Как работает ускоритель частиц?

Ускоритель частиц - это физическое устройство, которое использует электрические поля для ускорения заряженных частиц до огромных скоростей, иногда значительных долей скорости света. Обычные частицы, которые можно найти в ускорителях частиц, включают в себя протоны и электроны, строительные блоки атома.

Ускоритель частиц используется для наблюдения за поведением мелких частиц при высоких скоростях и энергиях, а также для более повседневных целей, таких как генерация определенного вида электромагнитного излучения. Ускорители частиц часто используются для столкновения частиц друг с другом на очень высоких скоростях, показывая их более фундаментальные компоненты. Генератор рентгеновского излучения и телевизор являются общими примерами ускорителей частиц, с той же базовой конструкцией, что и их более крупные собратья, используемые в физических экспериментах по высокой энергии. Ускоритель частиц подпадает под одну из двух категорий: круговой или линейный.

В кольцевом ускорителе частиц частицы ускоряются по непрерывной круговой траектории. Преимущество такого расположения состоит в том, что частица может быть направлена ​​по кругу много раз, экономя аппаратное обеспечение. Недостатком является то, что частицы в кольцевых ускорителях испускают электромагнитное излучение, называемое синхротронным излучением. Поскольку их импульс постоянно побуждает их лететь по траектории, касательной к кругу, энергия должна постоянно расходоваться, чтобы удерживать их на круговом пути, а это означает, что кольцевые ускорители частиц менее эффективны. В больших ускорителях синхротронное излучение настолько интенсивно, что весь ускоритель должен быть похоронен под землей, чтобы поддерживать стандарты безопасности. Ускоритель частиц Fermilab в Иллинойсе имеет круговой путь 4 мили (6,43 км).

Линейные ускорители стреляют частицами по прямой линии по неподвижной цели. Катодно-лучевая трубка в вашем телевизоре - это ускоритель частиц с низкой энергией, который излучает фотоны в видимом диапазоне света на стеклянную пластину, экран. Поток фотонов постоянно перенаправляется, чтобы заполнить экран пикселями. Это перенаправление происходит достаточно быстро, и мы воспринимаем переменный поток фотонов как непрерывное изображение.

Высокоэнергетические линейные ускорители, или линейные ускорители, используются в физических приложениях. Ряд пластин поочередно притягивает и отталкивает заряженные частицы, движущиеся через них, вытягивая частицы вперед, когда они еще не прошли его, и отталкивая их после того, как они прошли. Таким образом, переменные электрические поля могут быть использованы для ускорения потоков частиц до очень высоких скоростей и энергий. Физики используют эти ускорители для моделирования экзотических условий, например, в центре звезд или в начале Вселенной. «Зоопарк частиц», описанный Стандартной моделью физики частиц, был постепенно обнаружен в экспериментах по ускорению частиц. Крупнейшим линейным ускорителем частиц является Стэнфордский линейный ускоритель длиной 2 мили (3,2 км).