Akceleratory - wstęp
Czym jest CERN ?
CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire) to Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek, największe centrum fizyki cząstek na świecie. Laboratorium, powstałe w 1954 r., było jednym z pierwszych wspólnych przedsięwzięć Europy i stało się wzorem współpracy międzynarodowej. Początkowa liczba 12 sygnatariuszy konwencji CERN-owskiej wzrosła obecnie do 20 państw członkowskich.
CERN bada, z czego zbudowana jest materia i jakie siły ją utrzymują.
Laboratorium pozwala naukowcom korzystać z najnowszych urządzeń badawczych. Należą do nich akceleratory, które przyspieszają maleńkie cząstki do prędkości bliskich prędkości światła, i detektory, pozwalające te cząstki obserwować
Gdzie jest CERN ?
CERN leży na granicy miedzy Szwajcarią i Francją w pobliżu Genewy. Jego położenie jest symboliczne dla międzynarodowej współpracy, prowadzącej Laboratorium do sukcesów.
Zasada działania ?
W akceleratorach wiązka przyspieszonych cząstek zderza się z tarczą (lub z przeciwbieżną wiązką w akceleratorach wiązek przeciwbieżnych . Analiza zjawisk zachodzących w trakcie zderzenia wykorzystywana jest do badań jądra atomowego lub cząstek elementarnych. Akceleratory wykorzystywane są również do produkcji izotopów promieniotwórczych i w terapii nowotworowej.
Akceleratory w CERN-ie są jednymi z największych i najbardziej złożonych urządzeń na świecie. Należą do najwspanialszych pomników nauki XX wieku, ponieważ zbudowano je w oparciu o najnowsze technologie.
Akcelerator wiązek przeciwbieżnych (collider) - akcelerator, w którym możliwe jest zderzanie przeciwbieżnie przyspieszanych wiązek cząstek. Z zasad zachowania energii i pędu wynika, że w zderzeniu dwóch ciał dostępna jest tylko energia równa energii kinetycznej w ich układzie środka masy.
Przy zderzaniu wiązek przeciwbieżnych suma energii wiązek jest dostępną energią kinetyczną, co oznacza czasem kilkusetkrotny wzrost dostępnej energii względem akceleratora o takiej samej energii wiązki zderzającej się z tarczą spoczywającą, natomiast zmniejsza się liczba zachodzących reakcji ze względu na mniejszą gęstość wiązki niż tarczy spoczywającej.
Największym akceleratorem wiązek przeciwbieżnych zaprojektowanym obecnie jest Superconducting Super Collider (SSC), który ma zostać zbudowany w pobliżu Dallas (Teksas, USA). Za pomocą SSC planuje się osiągnięcie energii 2x20 TeV. Obecnie największe akceleratory wiązek przeciwbieżnych znajdują się w Batawii (USA), Genewie i Hamburgu.
Akceleratory dzielą się na dwa typy: liniowe i kołowe. W CERN-ie znajdują się oba typy. Aby dostarczyć energię wiązce cząstek, w akceleratorach używa się silnego pola elektrycznego. Pole magnetyczne służy do utrzymania cząstek w wiązce oraz w akceleratorach kołowych do zakrzywiania toru wiązki wewnątrz pierścienia akceleratora.
Akceleratory liniowe dostarczają energii cząstkom na całej swojej długości, więc im dłuższy akcelerator, tym większą energię możemy nadać przyspieszanym cząstkom.
W akceleratorze kołowym cząstki krążą w rurze akceleratora wiele razy, cały czas zwiększając swoją energię. Ale im szybciej cząstki krążą, tym łatwiej im "wypaść" z pierścienia przyspieszającego, zupełnie jak samochodom na zakręcie. Największy akcelerator w CERN-ie, LEP, ma obwód 27 kilometrów i starano się zrobić w nim jak najłagodniejsze zagięcia.
Jakie ma to dla nas znaczenie ?
Od zarania cywilizacji ludzie zawsze chcieli wiedzieć więcej o Wszechświecie. Celem było poznanie, a korzyści praktyczne często pojawiały się później. W XIX wieku Michael Faraday został zapytany przez członka rządu brytyjskiego, jakie będą korzyści z jego pracy o elektryczności. Jego odpowiedź była prorocza: "Pewnego dnia" powiedział "będzie można ją opodatkować."
Podobnie jak pragnienie wiedzy, które kierowało Faradayem, również czyste badania naukowe w CERN-ie prowadzą do rozwoju techniki. Z CERN-u pochodzą tak różne wynalazki jak obrazowanie medyczne i światowa pajęczyna - WWW. Naukowcy odpowiedzialni za ten rozwój nie byli zainteresowani medycyną czy komputerami. Ich motywacją było po prostu odkrycie.
CERN odgrywa także ważną rolę w zaawansowanej edukacji technicznej. Obszerny wachlarz praktyk i staży naukowych przyciąga do Laboratorium wielu młodych utalentowanych naukowców i inżynierów. Wielu robi następnie kariery w przemyśle, gdzie ich doświadczenie, zdobyte w pracy w wielonarodowym środowisku z wykorzystaniem najnowszej techniki, jest bardzo wysoko cenione.
Z największym kompleksem akceleratorów na świecie CERN jest bezkonkurencyjnym ośrodkiem, "dostarczającym" wiązki cząstek elementarnych fizykom do różnych eksperymentów. CERN-owskie akceleratory pracują z wieloma typami cząstek elementarnych do wszystkich rodzajów eksperymentów.
Dlaczego fizycy chcą badać cząstki ?
Ponieważ jesteśmy z nich zbudowani my ... i cały materialny Wszechświat! Znamy obecnie cztery rodzaje "cegiełek" - cząstek fundamentalnych, z których zbudowana jest znana nam materia. Są to:
kwarki górne i kwarki dolne
elektrony
neutrina elektronowe
Ad1) Kwarki górne i kwarki dolne
Kwarki górne u (up) i kwarki dolne d (down) są powiązane w protony oraz neutrony, a te z kolei są składnikami jąder atomowych. Kwarki są tak silnie związane, że dotychczas nie udało się ekperymentatorom "zaobserwować" pojedynczego kwarka.
Ad2) Elektrony
Elektrony razem z jądrem atomowym tworzą atom. Atomy łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki (molekuły). Te z kolei są składnikami bardziej złożonych obiektów - np. człowieka.
Ad3) Neutrina elektronowe
Neutrina bardzo słabo oddziałują z materią, dlatego bardzo trudno jest je obserwować. Neutrina przelatują np. przez Ziemię, jakby jej nie było.
Jak wyglądają elsperymenty ?
Eksperymentów takich nie znała historia nauki. Urządzenia do projektowanych i przeprowadzanych przez setki naukowców eksperymentów są często tak wielkie jak domy. Eksperymenty trwają nieprzerwanie przez kilka miesięcy w roku i zwykle potrzeba wielu lat na ich ukończenie.
Kto tu pracuje ?
CERN zatrudnia prawie 3000 osób o różnych uzdolnieniach i wykształceniu - inżynierów, techników, rzemieślników, administratorów, sekretarki, robotników, ...
Pracownicy CERN-u projektują i budują złożone CERN-owskie urządzenia i zapewniają ich sprawne działanie. Pomagają przygotować, prowadzić i interpretować skomplikowane eksperymenty naukowe i wykonują wiele prac zapewniających sukces tej szczególnej organizacji. Około 6500 naukowców, połowa fizyków cząstek na świecie, przyjeżdża do CERN-u prowadzić badania. Są oni przedstawicielami 500 uniwersytetów i ponad 80 narodowości.
Jak działają detektory cząstek ?
Detektory rejestrują ślady cząstek, które są za małe, aby można je "zobaczyć".Cząstka przelatując przez detektor, zderza się z atomami i wybija z nich elektrony.Elektrony są przyciągane przez najbliższy dodatnio naładowany drut Powstały w drucie impuls elektryczny jest wzmacniany i przesyłany do komputera.Znając położenie drutu oraz czas przybycia sygnału, komputer rekonstruuje przebieg zderzenia (zderzeń) cząstki z atomami.
Dlaczego akceleratory są okrągłe i duże ?
1.Pole magnetyczne zakrzywia tor naładowanej cząstki.
2.Ustawiając magnesy wzdłuż okręgu, możemy zawrócić cząstkę do punktu startowego, gdzie można ją ponownie "popchnąć". Podczas każdego obiegu zwiększa się energia cząstek - w naszym przykładzie o milion elektronowoltów (1 MeV) na okrążenie. W LEP-ie cząstki są przyśpieszane do energii 100000 MeV!
3. Nawet bardzo silne magnesy nie są w stanie znacząco zmieniać kierunku ruchu bardzo szybkich cząstek. Dlatego, aby uzyskiwać wysokie energie, potrzebne są akceleratory o dużym promieniu i z wieloma magnesami zakrzywiającymi.
W jaki sposób cząstki są przyspieszane ?
Cząstki przyspieszane są za pomocą pola elektrycznego. Dodatnio naładowana cząstka - jak proton - jest przyciągana przez ujemną elektrodę. W polu wytwarzanym przez baterię 1,5 V, proton zyskałby energię ~1.5 elektronowolta (lub krócej eV). Ta jednostka jest używana do określenia "mocy" akceleratora.
Akcelerator liniowy jest skonstruowany z wielu elementów przyspieszających połaczonych szeregowo.
Proces przyspieszania najłatwiej można sobie wyobrazić, rozważając ruch naładowanej cząstki w tunelu zbudowanym z pierścieni-elektrod. Na elektrodach zmieniamy napięcie w taki sposób, by podróżująca cząstka zawsze 'widziała' przed sobą przyciągającą elektrodę, a z tyłu - odpychającą.
Używając najsilniejszych generatorów napięcia, można zwiększać energię cząstek o około milion elektronowoltów na jednym metrze (1 MeV/m).
Jakie cząstki są przyspieszane ?
1.Protony
2.Elektrony
3.Jony
Przeważnie są to "protony" lub "elektrony".Z tych cząstek składa się atom wodoru.
Może on zostać 'rozbity' na elektron i proton, np. podczas wyładowania elektrycznego.
Chcąc zderzać cięższe obiekty, atomy takich pierwiastków jak siarka lub ołów pozbawia sie elektronów
i przyśpiesza dodatnio naładowane jądra.
Ciekawostki ?
w CERN-ie jest stale produkowana antymateria (ponad 10 milionów cząstek na sekundę).
w CERN-ie jest największy na świecie magnes ważący więcej niż wieża Eiffla.
w akceleratorach Laboratorium jest najlepsza próżnia między CERN-em i Księżycem.
największy akcelerator w CERN-ie ma 27 km obwodu i cząstki poruszające się z prędkością bliską prędkości światła obiegają go ponad 11000 razy na sekundę.
CERN-owskie detektory są tak wysokie jak czteropiętrowe domy.
ponad 1800 fizyków pracuje przy największym eksperymencie przygotowywanym dla następnego CERN-owskiego akceleratora. Ten eksperyment będzie dostarczał danych z taką szybkością, jak gdyby każdy mieszkaniec Ziemi prowadził równocześnie 10 rozmów telefonicznych.