Λειτουργία Επιταχυντών Σωματιδίων

Με αφορμή ένα κατατοπιστικό και συνάμα ελκυστικό infografic (στο τέλος της ανάρτησης) που περιγράφει τον τρόπο λειτουργίας των επιταχυντών σωματιδίων, «αλιευμένο» από τον ιστό.

Ένας επιταχυντής σωματιδίων είναι μια «μηχανή» η οποία επιταχύνει στοιχειώδη σωμάτια (όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια, βαριά ιόντα) σε πολύ υψηλές ενέργειες με τη χρήση ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου. Σε βασικό επίπεδο, οι επιταχυντές σωματιδίων παράγουν δέσμες φορτισμένων σωματιδίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ποικιλοτρόπως στο πεδίο της έρευνας είτε σε πειράματα σταθερών στόχων (η επιταχυνόμενη δέσμη προσπίπτει σε έναν σταθερό στόχο) είτε σε πειράματα σύγκρουσης δεσμών.
Τα πειράματα αυτά αποσκοπούν κυρίως στη μελέτη των δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων ή στην ανακάλυψη νέων σωματιδίων.

Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι επιταχυντών σωματιδίων: οι γραμμικοί και οι κυκλικοί επιταχυντές.

Οι γραμμικοί επιταχυντές επιταχύνουν τα σωματίδια γραμμικά, δηλαδή κατά μήκος μιας ευθύγραμμης τροχιάς. Η λειτουργία τους μοιάζει πολύ με εκείνην μιας τηλεόρασης καθοδικού σωλήνα. Η δέσμη σωματιδίων παράγεται από μια «πηγή» (όπως παραδείγματος χάριν ένα θερμαινόμενο σύρμα). Τα σωματίδια που εξέρχονται από την πηγή επιταχύνονται προς ένα ηλεκτρόδιο που φέρει αντίθετο με αυτά φορτίο, κερδίζοντας τόσο περισσότερη ενέργεια όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων. Η δέσμη περνάει από έναν αριθμό ηλεκτροδίων που διαδέχονται το ένα το άλλο, έτσι ώστε φτάνοντας στην έξοδο να έχει κερδίσει το επιθυμητό ποσό ενέργειας. Οι γραμμικοί επιταχυντές μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πειράματα σταθερού στόχου.

Οι κυκλικοί επιταχυντές εξαναγκάζουν την παραγόμενη από την πηγή δέσμη σε κυκλική τροχιά, με τη χρήση μαγνητικού πεδίου, δίνοντάς τους όλο και περισσότερη ενέργεια σε κάθε περιστροφή. Το στοιχείο που είναι υπεύθυνο για την καμπύλωση της τροχιάς της δέσμης των φορτισμένων σωματιδίων είναι ο διπολικός ηλεκτρομαγνήτης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο σε πειράματα σταθερού στόχου, όσο και σε πειράματα σύγκρουσης δεσμών.

Η κίνηση των σωματιδίων στους επιταχυντές γίνεται σε σωλήνες κενού, έτσι ώστε να μη χάνεται ενέργεια από τις συγκρούσεις των σωματιδίων των δεσμών με τα μόρια του αέρα, ενώ η εστίαση της δέσμης των σωματιδίων επιτυγχάνεται με τη χρήση τετραπολικών ή τεπταπολικών μαγνητών οι οποίοι αποτρέπουν την απόκλιση των σωματιδίων της δέσμης εξαιτίας των μεταξύ τους δυνάμεων αλληλεπίδρασης.

Ο πρώτος κυκλικός επιταχυντής σωματιδίων, το κύκλοτρο, κατασκευάστηκε το 1931, από τον Αμερικανό φυσικό Ερνεστ Ο. Λόρενς (Ernest O. Lawrence) και τον μαθητή του Στάνλεϊ Λίβινγκστον (Stanley Livingston).

Ο Ernest O. Lawrence (δεξιά) και ο M. Stanley Livingston (αριστερά) μπροστά στο κύκλοτρο 27 ιντσών στο εργαστήριο του Πανεπιστημίου Berkeley της Καλιφόρνια, το 1934

Σήμερα υπάρχουν στον πλανήτη περισσότεροι από 30.000 επιταχυντές. Ο ισχυρότερος εργαστηριακός επιταχυντής είναι ο επιταχυντής συγκρουόμενων δεσμών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων του CERN, περίπου δύο εκατομμύρια φορές πιο ισχυρός από το κύκλοτρο των Λόρενς και Λίβινγκστον.