ACCELERATORUL DE PARTICULE

Vilceanu Alexandra-CatalinaClasa xii C

Prof.coordinator: Tiganele Mihaela

DefinitieUn accelerator de particule este o instalație complexă folosită în domeniul fizicii de înaltă energie pentru a accelera particule elementare. Se accelerează în general doar particulele ce poartă sarcină electrică. Accelerarea are loc sub acțiunea unor câmpuri electrice și magnetice. Este utilizat la studiul particulelor elementare și al structurii nucleului atomic.

Caracteristicile esentiale pe care un fascicul accelerat le indeplineste sunt:

1. Particulele componente ale fasciculului accelerat au energia cinetica mult mai mare decat energia termica

2. Particulele au o imprastiere mica in energie

3. Fasciculul de particule se misca preponderant intr-o singura directie

Scopul accelerarii particulelor◦ Sinteză (formare) de noi elemente cu ajutorul ionilor grei accelerați.

◦ Găsirea celei mai mici particule subatomice, particula care stă la baza Universului.

◦ Ciocnirea cu alte particule staționare; ciocnire care rezultă în descompunerea în alte particule, ele putând fi urmărite și analizate cu diverse aparate (exemplu: camera cu ceață). Prin această ciocnire s-au descoperit cele mai multe particule subatomice.

◦ Se accelerează particula la viteze tot mai mari pentru a se analiza comportamentul ei. Spre exemplu electronul accelerat își mărește masa.

◦ Obținerea unui flux extrem de ridicat de radiații X într-o instalație acceleratoare denumită sincrotron.

◦ Acceleratorul de particule este inventat pentru a vedea ce s-a întâmplat după primele secunde de la marea explozie cosmică Big-Bang.

ClasificareExistă o mare varietate de acceleratoare de particule, ele putând fi clasificate după în funcție de forma traiectoriei fascicului de particule accelerate, caracterul câmpurilor acceleratoare, domeniul de energii imprimate particulelor și în funcție de natura particulelor accelerate.

Dupa modul de accelerare:

◦ Electrostatici – accelerarea se face pe baza gradientului potentialului electrostatic

◦ Electromagnetici – accelerarea se face pe baza variatiei in timp a campului electromagnetic

Dupa forma traiectoriei particulei accelerate:

◦ Liniari

◦ Circulari

Dupa tipul particulei accelerate:

◦ Acceleratori de electroni (betatroane)

◦ Acceleratori de protoni

◦ Acceleratori de ioni grei

Dupa energia particulelor accelerate:

◦ Acceleratori de energie medie ( pana la energii de ordinul zecilor de MeV/nucleon)

◦ Acceleratori de energie inalta ( energii de ordinal sutelor de MeV/nucleon)

◦ Acceleratori de energie foarte inalta (energii de ordinal GeV/nucleon)

Principiul de functionareSe bazeaza pe actiunea campurilor electrice si magnetice asupra sarcinilor

electrice aflate in miscare.

1. Campul electric de intensitate E

Consideram o particula de masa m0 si sarcina q care se misca cu viteza V . Variatia energiei sale cinetice este

2. Campul magnetic de inductie B

Particula de masa m0 si sarcina q se misca perpendicular pe liniile de camp dupa legea miscarii circulare:

R, raza traiectoriei pe care se misca particula, se calculeaza dupa formula

Campul electric determina energia particulei incarcate.

Campul magnetic asigura controlul traiectoriei pe care se deplaseaza particula.

Acceleratorul electrostatic de particule

Istoric vorbind, primele acceleratoare foloseau tehnologia simplă a unui singur mare voltaj (potențial) static pentru a accelera particule încărcate. În timp ce această metodă este încă foarte populară în zilele de astăzi, numărul acceleratoarelor electrostatice depășind cu mult orice altă clasă, ele sunt îndreptate către studiile cu energie mică până la limita de 30 MV (când acceleratorul este plasat într-un rezervor). Același mare voltaj poate fi folosit de două ori în cascadă dacă sarcina particulelor poate fi inversată în timp ce sunt în terminal; acest lucru este posibil cu accelerarea nucleului atomic prin adăugarea, întâi, a unui electron sau prin formarea unui compus chimic cationic (încărcat negativ), iar apoi trecând raza printr-o folie subțire pentru a îndepărta electronii din terminalul de mare voltaj, creând raza încarcată pozitiv.

Această categorie nu trebuie să fie confundată cu acceleratoarele liniare, acest termen referindu-se la acceleratoarele care folosesc câmpuri electrice oscilante sau ghid de unde. Astfel, cele mai multe acceleratoare aranjate într-o linie dreaptă nu trebuie numite „acceleratoare liniare”.

Acceleratorul liniar de particule

Într-un accelerator liniar (linac), particulele sunt accelerate într-o linie dreaptă cu o țintă de interes finală. Acestea sunt foarte des folosite. Sunt folosite pentru a da o energie inițială mică particulelor înainte să fie introduse într-un accelerator circular. Cel mai lung accelerator liniar din lume este SLAC (Stanford Linear Accelerator), având 3 km lumgime.

Acceleratoarele liniare de energii mari folosesc sisteme liniare de plăci (sau tuburi cu undă progresivă) la care este aplicat un câmp încărcat cu energie alternant. În timp ce particulele se apropie de o placă, ele sunt accelerate către aceasta prin intermediul unei plăci cu polaritate opusă. Pe când trec prin gaura din placă, polaritatea este inversată astfel încât placa, nu le acceptă și le accelerează către următoarea placă. În mod normal, un curent cu fascicule cu mai multe particule este accelerat, astfel încât un voltaj controlat AC este aplicat fiecărei plăci pentru a repeta acest proces pentru fiecare fascicul.

În timp ce particulele se apropie de viteza luminii, rata de comutare a câmpurilor electrice devine atât de mare, încât operează la frecvența microundelor, astfel, cavitățile rezonante RF sunt folosite în dispozitive cu energii mari în loc de simple plăci.

O categorie deosebită de acceleratoare liniare o constituie acceleratoarele cu undă progresivă, în care accelerarea particulelor se realizează prin acțiunea componentei electrice longitudinale a unui câmp electromagnetic ce se propagă într-un ghid de unde de construcție specială; viteza particulelor este egală cu viteza de fază a undei.

Acceleratorul liniar prezintă o utilitate esențială ce constă în producerea de electroni de mare energie (de exemplu: peste 40 GeV în acceleratorul de la Stanford), care nu pot fi accelerați în aceeași măsură în acceleratoarele ciclice, din cauza pierderilor mari de energie prin radiație.

Acceleratorii liniari sunt folosiți în medicină, în radioterapie și în chirurgia cu unde radio. Acceleratoarele liniare folosite în medicină folosesc un klystron și un aranjament complex de magneți care produc o radiație cu o energie de 6-30 de milioane de electron-volți (MeV). Electronii pot fi folosiți direct sau pot fi ciocnți de o țintă pentru a produce raze X. Siguranța, flexibilitatea și acuratețea razei produsă au înlocuit vechea utilizare a terapiei cu Cobalt-60 ca instrument de tratament.

Acceleratorul circular (ciclic)Într-un accelerator circular, particulele se mișcă într-un cerc până când

obțin suficientă energie. Calea particulelor este curbată în formă de cerc folosind electromagneții. Avantajul acceleratorului circular față de cel liniar este că topologia circulară permite accelerarea continuă, astfel încât particulele pot tranzita la infint. Un alt avantaj este că acceleratorul circular este mai mic decât cel liniar în comparație cu puterea lor (de exemplu, un linac ar trebui să fie extrem de lung pentru a avea echivalentul puterii unui accelerator circular).

În funcție de puterea și accelerația particulelor, acceleratoarele circulare au un dezavantaj: particulele emit radiații ale sincrotronilor. Când o particulă încărcată este accelerată, ea emite radiații electromagnetice și emisii secundare. Așa cum o particulă, care se deplasează în cerc, accelerează tot timpul către centrul cercului, ea emite în continuu radiații către tangenta la cerc. Această radiație se numește „lumina sincroton” și depinde în mare parte, de masa particulei. De aceea, multe acceleratoare de electroni cu putere mare sunt liniare. Unele acceleratoare, precum sincrotonul sunt create special pentru a produce acea lumină sincroton, adica raze X.

Deoarece teoria relativității impune ca materia să se deplaseze mai încet decât viteza luminii în vid în acceleratoare de energii mari, așa și energia crește atunci când viteza particulei se apropie de viteza luminii, dar nu o atinge niciodată. De aceea, fizicenii nu se gândesc, în general, la viteza, ci mai mult la energia particulei (sau impulsul acesteia), de obicei măsurată în electron-volți (eV). Un important principiu al acceleratoarelor circulare, și a razelor de particule, în general, este acela ca traiectoria particulei să aibă o curbură proporțională cu sarcina acesteia și cu câmpul magnetic, dar invers proporțional cu impulsul.

Cel mai des utilizate sunt acceleratoarele ciclice rezonante (ciclotron, microtron, fazotron, sincrotron, sincrofazotron) datorită avantajelor în ceea ce privește economia de spațiu și pierderile minime de energie.

CiclotronulPrimele acceleratoare circulare au fost ciclotronii, inventați în 1929 de Ernest

Lawrence la Universitatea Berkeley din California. Ciclotronii au o singură pereche de plăci adâncite în forma de „D” pentru a accelera particulele și un singur magnet mare dipolar pentru a devia deplasarea într-o orbită circulară. Este o proprietate caracteristică particulele încărcate într-un câmp magnetic constant și uniform, B, pe care orbitează cu o perioadă constată, la o frecvență numită „frecvență ciclotronică”, atât timp cât viteza lor este mică în comparație cu viteza luminii (c = 3108 m/s). Acest lucru înseamnă D-urile accelerate ale unui ciclotron pot fi conduși către o frecvență radio constantă (RF) accelerând puterea sursei, pe când raza face o spirală în continuu. Particulele sunt inserate în centrul magnetului și sunt extrase la margine când ajung la energie maximă.

Ciclotronii ajung la energia limită din cauza efectului relativist, când particulele devin, efectiv, masive, astfel încât frecvența lor ciclotronică scade cu accelerația radio frecvenței. Ciclotronii simpli pot accelera protoni doar până la o energie de aproape 15 milioane de electron volți (15 MeV, corespunzând vitezei de aproximativ 10% din viteza luminii). Dacă este accelerat în continuare, traiectoria devine o spirală până de o rază și mai mare, dar nu va mai avea destulă viteză pentru a completa întregul cerc în conformitate cu radio frecvența. Ciclotronii sunt, cu toate acestea, încă folositori pentru aplicațiile cu energie mică.

BetatronulUn alt tip de accelerator circular, inventat în 1940 pentru accelerarea electronilor, este betratonul. Ca și sincrotronul, acesta folosește un magnet în forma de gogoașă (cu gaură în mijloc) cu un câmp ciclic magnetic B, dar accelerează particulele prin inducție de la câmpul magnetic în creștere. Ajungând la o orbită radială constantă în timp ce asigură câmpul electric necesar, are nevoie ca fluxul magnetic conectat la orbită sa fie într-un fel independent de câmpul magnetic de pe orbită, deviind particulele într-o curbă constantă. Aceste dispozitive au fost, în practică, limitate de marile pierderi radiale suferite de electronii care se mișcau aproape de viteza luminii pe o orbita relativ mică.

CERNOrganizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (cunoscută mai ales

prin acronimul CERN, păstrat de la vechea denumire în limba franceză Conseil européen pour la recherche nucléaire, Consiliul European pentru Cercetare Nucleară, este cel mai mare laborator din lume pentru cercetarea particulelor elementare. Laboratorul este situat la câțiva kilometri de Geneva la granița dintre Elveția și Franța.

Funcția primară a complexului CERN este de a furniza acceleratoare de particule elementare și alte tipuri de infrastructuri necesarefizicii particulelor de energii înalte. La CERN au fost realizate numeroase experimente de diferite tipuri, implicând colaborarea internațională.

CERN are în dotare o rețea formată din șase acceleratoare de particule și un singur decelerator de particule. Fiecare accelerator din complex accelerează particulele până la o anumită energie, după care le trimite următorului accelerator, care urmează să accelereze particulele către energii mai mari. Dispozitivele folosite în prezent sunt următoarele:

◦ Două acceleratoare lineare, care creează particule de energii joase pentru a fi introduse în Sincrotronul de Protoni

◦ Boosterul Sincrotronic de Protoni accelerează energia particulelor generate de către Linac2 înainte de a fi transferate către alte dispozitive.

◦ Acceleratorul Circular de Ioni de Energii joase (în engleză "Low Energy Ion Ring" având acronimul LEIR)

◦ Sincrotronul de Protoni de 28 GeV (în engleză "Proton Synchrotron" având acronimul PS), construit în 1959

◦ Super Sincrotronul de Protoni (SPS) este un accelerator circular de particule, cu un diametru de 2km, construit într-un tunel, pus în funcțiune din anul 1976. A fost proiectat pentru a genera energii de maxim 300 GeV, dar a fost adus la zi treptat până când a ajuns la puterea maximă de 450 GeV.

◦ Separatorul de Masă Izotopică On-line (ISOLDE) este folosit la studierea nucleelor instabile.

◦ Deceleratorul de Antiprotoni (AD) reduce impulsul antiprotonilor până la aproximativ 10% din viteza luminii, pentru a putea fi efectuate cercetări despre antimaterie.

Rezultate recente majore ale CERNExperimentul OPERA

Cercetătorii de la CERN au făcut public faptul că ar fi observat că neutrinii se deplasează cu o viteză superioară celei a luminii și, mai mult decât atât, au proprietatea de a-și schimba aroma. Potrivit teoriei restrânse a relativității, niciun corp cu masa de repaus nenulă nu poate depăși viteza luminii.

Experimentul efectuat la CERN a constat în trimiterea cu viteză mare a unor fluxuri de neutrini dintr-un accelerator aflat la sediul CERN din apropierea Genevei către un detector aflat la Laboratorul Național Gran Sasso din Italia, la o depărtare de circa 732 de kilometri. În urma experimentului s-a observat că neutrinii au ajuns la destinație cu 60 de nanosecunde mai repede decât în cazul în care ar fi călătorit cu viteza luminii și că și-au schimbat aroma.

Despre bosonul Higgs

În perioada 2011 - 2012 oamenii de știință de la CERN au făcut progrese majore pentru a dovedi existența bosonului Higgs, până acum doar presupusă.