RÉSZECSKEGYORSÍTÓ CERN Készítette: Laboda Lilla, Pokorny Orsolya, Vajda Bettina
A RÉSZECSKEGYORSÍTÓ A részecskegyorsítók töltött részecskéket: leptonokat, hadronokat, atommagokat, ionokat és molekulákat gyorsítanak fel elektromos energiával nagy energiára. A Tv képcsöve is hasonlít ehhez, elektronokat gyorsít, de a magfizika és a részecskefizika területén ennél jóval nagyobb energiákra gyorsítanak részecskéket.(elektront több száz GeV-ra) A proton energiájának, és a sebességének összefüggése megmutatja, hogy a feszültséglökések hatására elsősorban az energia növekszik, a sebesség GeV felett már épphogy, ilyenkor már ugyanis a fénysebességhez közelít. Az igen nagy alkalmazott energia lehetővé teszi, hogy Einstein E=mc 2, törvénye értelmében az egymással ütköző részecskék kinetikus energiája anyaggá alakuljon át.
RÉSZEI A részecskegyorsító fő részei: a gyorsító csövek, a gyorsításhoz szükséges berendezések és a hajlító mágnesek
A két gyorsító csőben, amelyek átmérője 6,3 cm, két proton-, vagy nehézionnyaláb halad egymással ellentétes irányban (külön-külön csőben) igen nagy vákuumban: 10-13 bar, nyomáson, amelynél az anyagsűrűség összemérhető a világűrével. Azért kell ilyen nagy légritkítást biztosítani, hogy minimálisra csökkentsék a gázmolekulákkal történő ütközések számát, ez ugyanis a felgyorsított részecskék elvesztésével járna.
CSOPORTOSÍTÁSUK Egyenáramú gyorsítók Az alacsonyenergiájú gyorsítók, mint például a katódsugárcső és a Röntgencső egyetlen elektródapárt tartalmaznak, melyre pár ezer voltos egyenfeszültséget kötnek. A Röntgen-csőben az egyik elektróda a célpont, ahol a nagy energiájú elektronok becsapódnak, és röntgensugarakat keltenek. Egyenfeszültségű gyorsítók közé tartozik a kaszkádgyorsító (Cockcroft és Walton fejlesztette ki 1932-ben), amelyben váltóáram csúcsfeszültségét sokszorozzák meg a nagy gyorsítófeszültség eléréséhez, és a Van de Graaffgenerátorral működtetett gyorsító, melyben a Van de Graaf-generátor pár ezer volt egyenfeszültségből állít elő több millió volt (MV) gyorsítófeszültséget (Robert J. Van de Graaff, 1931). Mindkettő valamilyen ionforrásból kapja a gyorsítandó ionokat.
CSOPORTOSÍTÁSUK Lineáris gyorsítók A lineáris gyorsítóknak nevezzük azokat a pulzált gyorsítókat, amelyben a töltött részecskéket egy egyenes mentén gyorsítják. Rádiófrekvenciás váltakozó feszültséggel működtethetőek a lineáris gyorsítók. Ekkor több egymás utáni lemezt alkalmaznak, melyekre váltakozó feszültséget kötnek, minden másodikra az egyik pólust, a többire a másikat. A berendezést úgy állítják be, hogy amikor részecske közeledik egy lemezhez, azon éppen a részecskéével ellentétes töltés van, ami gyorsítja a részecskét. Amikor áthalad a lyukon, a polaritás megváltozik, így a következő lemez újból gyorsít a részecskén. Általában több részecskecsomagot gyorsítanak egymás után ezekben a gyorsítókban. Ahogy a részecske sebessége a fénysebesség közelébe ér, olyan magassá válik az elektromágneses tér polaritásváltásának sebessége, hogy az már mikrohullámú frekvenciába esik, emiatt mikrohullámú üregrezonátorokat használnak a gyorsítófeszültség létrehozására. A legnagyobb lineáris gyorsító a Stanford Linear Accelerator (Stanfordi Lineáris Gyorsító, SLAC), mely 2 mérföld (3,2 kilométer) hosszú.
Körkörös gyorsító A körkörös gyorsítókban a részecske egy kör, vagy változó sugarú körívek mentén mozog, amíg el nem éri a szükséges energiát. A körkörös gyorsítók előnye a lineárisokkal szemben, hogy egy-egy része többször gyorsít a részecskén,ahányszor csak áthalad ott. A legelső körkörös gyorsítók ciklotronok voltak, melyet 1929-ben Ernest O. Lawrence fejlesztett ki. A ciklotronban két D alakú üreg található, mely a részecskéket gyorsítja, és egy dipól mágnes, mely a részecskék pályáját meggörbíti. A részecskéket a középpontba lövik be, és spirális pályán halad kifelé. A ciklotron azt használja ki, hogy adott mágneses térben egy részecske bármekkora sebesség esetén azonos idő alatt megy körbe (töltés mozgása mágneses térben). Ez egészen addig igaz, míg a sebesség meg nem közelíti a fénysebességet. Ekkor a tömege elkezd növekedni), és a keringés periódusideje megnő. Emiatt nem lehet protonokat 20 millió elektronvoltnál (20 MeV) nagyobb energiára gyorsítani ciklotronnal. Van rá mód, hogy kompenzáljuk a tömegnövekedést bizonyos mértékig, erre szolgálnak a szinkrociklotronok és az izokrón ciklotronok. De ezek sem alkalmasak 1000 MeV-nél nagyobb energiájú gyorsításokra.
Pár konkrét ciklikus gyorsító adatai Lawrence első ciklotrona nagyjából 10 centiméter átmérőjű volt, a legnagyobbak nagyjából 2 méter átmérőjűek, több száz tonnás mágnessel. A Fermilab gyorsítója 4 mérföld (6,4 kilométer) kerületű. Az eddigi legnagyobb pedig LEP a CERN-ben 8,5 kilométer átmérőjű, 27 km kerületű, amely elektron-pozitron ütköztető gyűrű volt. Ennek az alagútját újrahasználják a nagy hadron ütköztető gyűrű (LHC) építésére, mely 2007-ben lép működésbe. Texasban tervezték felépíteni a szupravezető szupercsűrlőt (SSC), melynek 87 km lett volna a kerülete. Elkezdték építeni, de leállították jóval az elkészülte előtt, mivel a tervezettnél sokkal több pénzbe került volna. A nagy körkörös gyorsítókat néhány méter átmérőjű földalatti üregekbe építik, így nem zavarja meg a felszíni életet, és a vastag földréteg megvéd minket az erős szinkrotron sugárzástól is.
A RÉSZECSKESUGARAK TEKINTETÉBEN KÜLÖNBSÉG TEHETŐ TÖLTÖTT ÉS SEMLEGES ÁLLAPOTÚ RÉSZECSKESUGÁR KÖZÖTT. - Az előbbiről akkor beszélünk, ha térben elkülönült, megközelítőleg azonos sebességű és irányú elektromosan töltött részecskék találhatóak. A részecskék sokkal nagyobb energiával rendelkeznek, mint a természetben, e tulajdonságukat teszi hasznossá azokat különböző szerkezete számára. Nagy hátránya e sugárnak, hogy a Föld mágneses tere el tudja téríteni, másrészt hatalmas elektromos töltöttsége miatt szétszóródik, s kontrollálhatatlan lesz. - Utóbbi esetében a semleges állapotú részecskékből álló sugarat úgy állítják elő, hogy hidrogént, vagy izotópját a deutériumot igen erős elektromos hatásnak teszik ki. Az elektromos töltés hatására negatív töltésű ionok jönnek létre, melyek egy vákuumcsatornán vezetik keresztül, melyben elektromosság segítségével felgyorsítják azokat. Mire a csatorna végére érnek az elektronokat leválasztják a negatív ionokról, s így létrejön a semleges sugár
FONTOSABB GYORSÍTÁSI ELVEK Fázisstabilitás: a részecskék sebességirányú szétszóródását gátolja meg, ha nem pont a legnagyobb feszültség idején haladnak át a részecskék, hanem a maximumhoz képest jól meghatározott időintervallumban. Gyenge- és erős fókuszálás: a részecskék sebességre merőleges szétszóródását akadályozza meg a körkörös gyorsítók mágneseinek megfelelő kialakítása. A nagy gyorsítókat mélyen a föld alá építik, ahogy a metrót, így nem kell nagy telket megvenni. (Az LHC gyűrűje például országhatáron is áthalad.) A nyaláb hűtése azt jelenti, hogy a tervezett részecskepályára merőleges sebességösszetevőt lecsökkentjük, ezzel a nyaláb átmérője is csökkenthető, ami ütközőnyaláboknál nagyon megnöveli az ütközések gyakoriságát. Két fontosabb fajtája a sztochasztikus hűtés és az elektronhűtés. Az előbbinél a gyorsító egyik pontjában mérjük a nyaláb kitérését, a hibajelet a másik pontba juttatva ezt korrigálom.
MAGYAR VONATKOZÁSOK Simonyi Károly építette 1951-ben az első magyar magfizikai részecskegyorsítót, egy Van de Graaf rendszerű 1 MeV-eset. További részecskegyorsítókat használnak még Debrecenben, a Szalay Sándor által létrehozott Atommagkutató Intézetben
CERN A CERN az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet, a részecskefizikai kutatások európai szervezete, a világ legnagyobb részecskefizikai laboratóriuma, a Large Hadron Collider (LHC) és a World Wide Web (WWW vagy röviden Web) születési helye. A francia-svájci határon helyezkedik el, Genftől kissé északra. Az alapító okiratot 1954. szeptember 29-én írták alá 12-en, jelenleg viszont már 20 tagországgal rendelkezik. Célja részecskegyorsítók biztosítása a nagyenergiájú fizika számára, nemzetközi együttműködések keretében számtalan kísérletet építettek fel itt. A fő telephelyen Meyrin-ben van egy nagy számítástechnikai központ is, rendkívül hatékony adatfeldolgozó kapacitással. Jelenleg 3000 teljes idejű alkalmazottja van, és mintegy 6500 tudományos kutató és mérnök 80 nemzet 500 egyeteméről, a világ részecskefizikai közösségének mintegy fele, dolgozik CERN-beli kísérleteken. A nagyközönség szívesen látott vendége a CERN Mikrokozmosz kiállításának, és lehetőség van időnként ténylegesen működő detektorok szervezett látogatására is.
Alapító tagok: Belgium, Dánia, Németország, az Egyesült Királyság, Franciaország, Görögország, Hollandia, Jugoszlávia, Norvégia, Olaszország, Svájc, Svédország. Azóta: Ausztria 1959-ben csatlakozott Jugoszlávia kivált 1961-ben Spanyolország 1961-ben csatlakozott, 1969-ben kivált, majd 1983-ban újra csatlakozott Portugália 1985-ben csatlakozott Finnország és Lengyelország 1991-ben csatlakozott Magyarország 1992-ben csatlakozott Csehország és Szlovákia 1993-ban csatlakozott Bulgária 1999-ben csatlakozott Jelenleg tehát 20 tagja van.
LHC http://www.youtube.com/watch?v=qqnpucos9wc