Syklotron og partikkelfysikk

Ikiwaner, Wikimedia Commons

Historien til partikkelfysikk er en historie om å søke å finne stadig mindre biter av materie. Da forskere dykket dypt inn i sammensetningen av atomet, trengte de å finne en måte å splitte det fra hverandre for å se byggesteinene. Disse kalles 'elementærpartiklene'. Det krevde mye energi å splitte dem fra hverandre. Det betydde også at forskere måtte komme opp med nye teknologier for å gjøre dette arbeidet.

For det utviklet de syklotronen, en type partikkelakselerator som bruker et konstant magnetfelt for å holde ladede partikler når de beveger seg raskere og raskere i et sirkulært spiralmønster. Til slutt traff de et mål, noe som resulterer i sekundære partikler som fysikere kan studere. Syklotroner har blitt brukt i høyenergifysikkeksperimenter i flere tiår, og er også nyttige i medisinsk behandling for kreft og andre tilstander.

Syklotronens historie

Den første syklotronen ble bygget ved University of California, Berkeley, i 1932, av Ernest Lawrence i samarbeid med hans student M. Stanley Livingston. De plasserte store elektromagneter i en sirkel og utviklet deretter en måte å skyte partiklene gjennom syklotronen for å akselerere dem. Dette arbeidet ga Lawrence Nobelprisen i fysikk i 1939. Før dette var hovedpartikkelakseleratoren i bruk en lineær partikkelakselerator, Iinac for kort. Den første linacen ble bygget i 1928 ved Aachen University i Tyskland. Linacs er fortsatt i bruk i dag, spesielt innen medisin og som en del av større og mer komplekse akseleratorer.

Siden Lawrence arbeidet med syklotronen, har disse testenhetene blitt bygget over hele verden. University of California i Berkeley bygde flere av dem for sitt strålingslaboratorium, og det første europeiske anlegget ble opprettet i Leningrad i Russland ved Radium Institute. En annen ble bygget i de første årene av andre verdenskrig i Heidelberg.

Syklotronen var en stor forbedring i forhold til linacen. I motsetning til linac-designet, som krevde en rekke magneter og magnetfelt for å akselerere de ladede partiklene i en rett linje, var fordelen med den sirkulære utformingen at den ladede partikkelstrømmen fortsatte å passere gjennom det samme magnetfeltet skapt av magnetene om og om igjen, får litt energi hver gang den gjorde det. Etter hvert som partiklene fikk energi, ville de lage større og større løkker rundt syklotronens indre, og fortsette å få mer energi for hver sløyfe. Til slutt ville sløyfen bli så stor at strålen av høyenergielektroner ville passere gjennom vinduet, på hvilket tidspunkt de ville gå inn i bombardementkammeret for å studere. I hovedsak kolliderte de med en plate, og det spredte partikler rundt i kammeret.

Syklotronen var den første av de sykliske partikkelakseleratorene, og den ga en mye mer effektiv måte å akselerere partikler for videre studier.

Syklotroner i moderne tid

I dag brukes fortsatt syklotroner til visse områder av medisinsk forskning, og varierer i størrelse fra omtrent borddesign til bygningsstørrelse og større. En annen type er synkrotron akselerator, designet på 1950-tallet, og er kraftigere. De største syklotronene er TRIUMF 500 MeV syklotron , som fortsatt er i drift ved University of British Columbia i Vancouver, British Columbia, Canada, og Superconducting Ring Cyclotron ved Riken-laboratoriet i Japan. Den er 19 meter over. Forskere bruker dem til å studere egenskapene til partikler, til noe som kalles kondensert materiale (der partikler fester seg til hverandre.

Mer moderne partikkelakseleratordesign, slik som de som er på plass ved Large Hadron Collider, kan langt overgå dette energinivået. Disse såkalte 'atomknuserne' er bygget for å akselerere partikler til svært nær lysets hastighet, ettersom fysikere søker etter stadig mindre biter av materie. Letingen etter Higgs-bosonet er en del av LHCs arbeid i Sveits. Andre akseleratorer finnes ved Brookhaven National Laboratory i New York, ved Fermilab i Illinois, KEKB i Japan og andre. Dette er svært dyre og komplekse versjoner av syklotronen, alle dedikert til å forstå partiklene som utgjør materien i universet.