Akceleratory i zderzacze cząstek

Pierwsze odkrycia dotyczące podstawowych składników struktury materii powstały dzięki eksperymentom wykorzystującym promienie kosmiczne i promieniotwórczość. Eksperymenty te zbadały zderzenia obdarzonych w naturalny sposób energią cząstek subatomowych, jakimi są elektrony, protony i cięższe jądra atomowe. Od tamtej pory urządzeniami, które pozwoliły na badanie zderzeń cząstek w bardziej kontrolowanych warunkach, stały się akceleratory cząstek. Dzięki nim odkryto większość ze znanych obecnie cząstek tworzących materię i przenoszących oddziaływania.

Zasada działania akceleratorów cząstek polega na wykorzystaniu wpływu pól elektrycznego i magnetycznego na ruch naładowanych cząstek. Pole elektryczne przekazuje swą energię cząstkom, przyśpieszając je w ten sposób, podczas gdy pole magnetyczne zakrzywia je i ogniskuje, tworząc wiązki.

Wszystkie akceleratory cząstek mają te same podstawowe elementy: źródło cząstek, przyśpieszające pola elektryczne, sterujące wiązką pola magnetyczne i wreszcie detektory służące do obserwacji cząstek i ich zderzeń. W swoim domu każdy z nas ma prawdopodobnie przynajmniej jeden akcelerator cząstek.

Telewizor zawiera w sobie wszystkie podstawowe składniki akceleratora cząstek.

Istnieją różne typy akceleratorów. W akceleratorach liniowych cząstki prowadzone są po torach prostoliniowych poprzez kolejne obszary pola elektrycznego i zwiększają one swą energię przy przemieszczaniu się wzdłuż akceleratora. W akceleratorach kołowych (cyklotrony i synchrotrony) cząstki kierowane są przez pole magnetyczne po torach kołowych, tak że wielokrotnie przechodzą przez to samo przyśpieszające pole elektryczne.

Zderzenia o największej energii uzyskuje się, gdy dwie wiązki cząstek zderzają się czołowo. Większość zderzaczy cząstek to akceleratory kołowe, w których cząstki zderzają się czołowo z odpowiadającymi im antycząstkami. Wykorzystują one prawidłowość, zgodnie z którą cząstki i antycząstki reagują w ten sam sposób na pola elektryczne i magnetyczne, pod warunkiem, że poruszają się w przeciwnych kierunkach.