Λειτουργία Επιταχυντών Σωματιδίων

Με αφορμή ένα κατατοπιστικό και συνάμα ελκυστικό infografic (στο τέλος της ανάρτησης) που περιγράφει τον τρόπο λειτουργίας των επιταχυντών σωματιδίων, «αλιευμένο» από τον ιστό.

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.

Λειτουργία Σωματιδιακού Επιταχυντή Πηγή
Μέσα στον μεγαλύτερο επιταχυντή του CERN

Σχετικά


H Αλίκη στη χώρα των quarks

Aπό το μακρόκοσμο στο μικρόκοσμο… κι αντίστροφα. Ένα ταξίδι στην ιστορία της ανακάλυψης του υποατομικού κόσμου.

Ξεκινώντας την περιπλάνηση στον κόσμο της επιστήμης, διάλεξα να μιλήσω για το θαυμαστό εκείνο ταξίδι της Αλίκης (ALICE) που την οδήγησε στη χώρα των κυρκονίων (quarks). Ένα ταξίδι στα πλαίσια της ατομικής, της πυρηνικής και της σωματιδιακής φυσικής. Ένα ταξίδι αναζήτησης των συστατικών του κόσμου. Αν και… όχι όλων ακριβώς των συστατικών. Εδώ θα περιοριστώ στα σωματίδια.

Τι είναι όμως αυτά τα θαυμαστά quarks ή αλλιώς κυρκόνια, όπως αποδίδονται από κάποιους στα ελληνικά;

Ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή. Έχω παρκάρει τη χρονομηχανή έξω από το σπίτι μου. Φύγαμε!

Από την αρχαιότητα ακόμη οι άνθρωποι εντόπισαν ότι ο κόσμος συγκροτείται από στοιχειώδη, αδιάσπαστα σωμάτια. Συγκεκριμένα ο Λεύκιππος και ο μαθητής του ο Δημόκριτος ονόμασαν τον στοιχειώδη δομικό λίθο της ύλης ά-τομο, λέξη που σημαίνει κάτι το οποίο δεν επιδέχεται τομή. Ο Δημόκριτος διατύπωσε τη θεωρία ότι το άτομο αποτελείται από ένα μικρό σωματίδιο στο κέντρο του, τον πυρήνα, γύρω από το οποίο περιφέρονται κάποια σωματίδια.

Η ατομική θεωρία του Δημόκριτου ήταν αυτή που υπερίσχυσε κατά το μεσαίωνα. Κατά την περίοδο της Αναγέννησης (15ος-16ος αι.) μεγάλοι στοχαστές όπως ο Κοπέρνικος, ο Κέπλερ, ο Γαλιλαίος αρχίζουν να απορρίπτουν τις ιδέες των Αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων, χρησιμοποιώντας την παρατήρηση και το πείραμα και εισάγοντας την διαδικασία της Επιστημονικής Μεθόδου. Η ατομική θεωρία επανέρχεται στο προσκήνιο από τον John Dalton ο οποίος την χρησιμοποιεί για να ερμηνεύσει τις χημικές αντιδράσεις.

Peter Zeeman

Κατά τη διάρκεια του 19ου αι. η μακροχρόνια μελέτη της φύσης των ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σωλήνες κενού οδηγεί τους φυσικούς στο ηλεκτρόνιο. Συγκεκριμένα το 1895 στο Παρίσι, ο Γάλλος φυσικός Jean Baptiste Perrin αποδεικνύει ότι οι καθοδικές ακτίνες είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, ανοίγοντας το δρόμο για την ανακάλυψή του. Την πρόταση του όρου «ηλεκτρόνιο» είχε ήδη κάνει ο Ιρλανδός νομπελίστας φυσικός George Johnstone Stoney το 1894. Το 1895 ο Wilhelm Roentgen ανακαλύπτει τις ακτίνες Χ.

Hendrik Lorentz

Το 1896, ο Hendrik Lorentz, προσπαθώντας να εξηγήσει το φαινόμενο Zeeman, διατυπώνει την ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια βρίσκονται μέσα στο άτομο. Το επόμενο έτος (1897) γίνεται η ανακάλυψη της ύπαρξης ελεύθερων ηλεκτρονίων υπό μορφή καθοδικών ακτίνων από τον σερ J.J. Thomson και αποδεικνύεται ότι τα ηλεκτρόνια του Lorentz, αλλά κι εκείνα που παρατηρούνται σε άλλα φαινόμενα, όπως το φωτοηλεκτρικό, είναι ίδια με τα ηλεκτρόνια του Thomson. Το 1898 Οι Marie και Pierre Curie ξεχωρίζουν τα ραδιενεργά στοιχεία.

J. J. Thomson

Το μοντέλο του ατόμου εξελίσσεται από τον σερ J.J. Thomson ο οποίος το Μάρτιο του 1904 προτείνει το μοντέλο του σταφιδόψωμου. Σύμφωνα με αυτό, το άτομο είναι ένα σωματίδιο φορτισμένο θετικά μέσα στο οποίο κυκλοφορούν ελεύθερα μικρότερα ηλεκτρικά αρνητικά φορτία, τα ηλεκτρόνια, όπως οι σταφίδες στο σταφιδόψωμο. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι τέτοιος ώστε το συνολικό φορτίο του ατόμου να είναι μηδέν.

Μοντέλο σταφιδόψωμου

Ο Thomson κατάφερε να μετρήσει το λόγο του φορτίου προς τη μάζα του ηλεκτρονίου με αρκετά καλή ακρίβεια. Το 1906 πήρε το Νόμπελ Φυσικής.

Λίγο αργότερα (1911) ο Ernest Rutherford, καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, πραγματοποιώντας σε συνεργασία με τον Geiger πειράματα σκέδασης σωματιδίων α σε λεπτά μεταλλικά φύλλα χρυσού (πείραμα Geiger-Marsden ή κατά άλλους πείραμα Rutherford), οδηγείται στην υπόθεση ότι το άτομο δεν είναι αδιαίρετο αλλά αποτελείται από δύο περιοχές, εκείνη του πυρήνα και εκείνη των ηλεκτρονίων, παρομοιάζοντάς το με το ηλιακό σύστημα. Το μοντέλο του, που χαρακτηρίζεται ως «πλανητικό», προτείνει το άτομο να συγκροτείται από έναν πυρήνα με θετικό φορτίο στο κέντρο, γύρω από τον οποίο περιφέρονται τα ηλεκτρόνια του Thomson, τα οποία φέρουν αρνητικό φορτίο και έχουν μάζα πάρα πολύ μικρή σε σχέση με εκείνη του πυρήνα.

Ernest Rutherford

Τις προηγούμενες μέρες ερευνούσαμε τη σκέδαση σωματιδίων άλφα και ο δόκτωρ Geiger, στο μικρό μας εργαστήριο, είχε μελετήσει το ζήτημα λεπτομερώς. Είχε διαπιστώσει ότι ο σκεδασμός σωματιδίων σε λεπτά φύλλα από βαρύ μέταλλο ήταν κατά κανόνα ελάχιστος, συνήθως της τάξεως της μιας μοίρας. Μια μέρα ο Geiger ήρθε και μου είπε: «Ο νεαρός Marsden, στον οποίο αυτή την εποχή έχω αναθέσει την έρευνα φαινομένων ραδιενέργειας θα μπορούσε να αρχίσει μία πιο διεξοδική έρευνα πάνω στη σκέδαση των σωματιδίων άλφα». Ποια είναι η γνώμη σας;» Είχα την ίδια γνώμη, γι αυτό του απάντησα «Να του ζητήσουμε να ερευνήσει μήπως ορισμένα σωματίδια άλφα σκεδάζονται υπό μεγάλες γωνίες» Ομολογώ πάντως ότι δεν πίστευα πως κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβεί. Ξέραμε ότι τα σωματίδια άλφα ήταν βαριά σωματίδια πολύ μεγάλης ταχύτητας και η πιθανότητα να σκεδαστούν από κάποια υποτιθέμενη συσσωρευμένη ύλη ήταν από ελάχιστη έως ανύπαρκτη. Θυμάμαι ωστόσο ότι δύο ή τρεις μέρες αργότερα ήρθε ο Γκάιγκερ φανερά συγκινημένος και μου είπε: «Καταφέραμε τελικά και διαπιστώσαμε ότι ορισμένα σωματίδια άλφα κυριολεκτικά επιστρέφουν πίσω.


Ήταν το πιο απίστευτο πράγμα που είχε ποτέ συμβεί μέσα σε εργαστήριο. Ήταν το ίδιο απίστευτο ΣΑΝ ΝΑ ΠΥΡΟΒΟΛΟΥΣΕΣ ΕΝΑ ΦΥΛΛΟ ΧΑΡΤΙ ΜΕ ΕΝΑ ΒΛΗΜΑ 15 ΙΝΤΣΩΝ ΚΑΙ ΤΟ ΒΛΗΜΑ ΝΑ ΕΚΑΝΕ ΓΚΕΛ ΣΤΟ ΧΑΡΤΙ ΚΑΙ ΝΑ ΓΥΡΙΖΕ ΠΙΣΩ ΝΑ ΣΕ ΣΚΟΤΩΣΕΙ. Στοχαζόμενος πάνω σ’ αυτό κατέληξα στο ότι η επιστροφή του σωματιδίου δεν μπορεί παρά να είναι η συνέπεια μιας μοναδικής σύγκρουσης. Κάνοντας,. Στη συνέχεια, τους υπολογισμούς κατέληξα στο συμπέρασμα ότι ήταν αδύνατον να θεωρήσουμε οτιδήποτε άλλο εκτός από το ότι ΣΤΟ ΚΕΝΤΡΟ ΚΑΘΕ ΑΤΟΜΟΥ, σε κάποιον πυρήνα, ΗΤΑΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΜΕΝΟ ΤΟ ΜΕΓΙΣΤΟ ΠΟΣΟΣΤΟ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ. Ήταν τότε που συγκρότησα την ιδέα ενός ατόμου με μικροσκοπικό πυρήνα με ηλεκτρικό θετικό φορτίο.»

Ernest Rutherford , 25 χρόνια μετά.
«Πλανητικό» μοντέλο ατόμου