò richiede un'accelerazione a energie estremamente elevate, molto al di sopra di ciò di cui avresti bisogno o che vorresti per la fusione nucleare.

Quindi, dato questo, perché i fisici dell'LHC non sono preoccupati di innescare la fusione nucleare? La risposta è abbastanza semplice: sebbene ogni individuo protone abbia un'energia un miliardo di volte maggiore della soglia di fusione, la quantità totale di energia che viene rilasciata nell'area circostante è ancora piuttosto gestibile, su scala macroscopica. Dopotutto, 13 TeV è ancora solo circa un microjoule di energia, che è circa un miliardo di volte inferiore alla quantità di energia che il Sole impartisce a un metro quadrato di Terra ogni secondo. Detto questo, si verificano circa 600 milioni di collisioni al secondo, quindi decisamente non vuoi stare vicino al punto di interazione. Ciò è particolarmente vero poiché le singole particelle di radiazione rilasciate hanno un'energia media molto più alta, il che significa che sono molto più nocive in termini di danni alla vita e agli oggetti inanimati rispetto alla radiazione del Sole. Per questo motivo, l'elettronica del rivelatore deve essere appositamente progettata per affrontare questo ambiente ad alta radiazione estrema; anche l'accesso umano all'hardware sperimentale è strettamente controllato ed è completamente vietato quando l'acceleratore è in funzione. Ma alla fine stiamo parlando di circa pochi kilowatt, al massimo, di radiazioni rilasciate nell'ambiente in ogni sito di collisione. È una quantità di energia abbastanza grande quanto un uomo ed è più o meno equivalente alla potenza di riscaldamento di una stufa di grandi dimensioni (ma, ancora una volta, in una forma molto più dannosa rispetto al calore rilasciato da una stufa). Questo era in base alla progettazione: il tasso di collisione all'LHC è stato scelto in parte in modo che fosse fattibile costruire un rilevatore in grado di resistere all'afflusso di radiazioni. Le esplosioni nucleari richiedono molte, molte reazioni che avvengono tutte contemporaneamente, motivo per cui hanno un tale potere distruttivo. L'LHC si scontra al massimo con pochi protoni individuali alla volta.

Quindi, dato tutto questo, l'LHC sarebbe un terribile reattore a fusione.La sua energia è troppo alta per innescare effettivamente la fusione nucleare in modo affidabile e l'energia rilasciata nelle collisioni è minuscola rispetto all'energia richiesta per mantenere in funzione i raggi, quindi sarebbe incredibilmente inefficiente.

Come sottolineato nei commenti, l'energia nell'LHC è molto alta. Abbastanza alte che le interazioni siano con i partoni all'interno del protone, dove un partone è uno qualsiasi dei 3 quark di valenza (u, u, d) o uno qualsiasi dei numeri divergenti di quark marini, antiquark o gluoni.

Una reazione di fusione come:

$$ p + p \ rightarrow d + W ^ + \ rightarrow d + e ^ + + \ nu_e $$

è improbabile perché lo stato iniziale coinvolge 2 protoni coerenti e lo stato finale coinvolge un deuterone legato coerente e 2 leptoni puntiformi.

La dipendenza energetica di una tale reazione può essere considerata con le regole di conteggio dei componenti: in pratica, conti il ​​numero, $ n $ , delle particelle puntiformi che partecipano alla reazione e ottieni:

$$ \ sigma \ propto \ frac 1 {s ^ {n-2}} $$

dove $ s $ è il centro di energia di massa al quadrato. Con 6 quark sia nello stato iniziale che in quello finale più un bosone W nello stato finale, ottieni:

$$ \ sigma \ propto \ frac 1 {s ^ {11}} \ propto \ frac 1 {E ^ {22}} $$

Questo è fondamentalmente un ridimensionamento dimensionale: il deuterone e ciascun protone sono una raccolta non interagente di particelle puntiformi, compresse in un disco piatto dalla contrazione di Lorentz. La probabilità che ciascun costituente sia vicino corrisponde alla lunghezza d'onda al quadrato o $ E ^ 2 = s $ .

In altre parole: la lunghezza d'onda di de Broglie a 7 TeV è 0,000029 fm (un protone ha un diametro di circa 1,6 fm), quindi devi selezionare il pezzo della funzione d'onda del protone che ha tutti i quark che si avvicinano, per ciascuno protone, e anche per lo stato finale dei nucleoni ... e hai bisogno di un bosone W anche in quel minuscolo disco. Qualsiasi altra cosa e lo stato iniziale o finale vengono distrutti.

Dato che la temperatura nel nucleo del Sole è 1,25 keV e $ \ sqrt s = 14 TeV $ all'LHC, la fusione dovrebbe essere soppressa da:

$$ f = \ big [\ frac {1.25 \, {\ rm keV}} {7 \, {\ rm TeV}} \ big] ^ {22} \circa 10 ^ {- 221} $$

Inoltre, l'emivita di un protone del nucleo solare è di circa 5 miliardi di anni, in una "zuppa" con una densità di 100 grammi per cc.Il confronto con il punto di interazione LHC richiederebbe la conoscenza della dimensione dello spot e del ciclo di lavoro ... ma è sufficiente dire che la scala temporale per una singola reazione di fusione è dell'ordine dell'aspettativa di vita del nostro Universo (rispetto alla morte per calore), più o meno $ 10 ^ {100} $ .

Un semplice fatto sperimentale sull'LHC è che tutte le reazioni dei protoni sui protoni avvengono nel vuoto.Come spiegano le altre risposte, l'energia nei fasci è troppo alta per consentire ai due protoni di fondersi in deuteroni, invece l'energia "si fonde" per generare le particelle studiate negli esperimenti.Le traiettorie di queste particelle attraversano rivelatori che depositano energia in modo da poterne studiare l'interazione principale.

E come corollario, possono riutilizzare il CERN per diventare un reattore a fusione?

Un reattore significa che verrà emessa più energia di quella spesa per generare i raggi, e questo non è possibile con il design LHC, che funziona con energie elevate.Ci sono esperimenti per la fusione di fasci in collisione e le collisioni tra protoni non sono una loro scelta.

(Dichiarazione di non responsabilità: non sono un fisico. Eventuali correzioni necessarie saranno debitamente incorporate.)

Le altre spiegazioni sono buone, ma per chi vuole qualcosa di un po 'più a livello di profano offro questo:

Se temi che in qualche modo un esperimento si traduca in una reazione incontrollata che finisce per distruggere un sacco di cose, questo dovrebbe aiutarti a capire perché non è un problema.

Le reazioni di fusione che avvengono al centro delle stelle (come il nostro sole) richiedono temperature e pressioni immense, e queste pressioni devono essere sostenute abbastanza a lungo da far sì che la reazione abbia luogo e che l'energia da essa sia contenuta in modo che può far reagire anche più reagenti nelle vicinanze.

Al centro di una stella (come il nostro sole), questo non è un problema. Le temperature e le pressioni sono presenti, e sono contenute dal peso di tutto il materiale stellare che lo circonda. Anche l'energia rilasciata dalla reazione è contenuta in misura elevata (parte di essa, dopo alcune migliaia di anni, sfugge e diventa la luce che ci illumina). Inoltre, c'è abbondanza di materiale non reagito (protoni ed elettroni liberi), che prendono parte alla reazione continua. Dovrebbe anche essere chiaro che al centro di una stella non c'è davvero nessuna reazione incontrollabile; le cose procedono a un ritmo molto costante che è sorprendentemente lento. Ci vorranno miliardi di anni prima che il Sole arrivi al punto in cui questa reazione cessa.

In una bomba all'idrogeno, che è una reazione incontrollata, il processo inizia con un'esplosione nucleare più piccola (da un dispositivo di fissione), che crea la temperatura e la pressione iniziali necessarie per la fusione, e c'è una grande quantità di fusione materiale (idrogeno e litio, se ho capito bene queste cose), che viene riscaldato e pressurizzato dalla bomba a fissione al punto che i reagenti di fusione possono fondersi. Questo è contenuto solo dall'inerzia del materiale di fusione, ma questo fa il lavoro per tutto il tempo necessario. Boom.

Nel reattore del CERN, l'energia iniziale è sufficiente per portare solo una piccola quantità di materiale alle temperature necessarie, quindi c'è meno energia originale per cominciare.

Inoltre, qualsiasi materiale fusibile presente nel bersaglio è presente in quantità molto inferiore. Ciò significa che è possibile una minore fusione totale e anche un contenimento molto meno momentaneo dall'inerzia dei materiali target.

Non esiste altra fonte di contenimento che preserverà le condizioni necessarie affinché la reazione continui. Invece di essere tenuta in posizione per aiutare la reazione a continuare, molta energia di rilascio sfugge. In effetti, il motivo principale per cui non abbiamo la fusione nucleare come fonte di energia fattibile è perché non abbiamo tali mezzi di contenimento.

Di conseguenza, invece di un intero lotto di materiale fusibile che diventa improvvisamente abbastanza caldo da fondersi e rilasciare un'enorme quantità di energia da questo, una piccola quantità di materiale si riscalda, subisce qualsiasi reazione sia possibile e poi esplode in un scoppio molto piccolo, e questa è la fine della reazione. A meno che non mi sbagli, i petardi che puoi acquistare su molti bordi delle strade sono più potenti. I suoi effetti non sfuggono a quell'ambiente.

E come corollario, possono riutilizzare il CERN per diventare un reattore a fusione ?

In teoria, sì.Tuttavia, i sistemi di fusione guidati da acceleratori, più generalmente noti come fusione a fascio in collisione, presentano una serie di problemi puramente teorici che suggeriscono che non sarà mai un sistema energeticamente positivo.

In quanto sistema puramente sperimentale per lo studio della fusione, il CERN funzionerebbe.Ma anche macchine molto più piccole che costano ordini di grandezza inferiore :-)