Jak funguje urychlovač částic?
Akcelerátor částic je fyzikální zařízení, které používá elektrická pole ke zrychlení nabitých částic na obrovské rychlosti, někdy významné zlomky rychlosti světla. Běžné částice, které lze nalézt v urychlovačích částic, zahrnují protony a elektrony, stavební bloky atomu.
Akcelerátor částic se používá k pozorování chování malých částic při vysokých rychlostech a energiích, jakož i pro každodennější účely, jako je generování specifického druhu elektromagnetického záření. Urychlovače částic se často používají k rozbíjení částic proti sobě při velmi vysokých rychlostech, což odhaluje jejich podstatnější složky. Generátor rentgenového záření a televizní přijímač jsou běžnými příklady urychlovačů částic, se stejným základním designem jako jejich větší bratranci používané v experimentech s vysokou energií. Akcelerátor částic spadá do jedné ze dvou kategorií: kruhový nebo lineární.
V kruhovém urychlovači částic jsou částice urychlovány kontinuální kruhovou cestou. Výhodou tohoto uspořádání je to, že částice může být mnohokrát nasměrována do kruhu, což šetří hardware. Nevýhodou je, že částice v kruhových urychlovačích emitují elektromagnetické záření, které se nazývá synchrotronové záření. Protože jejich hybnost je neustále povzbuzuje k tomu, aby létali po trajektorii tečné k kruhu, musí být energie neustále vynakládána, aby je udržovala na kruhové dráze, což znamená, že urychlovače kruhových částic jsou méně účinné. U velkých urychlovačů je synchrotronové záření tak intenzivní, že celý urychlovač musí být pohřben pod zemí, aby byly dodrženy bezpečnostní normy. Akcelerátor částic Fermilab v Illinois má okružní dráhu 6,43 km.
Lineární urychlovače střílí částice v přímé linii na pevný cíl. Trubice s katodovým paprskem ve vaší televizi je nízkoenergetický urychlovač částic, který vypouští fotony ve viditelném světle na skleněnou desku, na obrazovku. Proud fotonů je neustále přesměrován, aby zaplnil obrazovku pixely. K tomuto přesměrování dochází dostatečně rychle, abychom vnímali střídavý proud fotonů jako souvislý obraz.
Ve fyzických aplikacích se používají vysoce energetické lineární urychlovače nebo linacy . Série desek alternativně přitahuje a odpuzuje nabité částice, které se pohybují skrz ně, tahají částice dopředu, když je ještě neprošly, a vytlačují je pryč poté, co je mají. Tímto způsobem lze střídavá elektrická pole použít k urychlení proudů částic na velmi vysoké rychlosti a energie. Fyzici používají tyto akcelerátory k simulaci exotických podmínek, jako jsou ty ve středu hvězd nebo blízko začátku vesmíru. "Částečná zoo" popsaná standardním modelem fyziky částic byla objevena postupně v experimentech s urychlovačem částic. Největším lineárním urychlovačem částic je lineární akcelerátor Stanford s délkou 3,2 km.