Čo je to synchrotrón?

Vysoký uhol pohľadu na synchrotrón v laboratóriu, California Institute of Technology, Pasadena, CA. SuperStock/Getty Images

A synchrotrón je návrh cyklického urýchľovača častíc, v ktorom zväzok nabitých častíc opakovane prechádza magnetickým poľom, aby pri každom prechode získal energiu. Keď lúč získava energiu, pole sa prispôsobuje tak, aby udržalo kontrolu nad dráhou lúča, keď sa pohybuje okolo kruhového prstenca. Princíp vyvinul Vladimír Veksler v roku 1944, pričom prvý elektrónový synchrotrón zostrojil v roku 1945 a prvý protón synchrotrón postavený v roku 1952.

Ako funguje synchrotrón

Synchrotrón je vylepšením cyklotrón , ktorý bol navrhnutý v 30. rokoch 20. storočia. V cyklotrónoch sa lúč nabitých častíc pohybuje konštantným magnetickým poľom, ktoré vedie lúč po špirálovej dráhe, a potom prechádza konštantným elektromagnetickým poľom, ktoré poskytuje zvýšenie energie pri každom prechode poľom. Tento nárast kinetickej energie znamená, že lúč sa pri prechode magnetickým poľom pohybuje cez mierne širší kruh, dostáva ďalší náraz atď., kým nedosiahne požadované úrovne energie.

Zlepšenie, ktoré vedie k synchrotrónu, je, že namiesto použitia konštantných polí synchrotrón aplikuje pole, ktoré sa mení v čase. Keď lúč získava energiu, pole sa prispôsobí tak, aby držalo lúč v strede trubice, ktorá obsahuje lúč. To umožňuje väčší stupeň kontroly nad lúčom a zariadenie môže byť skonštruované tak, aby poskytovalo väčšie zvýšenie energie počas cyklu.

Jeden špecifický typ synchrotrónového dizajnu sa nazýva akumulačný krúžok, čo je synchrotrón, ktorý je navrhnutý výhradne na udržanie konštantnej úrovne energie v lúči. Mnoho urýchľovačov častíc používa hlavnú štruktúru urýchľovača na zrýchlenie lúča na požadovanú úroveň energie, potom ho prenesie do úložného prstenca, aby sa udržal, kým sa nezrazí s iným lúčom pohybujúcim sa v opačnom smere. Tým sa efektívne zdvojnásobí energia kolízie bez toho, aby ste museli postaviť dva plné urýchľovače, aby ste dostali dva rôzne lúče na plnú energetickú úroveň.

Hlavné synchrotróny

Cosmotron bol protónový synchrotrón postavený v Brookhaven National Laboratory. Do prevádzky bol uvedený v roku 1948 a plný výkon dosiahol v roku 1953. V tom čase išlo o najvýkonnejšie zostrojené zariadenie, ktoré malo dosahovať energie okolo 3,3 GeV a v prevádzke zostalo až do roku 1968.

Stavba Bevatronu v Národnom laboratóriu Lawrence Berkeley sa začala v roku 1950 a bola dokončená v roku 1954. V roku 1955 bol Bevatron použitý na objavenie antiprotónu, čo je úspech, ktorý v roku 1959 získal Nobelovu cenu za fyziku. (Zaujímavá historická poznámka: Nazvali ho Bevatraon, pretože dosahoval energie približne 6,4 BeV, pre „miliardy elektronvoltov“. jednotky SI , avšak pre túto stupnicu bola prijatá predpona giga-, preto sa zápis zmenil na GeV.)

Urýchľovač častíc Tevatron vo Fermilabe bol synchrotrón. Schopný urýchliť protóny a antiprotóny na úroveň kinetickej energie o niečo menej ako 1 TeV, bol najvýkonnejším urýchľovačom častíc na svete až do roku 2008, kedy bol prekonanýVeľký hadrónový urýchľovač. 27-kilometrový hlavný urýchľovač vo Veľkom hadrónovom urýchľovači je tiež synchrotrón a je v súčasnosti schopný dosiahnuť energie zrýchlenia približne 7 TeV na lúč, čo vedie k zrážkam 14 TeV.