Jak działa akcelerator cząstek?
Akcelerator cząstek to urządzenie fizyki, które wykorzystuje pola elektryczne do przyspieszania naładowanych cząstek do ogromnych prędkości, czasem znacznych ułamków prędkości światła. Typowe cząstki, które można znaleźć w akceleratorach cząstek, obejmują protony i elektrony, budulce atomu.
Akcelerator cząstek służy do obserwowania zachowania małych cząstek przy dużych prędkościach i energiach, a także do bardziej codziennych celów, takich jak generowanie określonego rodzaju promieniowania elektromagnetycznego. Akceleratory cząstek są często używane do rozbijania cząstek o siebie przy bardzo dużych prędkościach, odsłaniając ich bardziej podstawowe komponenty. Generator promieniowania rentgenowskiego i telewizor są powszechnymi przykładami akceleratorów cząstek, o tym samym podstawowym projekcie co ich więksi kuzyni wykorzystywani w eksperymentach fizyki wysokich energii. Akcelerator cząstek należy do jednej z dwóch kategorii: kołowej lub liniowej.
W kołowym akceleratorze cząstek cząstki są przyspieszane w ciągłej ścieżce kołowej. Zaletą tego układu jest to, że cząstka może być wielokrotnie kierowana w okrąg, oszczędzając sprzęt. Minusem jest to, że cząstki w akceleratorach kołowych emitują promieniowanie elektromagnetyczne, zwane promieniowaniem synchrotronowym. Ponieważ ich pęd nieustannie zachęca ich do lotu na trajektorii stycznej do koła, energia musi być ciągle wydatkowana, aby utrzymać je na ścieżce kołowej, co oznacza, że akceleratory cząstek kołowych są mniej wydajne. W dużych akceleratorach promieniowanie synchrotronowe jest tak intensywne, że cały akcelerator musi być zakopany pod ziemią, aby zachować standardy bezpieczeństwa. Akcelerator cząstek Fermilab w Illinois ma okrągłą ścieżkę o długości 4 mil (6,43 km).
Akceleratory liniowe wystrzeliwują cząstki w linii prostej w ustalony cel. Lampa elektronopromieniowa w twoim telewizorze jest niskoenergetycznym akceleratorem cząstek, który wystrzeliwuje fotony w zakresie światła widzialnego na szklaną płytkę, ekran. Strumień fotonów jest ciągle przekierowywany, aby wypełnić ekran pikselami. Przekierowanie to następuje na tyle szybko, że postrzegamy przemienny strumień fotonów jako ciągły obraz.
Wysokoenergetyczne akceleratory liniowe lub liniowe są wykorzystywane w aplikacjach fizycznych. Szereg płyt naprzemiennie przyciąga i odpycha naładowane cząstki poruszające się przez nie, ciągnąc cząstki do przodu, gdy jeszcze ich nie minęły, i odpychając je po ich zakończeniu. W ten sposób można zastosować przemienne pola elektryczne w celu przyspieszenia strumieni cząstek do bardzo dużych prędkości i energii. Fizycy używają tych akceleratorów do symulowania egzotycznych warunków, takich jak te w centrum gwiazd lub w pobliżu początku wszechświata. „Zoo cząstek” opisane przez Standardowy model fizyki cząstek odkryto stopniowo w eksperymentach z akceleratorami cząstek. Największym liniowym akceleratorem cząstek jest akcelerator liniowy Stanforda o długości 2 mil (3,2 km).