Οι κυκλικοί επιταχυντές υψηλής ενέργειας

Άρθρο, Μάρτιος 2002

Κυκλικοί επιταχυντές υψηλής ενέργειας

Το συγχροκύκλοτρον είναι ένας εξελιγμένος τύπος του κυκλότρου. Διαφέρει από το απλό ως προς το ότι η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα των δύο D λεκτροδίων, δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται για να συμπίπτει με την συχνότητα περιστροφής των ιόντων (η οποία ελαττώνεται καθώς αυξάνεται η ενέργειά τους).

1. Πρωτοσύγχροτρον

Στο Brookhaven National Laboratory (Long Island, της Νέας Υόρκης) δημιουργήθηκε ο πρώτος επιταχυντής πρωτο-σύγχροτρον. Είναι επιταχυντές που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή δέσμης πρωτονίων με ενέργειες της τάξης του GeV. Ο πρώτος τέτοιος επιταχυντής, που φτιάχθηκε το 1952, λέγεται Κόσμοτρον (Cosmotron) των 3 GeV.

Ο επιταχυντής Super Proton Synchrotron (SPS) στο CERN είναι ένα σύγχροτρον, από τους μεγαλύτερους σε παγκόσμιο επίπεδο επιταχυντές πρωτονίων, φθάνοντας τα 450 GeV.

Σε αυτούς ο τεράστιος μαγνήτης του κυκλότρου, έχει αντικατασταθεί από μικρούς μαγνήτες, για να κάμπτουν τη δέσμη και να δίνουν την κυκλική τροχιά στα σωμάτια.

Μια ειδική ηλεκτρομαγνητική κοιλότητα, τοποθετημένη στο διάκενο μεταξύ των μαγνητών, αναπτύσσει το απαιτούμενο ηλεκτρικό πεδίο για την επιτάχυνση των πρωτονίων.

Το στοιχείο επιτάχυνσης: η ηλεκτρομαγνητική κοιλότητα  Οι κοιλότητες διαθέτουν αποθηκευμένη ηλεκτρική ενέργεια, και ένα μέρος αυτής μεταφέρεται στα σωματίδια κάθε φορά που περνούν μέσα απ’ τις κοιλότητες.

Το στοιχείο που καμπυλώνει την τροχιά των σωματιδίων : ο διπολικός μαγνήτης .  Χρησιμοποιούνται για να αναγκάσουν τα σωματίδια να κινηθούν σε κυκλική τροχιά.

Το στοιχείο εστίασης: οι τετραπολικοί και επταπολικοί μαγνήτες   Αυτοί οι μαγνήτες χρησιμοποιούνται για να κρατήσουν τα σηματίδια σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους στη δέσμη. Βασίζονται στην ίδια αρχή όπως και οι φακοί που συγκεντρώνουν το φως.

Ένας άλλος μεγάλος κυκλικός επιταχυντής πρωτονίων είναι και του Fermi National Laboratory (Fermilab), κοντά στο Σικάγο, που έχει τον πιό ισχυρό συγκρουστή πρωτονίου-αντιπρωτονίου, που σχεδιάστηκε για να φθάνει σε ενέργειες 1 Terra eV, γι αυτό και λέγεται Tevatron. Είναι η μόνη τρέχουσα συσκευή που φαίνεται να έχει την ισχύ να παράγει σπάνια γεγονότα, για το τελευταίο ανακαλυφθέν κουάρκ, το top.

Στον επιταχυντή αυτόν, συγκρούονται δέσμες πρωτονίων - αντιπρωτονίων.

Ενα κουάρκ τύπου t (top) μπορεί να παραχθεί όταν εξαϋλώνεται ένα πρωτόνιο με ένα αντιπρωτόνιο.

Το Fermilab περιλαμβάνει τον Main Injector (που τελειοποιήθηκε το 1999), που είναι ένας επιταχυντής σύγχροτρον πρωτονίων. Κάτω από αυτόν, στο ίδιο τούνελ είναι ένα άλλο σύγχροτρον, ένας δακτύλιος με υπεραγώγιμο δακτύλιο που λέγεται Tevatron, που φθάνει σε ενέργειες έως 1 TeV.

Υπάρχει όμως κι ένας δακτύλιος-αποθήκη αντιπρωτονίων που επιτυγχάνει ενέργειες συγκρούσεων περίπου 1.8 TeV.

Πριν όμως εισέλθουν στον Main Injector, τα πρωτόνια επιταχύνονται περίπου με ενέργεια 750 keV από έναν επιταχυντή, τον Cockroft-Walton,και ακολούθως με ενέργεια 400 MeV από έναν γραμμικό επιταχυντή. Στο τέλος φθάνουν να έχουν ενέργεια έως και 150 GeV μέσα στον Main Injector.

Ακολούθως με την ενέργεια των 150 GeV, φθάνουν στο Tevatron πρωτόνια και αντιπρωτόνια (από το Main Injector), επιταχυνόμενα πάλι έως την ενέργεια των 1000 GeV, ή ένα tera electron volt (1 TeV). Ταξιδεύοντας με ταχύτητες λίγο χαμηλότερα από την ταχύτητα του φωτός (400 km/h), τα πρωτόνια και αντιπρωτόνια περιστρέφονται στο Tevatron σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Πρωτόνια από τον Κύριο Διακτύλιο σε δέσμες των 10¹⁵ , κυριολεκτικά διαλύονται πάνω σε ένα μεταλλικό στόχο, για την δημιουργία αντιπρωτονίων. Περίπου 10 δισεκατομμύρια φτιάχνονται και εξάγονται σε μια σειρά τριγωνικών μαγνητών φτιάχνοντας ένα συσσωρευτή. Μόλις αποθηκευτεί μια ικανοποιητική "στοιβάδα" αντιπρωτονίων, τότε μεταπηδούν στο Tevatron.   Έξι δέσμες από κάθε είδος σωματιδίων (πρωτόνια - αντιπρωτόνια), που η κάθε δέσμη είναι 60 εκατοστά περίπου σε μήκος και σε πάχος όσο ένα μολύβι, επιταχύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις γύρω από τον δακτύλιο για να συγκρουστούν και να γίνει ακολούθως η ανίχνευση των γεγονότων που ακολουθούν.

Μερικές επιτυχίες του Fermilab είναι η ανακάλυψη του μεσονίου Υψιλον, του Γοητευτικού (charm) αλλά και του τελευταίου Κορυφαίου (Top) κουαρκ.

Ένας άλλος σπουδαίος επιταχυντής πρωτονίων είναι στο Brookhaven στη Νέα Υόρκη. Σε αυτόν ανακαλύψαμε το βαρυόνιο Ω καθώς και τα μεσόνια J και Ψ. 

Τον τελευταίο καιρό δημιουργήθηκαν οι συνθήκες στον Σχετικιστικό Συγκρουστή Βαρέων Ιόντων (Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)), για να φτιαχθεί το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίων. Πιστεύεται πως το πλάσμα αυτό υπήρχε στις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος.

2. Ηλεκτροσύγχροτρον

Το πρώτο ηλεκτροσύγχροτρον φτιάχθηκε στην Αγγλία, το 1946, από τους Goward και Barnes. Έτσι ξεπεράστηκαν τα προβλήματα που παρουσίαζε το απλό βήτατρο.

Ο LEP, του CERN, είναι ο μεγαλύτερος σύγχροτρον συγκρουστής ηλεκτρονίων (Large Electron Project). Έχει ακτίνα 4km. Για τον επιταχυντή αυτόν, η μέγιστη ενέργεια περιορίζεται από τις απώλειες της σύγχρονης ακτινοβολίας,  που αυξάνεται με την τετάρτη δύναμη της ενέργειας του σωματίου. Επειδή οι απώλειες αυτές είναι αντιστρόφως ανάλογες με το τετράγωνο των ακτίνων , αυτοί οι επιταχυντές γίνονται όσο το δυνατόν μεγαλύτεροι. 

Ο LEP ήταν σχεδιασμένος να μελετά τις συγκρούσεις ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου, σε ενέργειες ίσες με τη μάζα του μποζονίου Z⁰, περίπου 100 GeV. Μπόρεσε να παράγει ένα μεγάλο αριθμό των top κουάρκ και οι επιστήμονες προσπάθησαν να δουν το σωματίδιο Higgs χωρίς όμως επιτυχία.

Τα ποζιτρόνια δημιουργούνται χωρίζοντας μερικά ηλεκτρόνια από μια δέσμη ηλεκτρονίων σ' ένα επιταχυντή, και αναγκάζοντάς τα να συγκρουστούν με ένα μεγάλο κομμάτι βολφραμίου. Τότε η σύγκρουση αυτή παράγει μεγάλο αριθμό από ζεύγη ηλεκτρονίων -ποζιτρονίων. Τα ποζιτρόνια συλλέγονται χωριστά και εισέρχονται σε μια ξεχωριστή γραμμή στην αρχή ενός Linac. Τότε μαγνητικά πεδία, αναγκάζουν τα ποζιτρόνια να περιστραφούν και τέλος μπαίνουν μέσα στο κύριο σώμα του Linac όπου επιταχύνονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα ηλεκτρόνια.