Klucz do narodzin czasu - Akceleratory - Więcej szczegółów

Więcej szczegółów

Akceleratory liniowe i kołowe

Istnieją dwa główne typy akceleratorów cząstek, liniowe i kołowe. Akceleratory liniowe, lub liniaki, przyspieszają wstrzykniętą wiązkę cząstek tylko raz. W końcowej części akceleratora cząstki na ogół uderzają w tarczę i detektor cząstek rejestruje ich oddziaływania.

Typowy akcelerator liniowy składa się z szeregu tak zwanych cylindrów osłonowych (ang. drift-tubes), do których napięcie przyłożone jest naprzemiennie. Wewnątrz cylindrów na cząstki nie działa żadna siła, więc poruszają się ze stałą szybkością, natomiast gdy znajdą się w przestrzeni pomiędzy cylindrami, są przyspieszane. Napięcie przyłożone do cylindrów osłonowych jest zmienne, aby zapewnić stałe przyspieszanie cząstek we właściwym kierunku.

Spróbujcie sami przyspieszyć cząstkę w następującej grze. Każdą baterię potraktujcie jak cylinder osłonowy. Musicie tak zmieniać biegunowość baterii, aby cząstka była stale przyspieszana we właściwym kierunku.

Tak wyglądają cylindry osłonowe wewnątrz prawdziwego akceleratora liniowego.

Akceleratorów liniowych często używa się do badania zderzeń pomiędzy egzotycznymi, krótkożyciowymi cząstkami. W tym celu wiązką zwyczajnych cząstek bombarduje się tarczę. Cząstki te oddziałują z tarczą i wytwarzają nowe cząstki wielu rodzajów, włącznie z krótkożyciowymi, które są w danym eksperymencie interesujące. Egzotyczne cząstki są za pomocą magnesów wyciągane z obszaru produkcji i kierowane w stronę kolejnej tarczy, a nawet w stronę kolejnej wiązki cząstek, w celu zbadania egzotycznych zderzeń.

Najpotężniejszy na świecie akcelerator liniowy znajduje się w Kalifornii, w Stanfordzkim Ośrodku Akceleratora Liniowego, SLAC (skrót od angielskiej nazwy Stanford Linear Accelerator Center). Ma ponad trzy kilometry długości i został przekształcony w zderzacz cząstek (akcelerator wiązek przeciwbieżnych) . W urządzeniu przyspiesza się dwie wiązki cząstek, których tory są następnie zakrzywiane, aby cząstki zderzały się czołowo. W największym akceleratorze w CERN-ie, 27-kilometrowym wielkim zderzaczu elektronowo-pozytonowym, LEP-ie (skrót od angielskiej nazwy Large Electron-Positron collider), robiono to samo, tylko przy użyciu akceleratora kołowego, a nie liniowego.

Trzykilometrowy akcelerator liniowy w Stanfordzkim Ośrodku Akceleratora Liniowego w Kalifornii jest największym tego typu akceleratorem na świecie.

Akceleratory kołowe mają tę wyższość nad liniowymi, że pozwalają za pomocą tego samego sprzętu przez dłuższy czas utrzymać cząstki wewnątrz urządzenia, przyspieszając je na każdym okrążeniu. Podobnie jak akceleratorów liniowych można ich używać na dwa sposoby: do przyspieszania wiązek, odchylania ich i kierowania na tarcze, albo jako zderzaczy.

Zderzacze umożliwiają bardziej efektywny sposób wykorzystania energii doprowadzonej do wiązek. W zderzaczu kołowym wiązki cząstek poruszające się w przeciwnych kierunkach doprowadza się do zderzenia w jednym lub kilku punktach rozmieszczonych wzdłuż pierścienia. W punkcie zderzenia dwie pojedyncze cząstki mogą się zderzyć czołowo, co oznacza wykorzystanie całej energii pierwotnych cząstek. Gdy pojedyncza wiązka uderza w tarczę, znaczna część jej energii jest rozpraszana i z punktu widzenia badań fizycznych tracona.

Zaletą akceleratorów kołowych jest to, że wiązki mogą w nich krążyć godzinami, ponieważ zderzenia pomiędzy pojedynczymi cząstkami w poruszających się w przeciwne strony wiązkach są stosunkowo rzadkie. Wadą natomiast jest to, że przyspieszane cząstki tracą energię na emisję promieniowania elektromagnetycznego, z tego względu, że poruszają się w pierścieniu pod wpływem siły dośrodkowej. Oznacza to, że stale trzeba im dostarczać energii.