Partikelfysik

Fysiken bakom linjära partikelacceleratorer

publicerad 1 vecka sedan av
Valentin Voistinov

Partikelacceleratorer är komplexa maskiner som accelererar partiklar i en bestämd bana. Efter att partiklarna har nått den önskade hastigheten kolliderar de med varandra och producerar nya partiklar av intresse. Partikelacceleratorer finns i flera former och storlekar, men kan generellt delas in i cirkulära och linjära. I denna artikel kommer jag att fokusera på linjära acceleratorer, alltså partikelacceleratorer där partiklar accelereras i en linjär riktning.

I grunden består en accelerator av en vakuumtub som partiklar färdas i. Denna tub delas in i flera kammare med plattor mellan varje kammare. Plattorna har en spänningsskillnad mellan dem som ger upphov till ett elektriskt fält och har förmågan att accelerera partiklar. Till exempel så kommer en proton att attraheras till plattan som är negativt laddad och repelleras av den positiva; och från detta kommer partikeln få en ökad hastighet. Med andra ord utför det elektriska fältet ett arbete på protonen, vilket ökar dess hastighet. En högre spänning kommer att ge ett starkare fält och snabbare partiklar, men om spänningen blir för hög kommer plattorna spontant att laddas ur. Därför finns det en övre gräns hos spänningen som plattorna måste förhålla sig till. 

En vakuumtub är indelad i olika kammare som skiljs av laddade plattor som har hål där partiklar kan färdas genom. Ett elektriskt fält uppstår mellan plattorna, vilket kan accelerera laddade partiklar. “t” signifierar tid där t1<t2. Men enligt denna ritning kommer protonen endast accelerera i en kammare och därefter sakta ner tills den stannar. Bild av Valentin Voistinov.

Det finns ett problem med den här konstruktionen. Protonen kommer endast att accelerera i första kammaren. Därefter kommer den att repelleras i motsatt riktning och eventuellt stanna. För att åtgärda detta är partikelacceleratorn byggd för att laddningen på varje platta ska oscillera (byta riktning). På detta sätt kommer plattorna således att byta laddning när protonen har passerat den andra plattan, vilket kommer att leda till att partikeln accelererar ytterligare.

Nu oscillerar laddningen mellan plattorna i takt med protonens hastighet, vilket ökar dennes hastighet. Observera att det endast kan finnas partiklar i varannan kammare, i och med att det bara är varannan kammare som kommer att accelerera protonen. Resten kommer att ge motstånd. Bild av Valentin Voistinov.

För att den här metoden ska fungera måste laddningen oscillera i takt med partiklarnas färd. Men i verkligheten är detta ännu svårare eftersom att det aldrig är en enskild partikel som används, utan en större samling av partiklar. Det innebär att om laddningen oscillerar i fel takt kommer vissa partiklar att accelerera snabbare, medan andra kommer sakta in och gå förlorade. Det ger en instabil gruppering av partiklar. Därför är det viktigt att laddningen ändras i takt så att alla partiklarnas hastighet regleras till en gemensam hastighet som ger en stabil gruppering av partiklar. I praktiken innebär det att partiklar som färdas snabbare än den gemensamma hastigheten saktar in och de som färdas långsammare accelereras. 

Det finns ytterligare ett problem, vilket har att göra med banan som partiklarna färdas i. Utan något stöd är det osannolikt att alla partiklar får en perfekt bana genom hela acceleratorn, utan kommer istället att färdas på ett oordnat sätt, vilket har två avsevärda nackdelar. 

För det första kan partiklar gå förlorade i partikelacceleratorn, vilket kommer att minska antalet kollisioner som når detektorn. För det andra kan energirika partiklar skada ömtåliga komponenter i partikelacceleratorn, vilket leder till att deras färd måste korrigeras med hjälp av elektromagneter som ligger runt vakuum tuben. Dessa elektromagneter alstrar ett magnetfält som håller partiklarna i en bana genom partikelacceleratorn. 

Kvadrupol magneter som omger linjära partikelacceleratorn av “the Australian Synchrotron”. Bild av John O’Neill.

Magneter har flera uppgifter i partikelacceleratorer. Elektromagneter används även för att klumpa ihop partiklar vid detektorerna för att de ska kollidera med partiklarna från det motsatta hållet, men också för att minimera spridningen av partiklar efter kollisionen. Efter kollisionerna måste även de resterande partiklarna hanteras. De kan inte bara slå i väggen och skada acceleratorn. Istället måste partiklarnas intensitet minskas för att sedan låta dem slå i en betongvägg. Såklart används magneter även för detta.

Sammanfattningsvis använder linjära partikelacceleratorer elektriska fält för att accelerera partiklar och magnetiska fält för att korrigera deras bana i acceleratorn. Men i praktiken är det mycket mer komplext än så. Linjära partikelacceleratorer har varit mycket betydelsefulla för partikelfysik, vilket det även kommer att vara under överskådlig framtid.

Källor som användes i den här artikeln