Hoe werkt een deeltjesversneller?
Een deeltjesversneller is een fysica-apparaat dat elektrische velden gebruikt om geladen deeltjes te versnellen tot enorme snelheden, soms significante fracties van de snelheid van het licht. Veel voorkomende deeltjes die in deeltjesversnellers te vinden zijn, zijn protonen en elektronen, de bouwstenen van het atoom.
Een deeltjesversneller wordt gebruikt om het gedrag van kleine deeltjes bij hoge snelheden en energieën te observeren, evenals voor meer alledaagse doeleinden zoals het genereren van een specifiek soort elektromagnetische straling. Deeltjesversnellers worden vaak gebruikt om deeltjes tegen zeer hoge snelheden tegen elkaar te slaan, waardoor hun meer fundamentele componenten zichtbaar worden. De röntgengenerator en het televisietoestel zijn beide veelvoorkomende voorbeelden van deeltjesversnellers, met hetzelfde basisontwerp als hun grotere neven die worden gebruikt in fysica-experimenten met hoge energie. Een deeltjesversneller valt in een van twee categorieën: circulair of lineair.
In een circulaire deeltjesversneller worden deeltjes versneld in een continu cirkelvormig pad. Het voordeel van deze opstelling is dat het deeltje vele malen in een cirkel kan worden geleid, waardoor hardware wordt bespaard. Het nadeel is dat deeltjes in circulaire versnellers elektromagnetische straling uitzenden, synchrotronstraling genoemd. Omdat hun momentum hen constant aanmoedigt om uit te vliegen op een traject dat tangentieel is aan de cirkel, moet energie continu worden gebruikt om hen op het cirkelvormige pad te houden, wat betekent dat cirkelvormige deeltjesversnellers minder efficiënt zijn. In grote versnellers is synchrotronstraling zo intens dat de hele versneller ondergronds moet worden begraven om de veiligheidsnormen te handhaven. De Fermilab-deeltjesversneller in Illinois heeft een cirkelvormig pad van 4 mijl (6,43 km).
Lineaire versnellers vuren deeltjes in een rechte lijn af op een vast doel. De kathodestraalbuis in uw televisie is een energiezuinige deeltjesversneller, die fotonen in het zichtbare lichtbereik afvuurt op een glazen plaat, het scherm. De stroom fotonen wordt constant omgeleid om het scherm met pixels te vullen. Deze omleiding vindt snel genoeg plaats zodat we de alternerende stroom fotonen als een continu beeld waarnemen.
Hoogenergetische lineaire versnellers, of linacs , worden gebruikt in fysica-toepassingen. Een reeks platen trekt afwisselend de geladen deeltjes aan en stoot ze af, die deeltjes naar voren trekken wanneer ze er nog niet zijn gepasseerd en ze wegduwen nadat ze dat wel hebben gedaan. Op deze manier kunnen alternerende elektrische velden worden gebruikt om deeltjesstromen te versnellen tot zeer hoge snelheden en energieën. Natuurkundigen gebruiken deze versnellers om exotische omstandigheden te simuleren, zoals die in het centrum van sterren of nabij het begin van het universum. De "deeltjes dierentuin" beschreven door het standaardmodel van deeltjesfysica werd stapsgewijs ontdekt in deeltjesversneller experimenten. De grootste lineaire deeltjesversneller is de Stanford Linear Accelerator met een lengte van 3,2 km.