Partikelacceleratorer är maskiner som används av fysiker för att accelerera partiklar upp till hög hastighet.

En vy inifrån LHC-tunneln, som visar strålslinjen som innehåller strålarna av partiklar som är accelererade. |

Varför påskyndar vi partiklar?

Hur kan vi testa partikelfysikteorier? Vi behöver ett sätt att undersöka materiens insida. Detta låter oss sedan observera de partiklar som förutses av våra teorier eller upptäcka oväntade nya partiklar som kan användas för att modifiera teorin.

Ironiskt nog måste vi undersöka dessa partiklar genom att använda andra partiklar. Detta är faktiskt inte för ovanligt, det är så vi undersöker vår vardagliga miljö. När vi ser ett föremål beror det på att fotoner, ljuspartiklar sprids av föremålet och absorberas sedan av våra ögon (som sedan skickar en signal till vår hjärna).

När du använder vågor för en observation begränsar våglängden detaljen som kan lösas (upplösningen). En mindre våglängd gör att mindre detaljer kan observeras. Synligt ljus, ljuset som våra ögon kan se, har en våglängd på cirka 10-7 meter. Storleken på en atom är ungefär 10-10 meter, därför är undersökningen av atomunderkonstruktion och grundläggande partiklar omöjlig genom vardagliga metoder.

Från den kvantmekaniska principen om vågpartikeldualitet vet vi att partiklar har vågliknande egenskaper. Våglängden förknippad med en partikel kallas de Broglie-våglängden och den är omvänt proportionell mot partikelns momentum.

De Broglies ekvation för våglängden förknippad med en massiv partikel som har en fart, s. Där h är Plancks konstant.

När en partikel accelereras ökar dess fart. En partikelaccelerator kan därför användas av fysiker för att uppnå en partikelmoment som är tillräckligt stor för att möjliggöra probing av atomunderstrukturer och för att "se" elementära partiklar.

Om acceleratorn sedan kolliderar den accelererade partikeln kan den resulterande frisättningen av kinetisk energi överföras till att skapa nya partiklar. Detta är möjligt eftersom massa och energi är likvärdiga, vilket berömd visats av Einstein i hans teori om speciell relativitet. Därför kan en tillräckligt stor frisättning av kinetisk energi omvandlas till partiklar med ovanligt hög massa. Dessa nya partiklar är sällsynta, instabila och observeras vanligtvis inte i vardagen.

Einsteins ekvation för ekvivalens mellan energi, E och massa, m. Där c är ljusets hastighet i vakuum.

Hur fungerar partikelacceleratorer?

Även om det finns många typer av accelerator delar de alla två underliggande grundprinciper:

  1. Elektriska fält används för att påskynda partiklarna.
  2. Magnetfält används för att styra partiklarna.

Den första principen är ett krav för alla acceleratorer. Den andra principen krävs endast om gaspedalen styr partiklarna i en icke-linjär bana. Specifikationerna för hur dessa principer implementeras ger oss olika typer av partikelaccelerator.

Elektrostatiska acceleratorer

De första partikelacceleratorerna utnyttjade en enkel installation: en enda statisk högspänning genererades och applicerades sedan över ett vakuum. Det elektriska fältet som genereras från denna spänning skulle sedan påskynda eventuella laddade partiklar längs röret på grund av den elektrostatiska kraften. Denna typ av accelerator är endast lämplig för att påskynda partiklar upp till låg energi (runt några MeV). Men de används fortfarande ofta för att initialt accelerera partiklar innan de skickas in i en modern, större accelerator.

Ekvationen för den elektrostatiska kraften som upplevs av en partikel med elektrisk laddning, Q, i närvaro av ett elektriskt fält, E.

Linjära acceleratorer

Linjära acceleratorer (känd som LINAC) förbättrar de elektrostatiska acceleratorerna genom att använda ett växlande elektriskt fält. I en LINAC passerar partiklarna genom en serie drivrör som är anslutna till en växelström. Detta är arrangerat så att en partikel initialt dras till nästa drivrör men när den har passerat genom de aktuella vipporna, vilket innebär att röret nu stöter bort partikeln bort mot nästa rör. Detta mönster upprepas över flera rör, accelererar snabbt partikeln. Emellertid får partiklarna att bli snabbare att den reser vidare under en bestämd tidsperiod och drivrören måste hålla sig längre för att kompensera. Detta innebär att att nå höga energier kommer att kräva mycket långa LINAC. Till exempel är Stanford linear accelerator (SLAC), som accelererar elektroner till 50 GeV, över 2 mil lång. Linac används fortfarande ofta i forskning men inte för de högsta energiförsöken.

Cirkulära acceleratorer

Idén att använda magnetfält för att styra partiklar runt cirkulära banor introducerades för att minska mängden utrymme som tas upp av acceleratorer med hög energi. Det finns två huvudtyper av cirkulär design: cyklotroner och synkrotroner.

En cyklotron består av två ihåliga D-formade plattor och en stor magnet. En spänning appliceras på plattorna och växlas på ett sådant sätt att den accelererar partiklar över mellanrummet mellan de två plattorna. När man färdas inom plattorna får magnetfältet partikelns bana att böjas. Snabbare partiklar böjs runt en större radie, vilket leder till en bana som spiral utåt. Cyklotroner når så småningom en energigräns på grund av relativistiska effekter som påverkar partikelns massa.

Inom en synkrotron accelereras partiklarna kontinuerligt runt en ring med konstant radie. Detta uppnås genom en synkroniserad ökning av magnetfältet. Synkrotroner är mycket mer praktiska för att konstruera acceleratorer i stor skala och gör att vi kan nå mycket högre energier på grund av att partiklar accelereras flera gånger runt samma slinga. De nuvarande högsta energiacceleratorerna är baserade på synkrotronkonstruktioner.

Båda cirkulära konstruktionerna använder samma princip som ett magnetfält som böjer en partikels väg men på olika sätt:

  • En cyklotron har en konstant magnetfältstyrka som upprätthålls genom att låta partikelns rörelseradie förändras.
  • En synkrotron upprätthåller en konstant radie genom att ändra magnetfältstyrkan.
Ekvationen för magnetkraften på en partikel som rör sig med en hastighet, v, i ett magnetfält med styrka, B. Även ekvationen för centripetalrörelse hos en partikel som rör sig i en radiecirkel, r.
Utjämning av de två krafterna ger en relation som kan användas för att bestämma krökningsradie eller motsvarande magnetfältstyrkan.

Partikelkollision

Efter accelerationen finns det sedan valet hur man kolliderar de accelererade partiklarna. Strålen med partiklar kan riktas mot ett fast mål eller den kan kollideras med en annan accelererad balk. Huvud på kollisioner producerar mycket större energi än fasta målkollisioner men en fast målkollision säkerställer en mycket högre frekvens av individuella partikelkollisioner. Därför är ett kollisionshuvud bra för att producera nya, tunga partiklar men en fast målkollision är bättre för att observera ett stort antal händelser.

Vilka partiklar accelereras?

När du väljer en partikel för att accelerera, måste tre krav uppfyllas:

  1. Partiklarna måste ha en elektrisk laddning. Detta är nödvändigt så att det kan accelereras av elektriska fält och styras av magnetfält.
  2. Partikeln måste vara relativt stabil. Om partikelns livslängd är för kort kan den sönderdelas innan den accelereras och kollideras.
  3. Partikeln måste vara relativt lätt att få. Vi måste kunna generera partiklarna (och eventuellt lagra dem) innan de matas in i gaspedalen.

Dessa tre krav leder till att elektroner och protoner är det typiska valet. Ibland används joner och möjligheten att skapa acceleratorer för muoner är ett aktuellt forskningsområde.

The Large Hadron Collider (LHC)

LHC är den mest kraftfulla partikelaccelerator som någonsin har byggts. Det är en komplex anläggning, byggd på en synkrotron, som påskyndar balkar av protoner eller blyjoner runt en 27 kilometer ring och sedan kolliderar balkarna i ett huvud vid kollision, vilket ger en enorm 13 TEV energi. LHC har pågått sedan 2008 med syftet att undersöka flera fysiksteorier för partiklar. Hittills största prestation hittills var upptäckten av Higgs boson 2012. Flera sökningar pågår fortfarande, tillsammans med framtida planer för att uppgradera gaspedalen.

LHC är en fenomenal vetenskaplig och teknisk prestation. Elektromagneterna som används för att styra partiklarna är så starka att de kräver superkylning, genom användning av flytande helium, till en temperatur som är ännu kallare än yttre rymden. Den enorma mängden data från partikelkollisionerna kräver ett extremt datornätverk, som analyserar petabyte (1 000 000 gigabyte) data per år. Kostnaderna för projektet ligger inom miljarder och tusentals forskare och ingenjörer från hela världen arbetar med det.

Partikeldetektering

Detektering av partiklar är i sin helhet kopplad till ämnet för partikelacceleratorer. När partiklar har kolliderats måste den resulterande bilden av kollisionsprodukter detekteras så att partikelhändelser kan identifieras och studeras. Moderna partikeldetektorer bildas av skiktning av flera specialdetektorer.

Ett schema som visar skikten i en typisk modern partikeldetektor och exempel på hur den detekterar vanliga partiklar.

Det innersta avsnittet kallas en tracker (eller spårningsenheter). Spåraren används för att spela in banan för elektriskt laddade partiklar. Interaktionen mellan en partikel och substansen i spåraren ger en elektrisk signal. En dator, som använder dessa signaler, rekonstruerar banan som färdas av en partikel. Ett magnetfält finns i hela tracker, vilket får partikelns bana att krökas. Omfattningen av denna krökning gör att partikelns momentum kan bestämmas.

Spåraren följs av två kalorimetrar. En kalorimeter mäter en partikelns energi genom att stoppa den och absorbera energin. När en partikel interagerar med ämnet inuti kalorimetern initieras en partikeldusch. Partiklarna som härrör från denna dusch avsätter sedan sin energi i kalorimetern, vilket leder till en energimätning.

Den elektromagnetiska kalorimetern mäter partiklar som främst samverkar via den elektromagnetiska växelverkan och producerar elektromagnetiska duschar. En hadronisk kalorimeter mäter partiklar som främst samverkar via den starka växelverkan och producerar hadroniska duschar. En elektromagnetisk dusch består av fotoner och elektron-positronpar. En hadronisk dusch är mycket mer komplex, med ett större antal möjliga partikelinteraktioner och produkter. Hadroniska duschar tar också längre tid att utvecklas och kräver djupare kalorimetrar än elektromagnetiska duschar.

De enda partiklarna som lyckas passera genom kalorimetrarna är muoner och neutrino. Neutrino är nästan omöjligt att direkt upptäcka och identifieras vanligtvis genom att märka ett saknat momentum (eftersom total momentum måste bevaras i partikelinteraktioner). Därför är muoner de sista partiklarna som detekteras och den yttersta delen består av muondetektorer. Muon-detektorer är spårare som är särskilt utformade för muoner.

För fixerade målkollisioner tenderar partiklarna att flyga framåt. Därför kommer den skiktade partikeldetektorn att vara anordnad i en konform bakom målet. När det gäller kollisionsprodukter är kollisionsprodukternas riktning inte lika förutsägbar och de kan flyga utåt i valfri riktning från kollisionspunkten. Därför är den skiktade partikeldetektorn anordnad cylindriskt runt balkröret.

Andra användningsområden

Att studera partikelfysik är bara en av många användningsområden för partikelacceleratorer. Några andra applikationer inkluderar:

  • Materialvetenskap - Partikelacceleratorer kan användas för att producera intensiva partikelstrålar som används för diffraktion för att studera och utveckla nya material. Till exempel finns det synkrotroner som huvudsakligen är utformade för att utnyttja sin synkrotronstrålning (en biprodukt av de accelererade partiklarna) som ljuskällor för experimentella studier.
  • Biologisk vetenskap - De nämnda strålarna kan också användas för att studera strukturen hos biologiska prover, såsom proteiner, och hjälpa till i utvecklingen av nya läkemedel.
  • Cancerterapi - En av metoderna för att döda cancerceller är användningen av riktad strålning. Traditionellt skulle röntgenstrålar med hög energi som producerats av linjära acceleratorer ha använts. En ny behandling använder synkrotroner eller cyklotroner för att producera protoner med hög energi. En protonstråle har visat sig ge mer skada på cancercellerna samt minska skadorna på omgivande frisk vävnad.