Επιταχυντές Σωματιδίων - Αρχές Λειτοργίας

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.

Σχε­τι­κά

• How Particle Accelerators Work
• Επι­τα­χυ­ντές Σωμα­τι­δί­ων (μια πρώ­τη ματιά)
• Βικι­παί­δεια: Επι­τα­χυ­ντής σωμα­τι­δί­ων
• Ένα «κατα­στρο­φι­κό» πεί­ρα­μα του Richard Feynman 
• CERN