Ciclotronul și fizica particulelor

Istoria fizicii particulelor este o poveste de a căuta să găsești piese din ce în ce mai mici. Pe măsură ce oamenii de știință s-au adâncit în machiajul atomului, au fost nevoiți să găsească o modalitate de a-l despărți pentru a vedea blocurile sale de construcție. Acestea se numesc „particule elementare”. A necesitat o mare cantitate de energie pentru a le împărți. De asemenea, însemna că oamenii de știință trebuiau să vină cu noi tehnologii pentru a face această muncă.

Pentru asta, au conceput ciclotronul, un tip de accelerator de particule care folosește un câmp magnetic constant pentru a ține particulele încărcate, în timp ce se mișcă mai repede într-un model spiral circular. În cele din urmă, au ajuns la o țintă, ceea ce duce la particule secundare pentru fizicieni să studieze. Ciclotronii au fost folosiți în experimente fizice cu energie mare de zeci de ani și sunt de asemenea utili în tratamente medicale pentru cancer și alte afecțiuni.

Istoria ciclotronului

Primul ciclotron a fost construit la Universitatea din California, Berkeley, în 1932, de Ernest Lawrence în colaborare cu studentul său, M. Stanley Livingston. Au pus electromagneti mari într-un cerc și apoi au conceput o modalitate de a trage particulele prin ciclotron pentru a le accelera. Această lucrare a câștigat Lawrence premiul Nobel pentru fizică din 1939. Înainte de aceasta, principalul accelerator de particule utilizat a fost un accelerator liniar de particule, Iinac pe scurt. Primul linac a fost construit în 1928 la Universitatea Aachen din Germania. Linacurile sunt încă utilizate astăzi, în special în medicină și ca parte a acceleratoarelor mai mari și mai complexe. 

De la lucrările lui Lawrence pe ciclotron, aceste unități de test au fost construite în întreaga lume. Universitatea din California din Berkeley a construit câteva dintre ele pentru laboratorul său de radiații și prima instalație europeană a fost creată la Leningrad în Rusia la Institutul Radium. Un altul a fost construit în primii ani ai celui de-al doilea război mondial în Heidelberg. 

Ciclotronul a fost o mare îmbunătățire față de linac. Spre deosebire de designul linac, care a necesitat o serie de magneți și câmpuri magnetice pentru a accelera particulele încărcate într-o linie dreaptă, avantajul designului circular a fost că fluxul de particule încărcate va continua să treacă prin același câmp magnetic creat de magneți din nou, câștigând un pic de energie de fiecare dată când a făcut acest lucru. Pe măsură ce particulele câștigau energie, acestea vor face bucle mai mari și mai mari în jurul interiorului ciclotronului, continuând să câștige mai multă energie cu fiecare buclă. În cele din urmă, bucla ar fi atât de mare încât fasciculul de electroni cu energie mare ar trece prin fereastră, moment în care ar intra în camera de bombardament pentru studiu. În esență, s-au ciocnit cu o placă, iar particulele împrăștiate în jurul camerei. 

Ciclotronul a fost primul dintre acceleratoarele de particule ciclice și a oferit un mod mult mai eficient de a accelera particulele pentru un studiu suplimentar. 

Ciclotronii din epoca modernă

Astăzi, ciclotronii sunt încă folosiți în anumite domenii ale cercetării medicale și variază ca mărime, de la proiectări de masă aproximativ până la dimensiuni de clădire și mai mari. Un alt tip este acceleratorul de sincrotron, proiectat în anii '50 și este mai puternic. Ciclotronii cei mai mari sunt ciclotronul TRIUMF 500 MeV, care este încă în funcțiune la Universitatea Columbia Britanică din Vancouver, Columbia Britanică, Canada, și ciclotronul de inel superconductor la laboratorul Riken din Japonia. Se află la 19 metri. Oamenii de știință le folosesc pentru a studia proprietățile particulelor, a ceva numit materie condensată (unde particulele se lipesc între ele.

Mai multe modele moderne de acceleratoare de particule, cum ar fi cele care se află la Large Hadron Collider, pot depăși cu mult acest nivel de energie. Aceste așa-numite „lovituri de atom” au fost construite pentru a accelera particulele până la foarte aproape de viteza luminii, deoarece fizicienii cercetează bucăți din ce în ce mai mici. Căutarea Bosonului Higgs face parte din activitatea LHC din Elveția. Alte acceleratoare există la Brookhaven National Laboratory din New York, la Fermilab din Illinois, la KEKB în Japonia și altele. Acestea sunt versiuni foarte scumpe și complexe ale ciclotronului, toate dedicate înțelegerii particulelor care compun materia din univers.