Un accelerator de particule este, după cum îi spune și numele, un instrument care servește la accelerarea particulelor incarcate electric. Există două tipuri: acceleratoare lineare care utilizează un câmp electro-magnetic pentru a atrage particulele, pentru a le accelera și acceleratoare circulare, numite ciclotroni, compuse din mai multe semicercuri succesive de raze crescătoare cu fiecare impuls dat de un câmp electric alternativ de frecvență constantă. Există drept urmare, o alternare între impulsul electric și oprirea circuitului.
Acceleratorul de particule reprezintă o instalație complexă, utilizată pentru a accelera particule elementare. Se accelerează într-un mod direct doar particulele încărcate electric, utilizând ca principiu de accelerare interacțiunea particuleleor cu câmpuri electrice și magnetice. Una din cele mai simple posibilități de accelerare a unei particule încărcate este aceea de a o trece printr-o diferență de potential U, un lucru care duce la creșterea energiei sale.
CERN acceleratorul de particule
Sursa foto: bumax-fasteners.com
Primul fizician care a reușit să transforme un atom este Ernest Rutherford. Efectiv, în anul 1919, acesta reușește să transforme atomi de azot în izotopi de atom de oxigen bomardându-le cu particule generate de către un izotop radioactiv natural. Începând cu anul 1920, numeroși sunt cei care încep să fie din ce în ce mai interesați de structura materiei însă aceste studii necesită fascicule mai puternice și mai controlate ale particulelor. În anul 1930, Cockcroft și Walton au folosit un transformator de 200 KV pentru a accelera protonii într-un tub însă experiența lor nu a funcționat și au ajuns la ideea că aveau nevoie de mai multă energie.
Începând cu această epocă acceleratoarele de particule au văzut lumina zilei. În 1931, Rolf Wideroe își perfecționează invenția, conceptul de betatron, pe același principiu ca și experiența lui Rutherford însă cu particule beta (electroni) precum și primul Linac. În același an, Robert Jemison Van de Graaff vine cu primul accelerator electrostatic. Nouă ani mai târziu, Donald Kerst creează primul betatron.
În anul 1939, fizicianul american Ernest O. Lawrence vine cu primul ciclotron (accelerator circular). Acest nou model permite reducerea mărimii necsare acceleratorului pentru a accelera particulele în timpul unei durate date. La începutul anilor 1950, primele modele de sincotroane sunt concepute. Folosesc protoni și permit exploatarea unor energii și mai mari.
După cum spuneam și mai sus, se disting două mari categorii de acceleratoare de particule:
Aplicații:
Acceleratoarele de particule au aplicații variate precum:
În cadrul fizicii fundamentale, servesc la accelerarea fasciculelor de particule încărcate (protoni, ioni, electroni, antiprotoni) pentru a le face să intre în coliziune și penru a studia particulele elementare generate în cursul acestei coliziuni. Energia particulelor astfel accelerate se măsoară în electroni volți însă unitățile sunt adesea milionul (1Mev=106 eV), miliardul de electronvolți (1Gev=109 eV). Generatoarele actuale au energii de câteva sute de Gev.
The Diamond Light Source
Sursa foto: physics.ox.ac.uk
Scopul final al acceleratoarelor de particule este acela de a ciocni particule între ele. Dar de ce sunt făcuți să se ciocnească? Ce se intampla atunci cand se ciocnesc aceste particule? Pentru ce este un accelerator de particule? Cheia noastră de acces în lumea cuantică sunt particulele subatomice care, odată ce se dezintegrează ne permit să înțelegem natura ultimă a Universului dar și originea tuturor interaciunilor fundamentale care au loc în el.
Însă, pentru ca aceste particule să fie accelerate și să se ciocnească între ele fără interferențe, trebuie realizat un vid în cadrul acceleratorului. De menționat este faptul că nu pot exista alte molecule în circuit. Din acest motiv, s-a reușit crearea unui circuit cu un vid artificial mai mic decât cel din spațiul dintre planete. Acest accelerator de particule este mai gol decât însuși vidul spațial. Însă, pentru asta, acceleratorul trebuie să fie incredibil de mare, mai gol decât spațiul interplanetar, aproape la fel de rece ca temperatura absolută zero și cu mii și mii de magneți care permit această accelerare a particulelor.
Protonii și neutronii sunt cunoscuți de toată lumea și sunt legați între ei printr-o forță nucleară extrem de puternică, care este de fapt lipiciul care face ca ambele particule să formeze nucleul atomului.
Hadronii în schimb întâmplător, cea mai mare și mai scumpă mașină construită de omenire reprezintă un accelerator care face ca hadronii să se ciocnească între ei. Hadronii reprezintă un tip de particule subatomice compozite care dețin răspunsul la toate marile mistere ale Universului. Când facem ca particulele compozite subatomice să se ciocnească la viteze apropiate de cele ale luminii, coliziunea este atât de incredibil de energică încât nu numai că, pentru o mică porțiune de timp și la nivelul cuantic, sunt atinse temperaturi de aproximativ 1 milion de milioane de milioane ° C . Iar aceste particule subatomice aparent indivizibile sunt „sparte” în particulele lor subatomice fundamentale.
Cu cât detectăm mai multe particule, cu atât Universul devine și mai misterios și apar mai multe întrebări. Însă, fără îndoială, aceste acceleratoare reprezintă singurul nostru instrument pentru a descifra originea a tot. Știm de unde venim și din ce suntem făcuți. Nu există o ambiție mai mare în domeniul științei…
