Akcelerator to urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła w próżni. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w polu elektrycznym, a obiekt bombardowany przez tak rozpędzone cząstki nazywany jest tarczą lub targetem.
Podstawy fizyki akceleratorów
Akceleratory są podstawowym narzędziem badawczym fizyki jądrowej. Służą do rozpędzania cząstek elementarnych i zderzania ich ze sobą w celu przeprowadzania reakcji jądrowych. W rzeczy samej, doprowadzając do zderzeń czołowych między cząstkami w bardzo małej skali, odwzorowujemy wysokoenergetyczne warunki, jakie panowały we wszechświecie w wieku niemowlęcym.
Można powiedzieć, że akcelerator cząstek jest dla fizyków tym samym, czym dla astronoma teleskop. Fizycy cząstek elementarnych próbują zaspokoić olbrzymie pokłady ciekawości, a brnąc ku ostatecznej odpowiedzi, dochodzą do wniosku, że badany obiekt najlepiej po prostu „rozbroić”.
Elektronowolt jako jednostka energii
Kluczowym pojęciem jest elektronowolt (eV). Jak definiuje Leon Lederman, to „ilość energii, którą otrzymałby pojedynczy elektron podczas wędrówki od ujemnego do dodatniego bieguna baterii dającej napięcie jednego wolta”. O ile rozbicie przeciętnego atomu wymaga energii rzędu setek elektronowoltów, o tyle dla dojrzenia kwarków budujących protony i neutrony konieczne jest wygenerowanie mocy liczonej w gigaelektronowoltach (miliardach eV).
Typy akceleratorów
Akceleratory nie są urządzeniami uniwersalnymi - rodzaj przyspieszanych cząstek oraz metoda przyspieszania determinują ich przeznaczenie. Wyróżniamy dwa główne typy konstrukcyjne:
- Akceleratory liniowe (liniaki): Cząstki poruszają się po linii prostej. Współczesne konstrukcje wykorzystują wnęki rezonansowe, w których powstaje zmienne pole elektryczne, nadające cząstkom kolejne „kopnięcia” (ang. kicks).
- Akceleratory kołowe (synchrotrony i cyklotrony): Cząstki krążą wewnątrz pierścienia, co pozwala wielokrotnie korzystać z tych samych urządzeń przyspieszających. Dzięki temu można nadać im znacznie większą energię.
Budowa okrągłego tunelu stanowi trudniejsze przedsięwzięcie, wymagające montażu szeregu potężnych magnesów dipolowych, zakrzywiających tor lotu wiązki. W Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) protony kołują wewnątrz rurki o grubości zaledwie 8 centymetrów, pokonując odległość 27 kilometrów jedenaście tysięcy razy w ciągu każdej sekundy.
Detekcja i analiza danych
Samo wytworzenie nowych cząstek w potężnych akceleratorach nie byłoby wiele warte, gdybyśmy nie potrafili ich mierzyć. Do tego służy detektor cząstek - wielozadaniowe urządzenie złożone z wielu segmentów. Przykładowo, detektor CMS posiada:
| Typ detektora | Funkcja |
|---|---|
| Detektory śladowe | Wyznaczanie torów fragmentów zderzenia |
| Kalorymetry | Pomiar energii cząstek |
| Detektory masy | Identyfikacja cząstek |
Miniaturyzacja: akceleratory przyszłości
Obok ogromnych konstrukcji, jak LHC, naukowcy pracują nad miniaturyzacją. Najmniejszy z dotychczas zbudowanych akceleratorów, o długości zaledwie 0,2 mm, wykorzystuje światło lasera do przyspieszania elektronów. Fale świetlne wchodzą w interakcję z krzemowymi filarami, tworząc pole elektromagnetyczne, które skupia elektrony w wąskie pęczki.
Jak Działa LASER - Najprostsze Wyjaśnienie!
Choć obecnie urządzenia te oddają elektronom jedynie ułamek energii uzyskiwanej w wielkich zderzaczach, technologia ta jest skalowalna. W przyszłości może pozwolić na niezwykle precyzyjne przyspieszanie cząsteczek, co znajdzie zastosowanie np. w medycynie podczas bezpośredniego naświetlania nowotworów za pomocą cienkich sond.
tags: #akcelerator #czastek #kosiarka