粒子加速器はどのように機能しますか？

粒子加速器は、電場を使用して荷電粒子を非常に速い速度、場合によっては光の速度のかなりの部分まで加速する物理デバイスです。 粒子加速器内で見られる一般的な粒子には、原子の構成要素である陽子と電子が含まれます。

粒子加速器は、特定の種類の電磁放射の生成など、より日常的な目的だけでなく、高速で高エネルギーでの小さな粒子の挙動を観察するために使用されます。 粒子加速器は、粒子を互いに非常に高速で粉砕するために使用されることが多く、それらのより基本的な成分を明らかにします。 X線発生器とテレビはどちらも粒子加速器の一般的な例であり、高エネルギー物理学実験で使用される大型のいとこと同じ基本設計を備えています。 パーティクルアクセラレータは、円形または線形の2つのカテゴリのいずれかに分類されます。

円形粒子加速器では、粒子は連続した円形経路で加速されます。 この配置の利点は、パーティクルを何度も円状に向けることができ、ハードウェアを節約できることです。 欠点は、円形加速器内の粒子がシンクロトロン放射と呼ばれる電磁放射を放出することです。 それらの運動量は常に円に接する軌道に飛び出すように励ましているため、エネルギーを継続的に消費して円形経路に維持する必要があり、円形粒子加速器の効率は低下します。 大型加速器では、シンクロトロン放射が非常に強いため、安全基準を維持するために加速器全体を地下に埋める必要があります。 イリノイ州のFermilab粒子加速器には、4マイル（6.43 km）の円形経路があります。

線形加速器は、固定されたターゲットで粒子を直線的に発射します。 テレビの陰極線管は低エネルギーの粒子加速器で、ガラス板であるスクリーンで可視光の範囲の光子を発射します。 光子のストリームは、画面をピクセルで埋めるために常にリダイレクトされています。 このリダイレクションは、連続した画像として光子の交互の流れを知覚するのに十分な速さで発生します。

高エネルギー線形加速器、またはライナックは、物理アプリケーションで使用されます。 一連のプレートは、それらを通過する荷電粒子を交互に引き付けて撃退し、粒子がまだ通過していないときに粒子を前方に引っ張り、通過した後に粒子を押し出します。 このようにして、交流電場を使用して、粒子の流れを非常に高い速度とエネルギーに加速することができます。 物理学者はこれらの加速器を使用して、星の中心や宇宙の始まり近くなど、エキゾチックな条件をシミュレートします。 粒子物理学の標準モデルによって記述された「粒子動物園」は、粒子加速器実験で徐々に発見されました。 最大の線形粒子加速器は、長さが2マイル（3.2 km）のスタンフォード線形加速器です。