Kilka lat temu przepowiedziano, że gdy tylko Zderzacz Hadronów zostanie uruchomiony, nadejdzie koniec świata. Ten ogromny akcelerator protonów i jonów, zbudowany w szwajcarskim CERN, jest słusznie uznawany za największy obiekt eksperymentalny na świecie. Został zbudowany przez dziesiątki tysięcy naukowców z wielu krajów świata. Można go naprawdę nazwać instytucją międzynarodową. Jednak wszystko zaczęło się na zupełnie innym poziomie, przede wszystkim po to, aby móc określić prędkość protonu w akceleratorze. Chodzi o historię powstania i etapy rozwoju takich akceleratorów, które zostaną omówione poniżej.
Początek historii
Po odkryciu obecności cząstek alfa i rozpoczęciu bezpośredniego badania jąder atomowych, ludzie zaczęli na nich eksperymentować. Początkowo nie było tu mowy o żadnych akceleratorach protonów, ponieważ poziom technologii był stosunkowo niski. Prawdziwa era powstania technologii akceleratorowej rozpoczęła się dopiero wLata 30. ubiegłego wieku, kiedy naukowcy zaczęli celowo opracowywać schematy przyspieszania cząstek. Dwóch naukowców z Wielkiej Brytanii jako pierwsze zaprojektowało specjalny generator napięcia stałego w 1932 roku, co pozwoliło innym rozpocząć erę fizyki jądrowej, która stała się możliwa w praktyce.
Wygląd cyklotronu
Cyklotron, a mianowicie nazwa pierwszego akceleratora protonów, pojawił się jako pomysł naukowca Ernesta Lawrence'a w 1929 roku, ale był on w stanie zaprojektować go dopiero w 1931 roku. Co zaskakujące, pierwsza próbka była wystarczająco mała, miała zaledwie kilkanaście centymetrów średnicy i dlatego mogła tylko nieznacznie przyspieszać protony. Cała koncepcja jego akceleratora polegała na wykorzystaniu pola magnetycznego, a nie elektrycznego. Akcelerator protonów w takim stanie miał na celu nie bezpośrednie przyspieszanie dodatnio naładowanych cząstek, ale zakrzywienie ich trajektorii do takiego stanu, aby leciały po okręgu w stanie zamkniętym.
To umożliwiło stworzenie cyklotronu, składającego się z dwóch pustych półdysków, wewnątrz których obracały się protony. Wszystkie inne cyklotrony opierały się na tej teorii, ale aby uzyskać znacznie większą moc, stawały się coraz bardziej nieporęczne. W latach 40. standardowe rozmiary takiego akceleratora protonów zaczęły dorównywać budynkom.
To za wynalezienie cyklotronu Lawrence otrzymał w 1939 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Synchrophasotrons
Jednak, gdy naukowcy próbowali zwiększyć moc akceleratora protonów,Problemy. Często były czysto techniczne, ponieważ wymagania dotyczące powstałego medium były niewiarygodnie wysokie, ale częściowo wynikały z tego, że cząstki po prostu nie przyspieszały zgodnie z wymaganiami. Nowego przełomu dokonał w 1944 roku Vladimir Veksler, który wymyślił zasadę autofazowania. Co zaskakujące, rok później amerykański naukowiec Edwin Macmillan zrobił to samo. Zaproponowali dostosowanie pola elektrycznego tak, aby oddziaływało na same cząstki, w razie potrzeby dostosowując je lub odwrotnie, spowalniając je. Umożliwiło to zachowanie ruchu cząstek w postaci pojedynczej wiązki, a nie rozmytej masy. Takie akceleratory nazywane są synchrofazotronem.
Zderzacz
Aby akcelerator przyspieszał protony do energii kinetycznej, zaczęto wymagać jeszcze potężniejszych struktur. Tak narodziły się zderzacze, które działały za pomocą dwóch wiązek cząstek, które obracały się w przeciwnych kierunkach. A ponieważ były one zwrócone do siebie, cząstki zderzały się. Pomysł narodził się po raz pierwszy w 1943 roku przez fizyka Rolfa Wideröe, ale nie można było go rozwinąć aż do lat 60., kiedy pojawiły się nowe technologie, które mogły przeprowadzić ten proces. Umożliwiło to zwiększenie liczby nowych cząstek, które pojawią się w wyniku zderzenia.
Wszystkie postępy w kolejnych latach bezpośrednio doprowadziły do budowy ogromnego obiektu - Wielkiego Zderzacza Hadronów w 2008 roku, który w swojej strukturze jest pierścieniem o długości 27 kilometrów. Uważa się, żeto przeprowadzone w nim eksperymenty pomogą zrozumieć, jak powstał nasz świat i jego głęboką strukturę.
Uruchomienie Wielkiego Zderzacza Hadronów
Pierwsza próba uruchomienia tego zderzacza miała miejsce we wrześniu 2008 roku. 10 września jest uważany za dzień jego oficjalnej premiery. Jednak po serii udanych testów doszło do wypadku - po 9 dniach nie powiodło się, a zatem został zmuszony do zamknięcia w celu naprawy.
Nowe testy rozpoczęły się dopiero w 2009 r., ale do 2014 r. obiekt działał przy wyjątkowo niskim zużyciu energii, aby zapobiec dalszym awariom. To właśnie w tym czasie odkryto bozon Higgsa, co spowodowało gwałtowny wzrost społeczności naukowej.
W tej chwili prowadzone są prawie wszystkie badania w dziedzinie ciężkich jonów i lekkich jąder, po czym LHC zostanie ponownie zamknięty z powodu modernizacji do 2021 roku. Uważa się, że będzie w stanie pracować do około 2034 roku, po czym dalsze badania będą wymagały stworzenia nowych akceleratorów.
Dzisiejszy obraz
W tej chwili limit projektowy akceleratorów osiągnął swój szczyt, więc jedyną opcją jest stworzenie liniowego akceleratora protonów podobnego do tych stosowanych obecnie w medycynie, ale o wiele potężniejszego. CERN próbował odtworzyć miniaturową wersję urządzenia, ale nie było zauważalnego postępu w tej dziedzinie. Planuje się, że ten model zderzacza liniowego będzie bezpośrednio podłączony do LHC w celu wywołaniagęstość i intensywność protonów, które zostaną następnie skierowane bezpośrednio do samego zderzacza.
Wniosek
Z nastaniem fizyki jądrowej rozpoczęła się era rozwoju akceleratorów cząstek. Przeszli przez wiele etapów, z których każdy przyniósł liczne odkrycia. Teraz nie można znaleźć osoby, która nigdy w życiu nie słyszała o Wielkim Zderzaczu Hadronów. Wspomina się o nim w książkach, filmach - przewidując, że pomoże odkryć wszystkie tajemnice świata lub po prostu go zakończyć. Nie wiadomo na pewno, do czego doprowadzą wszystkie eksperymenty CERN-u, ale za pomocą akceleratorów naukowcy byli w stanie odpowiedzieć na wiele pytań.
