Acceleratorul de Particule

Introducere

O data cu patrunderea in lumea microcosmosului, cercetatorii au avut de intmpinat o situatie cu totul neobisnuita. Daca in lumea macroscopica, multe din informatiile asupra structurii obiectelor erau obtinute direct, prin observatii cu ochiul liber, explorarea structurii intime a materiei nu se putea face nici cu cele mai puternice microscoape. Ochiul nu poate distinge obiecte mai mici de 6-7 miimi de milimetru, iar microscoapele, nu pot permite observarea dimensiunilor mai mici de 0,5 miimi de milimetru, adica detalii de cca. 5.000 ori mai mari decat diametrul unui atom si de 500 x 106 ori mai mari decat diametrul unui nucleu atomic…

Pentru studierea particulelor subnucleare, pentru investigarea proprietatilor fortelor nucleare, metodele care se folosesc si in prezent constau in principal din procese de ciocnire, prin bombardarea nucleelor cu particule dotate cu energii suficient de mari pentru a putea patrunde nucleele atomice. In acest fel studiind modalitatile in care are loc o interactie, in urma ciocnirii, se pot determina caracteristicile corpurilor care au luat parte, precum si a fortelor care intervin.

Desigur, pentru a putea efectua experiente in lumea subatomica sunt necesare instalatii in care sa fie produse particule-proiectil, apoi aceste particule sa fie organizate in fascicule de energii mari (adica sa fie accelerate) si, in fine, sa aiba o posibilitate de a pune in evidenta rezultatele interactiilor (detectoare de particule). Aceste instalatii numite acceleratoare, au insotit cu mult succes pe fizicieni in cercetarile lor, ramanand si in prezent principalul instrument de lucru in lumea microcosmosului.

Particulele care sunt accelerate in aceste instalatii pot fi, dupa caz : electroni, pozitroni, protoni, antiprotoni, deutoni, precum si nuclee ale unor elemente usoare sau medii. Totdeauna insa este vorba de particule ce poseda sarcini electrice, asupra carora pot actiona oportun forte electrice si magnetice, astfel incat sa le aduca la un nivel energetic ridicat. Neutronii, in schimb, sunt totdeauna produsi fie prin intermediul unor anumite reactii nucleare, fie prin bombardarea unor nuclee special alese cu proiectile convenabile.

Energiile la care s-a ajuns in zilele noastre, cu acceleratoare moderne, sunt de ordinul zecilor si sutelor de miliarde de electron-volti. De la instalatiile simple de accelerare, care puteau fi asezate pe o masa de laborator, s-a ajuns in zilele noastre la instalatii complexe uriase, extrem de costisitoare, care se intind pe zeci de hectare.

Acceleratorul de particule

Un accelerator de particule este o instalație complexă folosită în domeniul fizicii de înaltă energie pentru a accelera particule elementare. Se accelerează în general doar particulele ce poartă sarcină electrică. Accelerarea are loc sub acțiunea unor câmpuri electrice și magnetice. Este utilizat la studiul particulelor elementare și al structurii nucleului atomic. Există o mare varietate de acceleratoare de particule, ele putând fi clasificate după în funcție de forma traiectoriei fascicului de particule accelerate, caracterul câmpurilor acceleratoare, domeniul de energii imprimate particulelor și în funcție de natura particulelor accelerate. În acceleratoare este nevoie de asigurarea stabilității traiectoriei, adică menținerea permanentă a particulelor aflate în procesul accelerării pe traiectorii care să nu permită abateri mari de la traiectoria de echilibru(sau de referință).

Scopul accelerării particulelor:

-Găsirea celei mai mici particule subatomice, particula care stă la baza Universului.

-Acceleratorul de particule este inventat pentru a vedea ce s-a întâmplat după primele secunde de la marea explozie cosmică Big-Bang.

-Găsirea celei mai mici particule subatomice, particula care stă la baza Universului.

-Se accelerează particula la viteze tot mai mari pentru a se analiza comportamentul ei. Spre exemplu electronul accelerat își mărește masa.

Acceleratoarele de particule pot fi de două feluri: circulare şi lineare

Într-un accelerator circular, particulele se mișcă într-un cerc până când obțin suficientă energie. Calea particulelor este curbată în formă de cerc folosind electromagneții. Avantajul acceleratorului circular față de cel liniar este că topologia circulară permite accelerarea continuă, astfel încât particulele pot tranzita la infint. Un alt avantaj este că acceleratorul circular este mai mic decât cel liniar în comparație cu puterea lor (de exemplu, un linac ar trebui să fie extrem de lung pentru a avea echivalentul puterii unui accelerator circular). În funcție de puterea și accelerația particulelor, acceleratoarele circulare au un dezavantaj: particulele emit radiații ale sincrotonilor. Când o particulă încărcată este accelerată, ea emite radiații electromagnetice și emisii secundare. Așa cum o particulă, care se deplasează în cerc, accelerează tot timpul către centrul cercului, ea emite în continuu radiații către tangenta la cerc. Această radiație se numește „lumina sincroton” și depinde în mare parte, de masa particulei. De aceea, multe acceleratoare de electroni cu putere mare sunt liniare. Unele acceleratoare, precum sincrotonul sunt create special pentru a produce acea lumină sincroton, adica raza X..

Ciclotronii

Primele acceleratoare circulare au fost ciclotronii, inventați în 1929 de Ernest O. Lawrence la Universitatea din California, Berkeley. Ciclotronii au o singură pereche de plăci adâncite în forma de „D” pentru a accelera particulele și un singur magnet mare dipolar pentru a devia deplasarea într-o orbită circulară. Este o proprietate caracteristică particulele încărcate într-un câmp magnetic constant și uniform, B, pe care orbitează cu o perioadă constată, la o frecvență numită „frecvență ciclotronică”, atat timp cât viteza lor este mică în comparație cu viteza luminii (c = 3*108 m/s). Acest lucru înseamnă D-urile accelerate ale unui ciclotron pot fi conduși către o frecvență radio constantă (RF) accelerând puterea sursei, pe când raza face o spirală în continuu. Particulele sunt inserate în centrul magnetului și sunt extrase la margine când ajung la energie maximă.