Hva er en synkrotron?

Høyvinkelvisning av en synkrotron i et laboratorium, California Institute of Technology, Pasadena, CA. SuperStock/Getty Images

EN synkrotron er et design av en syklisk partikkelakselerator, der en stråle av ladede partikler passerer gjentatte ganger gjennom et magnetfelt for å få energi ved hver passasje. Etter hvert som strålen får energi, justeres feltet for å opprettholde kontroll over strålens bane når den beveger seg rundt den sirkulære ringen. Prinsippet ble utviklet av Vladimir Veksler i 1944, med den første elektronsynkrotronen bygget i 1945 og den første proton synkrotron bygget i 1952.

Hvordan en synkrotron fungerer

Synkrotronen er en forbedring av syklotron , som ble designet på 1930-tallet. I syklotroner beveger strålen av ladede partikler seg gjennom et konstant magnetfelt som leder strålen i en spiralbane, og passerer deretter gjennom et konstant elektromagnetisk felt som gir en økning i energi ved hver passering gjennom feltet. Denne bumpen i kinetisk energi betyr at strålen beveger seg gjennom en litt bredere sirkel på passeringen gjennom magnetfeltet, får en ny bump, og så videre til den når de ønskede energinivåene.

Forbedringen som fører til synkrotronen er at i stedet for å bruke konstante felt, bruker synkrotronen et felt som endres over tid. Når strålen får energi, justeres feltet tilsvarende for å holde strålen i midten av røret som inneholder strålen. Dette gir større grad av kontroll over strålen, og enheten kan bygges for å gi mer energiøkninger gjennom en syklus.

En spesifikk type synkrotrondesign kalles en lagringsring, som er en synkrotron som er designet for det eneste formålet å opprettholde et konstant energinivå i en stråle. Mange partikkelakseleratorer bruker hovedakseleratorstrukturen til å akselerere strålen opp til ønsket energinivå, og overfører den deretter til lagringsringen for å opprettholdes til den kan kollideres med en annen stråle som beveger seg i motsatt retning. Dette dobler effektivt energien til kollisjonen uten å måtte bygge to fulle akseleratorer for å få to forskjellige stråler opp til fullt energinivå.

Store synkrotroner

Cosmotron var en protonsynkrotron bygget ved Brookhaven National Laboratory. Den ble tatt i bruk i 1948 og nådde full styrke i 1953. På den tiden var den den kraftigste enheten som ble bygget, i ferd med å nå energier på rundt 3,3 GeV, og den forble i drift til 1968.

Byggingen av Bevatronen ved Lawrence Berkeley National Laboratory begynte i 1950, og den ble fullført i 1954. I 1955 ble Bevatronen brukt til å oppdage antiprotonet, en prestasjon som fikk Nobelprisen i fysikk i 1959. (Interessant historisk notat: Den ble kalt Bevatraon fordi den oppnådde energier på omtrent 6,4 BeV, for 'milliarder av elektronvolt'. Med vedtakelsen av SI-enheter Prefikset giga- ble imidlertid tatt i bruk for denne skalaen, så notasjonen ble endret til GeV.)

Tevatron-partikkelakseleratoren ved Fermilab var en synkrotron. I stand til å akselerere protoner og antiprotoner til kinetiske energinivåer litt mindre enn 1 TeV, var den den kraftigste partikkelakseleratoren i verden frem til 2008, da den ble overgått avStor Hadron Collider. Den 27 kilometer lange hovedakseleratoren ved Large Hadron Collider er også en synkrotron og er i stand til å oppnå akselerasjonsenergier på omtrent 7 TeV per stråle, noe som resulterer i 14 TeV-kollisjoner.