Hur fungerar en partikelaccelerator?
En partikelaccelerator är en fysikanordning som använder elektriska fält för att påskynda laddade partiklar till enorma hastigheter, ibland betydande bråkdelar av ljusets hastighet. Vanliga partiklar som finns i partikelacceleratorer inkluderar protoner och elektroner, atomens byggstenar.
En partikelaccelerator används för att observera beteendet hos små partiklar vid höga hastigheter och energier, såväl som för mer vardagliga ändamål, såsom att generera en specifik typ av elektromagnetisk strålning. Partikelacceleratorer används ofta för att krossa partiklar mot varandra i mycket höga hastigheter, vilket avslöjar deras mer grundläggande komponenter. Röntgengeneratorn och tv-apparaten är båda vanliga exempel på partikelacceleratorer, med samma grundläggande design som deras större kusiner som används i högenergifysikförsök. En partikelaccelerator faller i en av två kategorier: cirkulär eller linjär.
I en cirkulär partikelaccelerator accelereras partiklarna i en kontinuerlig cirkulär bana. Fördelen med detta arrangemang är att partikeln kan riktas i en cirkel många gånger, vilket sparar hårdvara. Nackdelen är att partiklar i cirkulära acceleratorer avger elektromagnetisk strålning, kallad synkrotronstrålning. Eftersom deras momentum ständigt uppmuntrar dem att flyga ut på en bana som är tangentiell för cirkeln, måste energi kontinuerligt läggas ut för att hålla dem på den cirkulära banan, vilket innebär att cirkulära partikelacceleratorer är mindre effektiva. I stora acceleratorer är synkrotronstrålningen så intensiv att hela gaspedalen måste begravas under jord för att upprätthålla säkerhetsstandarder. Fermilabs partikelaccelerator i Illinois har en cirkulär bana på 6 miles (6,43 km).
Linjära acceleratorer avfyrar partiklar i en rak linje vid ett fast mål. Katodstråleröret i din TV är en partikelaccelerator med låg energi som avfyrar fotoner i det synliga ljusområdet vid en glasplatta, skärmen. Strömmen av fotoner omdirigeras ständigt för att fylla skärmen med pixlar. Denna omdirigering sker tillräckligt snabbt för att vi uppfattar den växlande strömmen av fotoner som en kontinuerlig bild.
Linjära acceleratorer med hög energi eller linak används i fysikapplikationer. En serie plattor lockar och avvisar alternativt de laddade partiklarna som rör sig genom dem, drar partiklarna framåt när de ännu inte har passerat den och skjuter dem bort efter det. På detta sätt kan alternerande elektriska fält användas för att påskynda strömmar av partiklar till mycket höga hastigheter och energier. Fysiker använder dessa acceleratorer för att simulera exotiska förhållanden, till exempel i centrum av stjärnorna eller nära universums början. Den "partikelzoo" som beskrivs av standardmodellen för partikelfysik avslöjades stegvis i partikelacceleratorförsök. Den största linjära partikelacceleratorn är Stanford Linear Accelerator med en längd på 3 mil (3,2 km).