Dalelių greitintuvas

Didžiojo hadronų priešpriešinių srautų greitintuvo tunelis

Dalelių greitintuvas – įrenginys, kuris elektrinio ir (arba) magnetinio lauko pagalba greitina elektrinį krūvį turinčias daleles, suteikdamas joms dideles energijas. Yra du pagrindiniai greitintuvų tipai: tiesinis (linijinis) ir žiedinis.

Tiesiniai greitintuvai

Šiuose greitintuvuose dalelės greitinamos tiesia linija, kol susiduria su kliūtimi. Paprasčiausias ir dažniausiai naudojamas linijinis greitintuvas yra katodinių spindulių vamzdis (CRT), kuris taip pat naudojamas greitinti mažos energijos daleles prieš joms patenkant į žiedinį greitintuvą. Didžiausias tokio tipo įrenginys pasaulyje yra Stanfordo linijinis greitintuvas (SLAC), kurio ilgis 3 km.

Žiediniai greitintuvai

Žiediniuose greitintuvuose dalelės juda ratu, tam panaudojami galingi elektromagnetai. Pagrindinis privalumas, kad juose greitinamos dalelės gali judėti žiedo formos tuneliu neribotą laiką ir įgauti daug didesnį energijos kiekį. Tokio tipo įrenginiai turi trūkumą: priklausomai nuo dalelių masės ir greitinant joms suteikiamos energijos jos spinduliuoja sinchrotroninę radiaciją. Žinoma, kad visos elektrinį krūvį turinčios dalelės greitinamos pradeda skleisti elektromagnetinę radiaciją ir antrinį spinduliavimą. Kai dalelės juda greitintuvo tuneliu, jų greičio ir pagreičio vektoriai yra nukreipti į apskritimo centrą, o spinduliavimas – apskritimo liestinės kryptimi tiesiai. Šis spinduliavimas vadinamas sinchrotronine šviesa ir daugiausiai priklauso nuo greitinamos dalelės masės. Dėl šios priežasties dauguma elektronų greitintuvų yra linijiniai.

Šiandien Fermilab laboratorijoje JAV veikia 6 km ilgio sinchrotronas, o didžiausias kada nors pastatytas žiedinis greitintuvas yra LHC (Šveicarijoje CERN laboratorijoje). Jo žiedo ilgis – 27 km.

Devinto dešimtmečio pabaigoje Teksase buvo pradėtas statyti Superlaidusis superkolaideris (SSC), kuris būtų turėjęs net 87 km ilgio žiedą. Išleidus 2 milijardus dolerių ir pastačius penktadalį viso įrenginio, kongresas nutraukė šį projektą.

Tokie dideli greitintuvai statomi požeminiuose tuneliuose, nes gruntas suteikia natūralią apsaugą nuo sinchrotroninio spinduliavimo. Šiuolaikiniuose greitintuvuose, pvz.: Reliatyvistiniame sunkiųjų jonų priešpriešinių srautų greitintuve (RHIC) ir Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve (LHC) naudojami superlaidūs magnetai.

Sinchrotronas

Sinchrotrone kuriame magnetinis laukas (reikalingais pasukti daleles, turinčias krūvį) ir elektrinis laukas (reikalingas greitinti daleles) tiksliai sinchronizuojamas su jame keliaujančiu dalelių pluoštu. Sinchrotroną po Antro pasaulinio karo išrado JAV fizikas Luis Walter Alvarez.

Sinchrotroninė šviesa

Kai kurie žiediniai greitintuvai statomi kaip sinchrotroninės šviesos šaltiniai. Jie generuoja didelės energijos rentgeno spindulius, kurie panaudojami rentgeno spindulių spektroskopijoje.

Sinchrotronis spinduliavimas

Sinchrotroninis spinduliavimas yra stipresnis greitinant mažesnės masės dalelės. Pagrindiniai spinduliavimo šaltiniai yra elektronų greitintuvai. Sinchrotroninis spinduliavimas suteikia galimybę lengviau stebėti ir analizuoti daleles.

Ciklotronai

Pirmieji žiediniai greitintuvai buvo ciklotronai. Jie sukurti Kalifornijos Berkelio universitete, vadovaujant Ernestui Lorencui (1929 m.) Greitintuvas sudarytas iš didelio elektromagneto, tarp kurio polių yra įtaisyti du elektrodai ir jonų šaltinis. Daleles galima pagreitinti tik iki tam tikros ribos, nes dėl reliatyvistinio efekto padidėja jų masės.

Pirmojo ciklotrono skersmuo buvo 10 cm.

Panaudojimas

Pagreitintos iki didelės energijos dalelės nukreipiamos į taikinį. Tai gali būti liuminoforo sluoksnis (taip gaunamas atvaizdas televizoriaus kineskope) arba volframas (taip gaunami rentgeno spinduliai). Urano taikinį apšaudant didelės energijos dalelėmis galima gauti neutronų srautą. Linijiniame greitintuve taikinys paprastai yra jo pabaigoje. Išsiskyrusi energija proporcinga kvadratinei šakniai iš dalelei suteiktos energijos.

Didesnės energijos

Dabar visi galingiausi greitintuvai yra žiediniai priešpriešinių srautų, tačiau panašu, kad ateityje bus statomi linijiniai. Planuojama 2015–2020 metais pastatyti tarptautinį linijinį greitintuvą, kuris būtų 40 km ilgio. Tikimasi, kad bus pradėti naudoti plazminiai dalelių greitintuvai, kurie bus mažesni ir galės suteikti didelę energiją, todėl taps prieinami medicinos įstaigoms ir mažesnėms laboratorijoms.

Juodųjų skylių pagaminimas

Yra galimybė, kad per artimiausius dešimtmečius didžiausiuose greitintuvuose bus pagamintos juodosios skylės, jeigu superstygų teorija teisinga (Scientific American, 2005-05). Tačiau net jeigu jos būtų pagamintos, dėl Hokingo spinduliavimo (Hawking radiation) turėtų labai greitai išgaruoti.

Pavojai

Galima rasti darbų (pavyzdžiui, [1]), kuriuose teigiama, jog itin galinguose greitintuvuose gali susidaryti dalelės - žudikės (angl. killer particles), gebančios inicijuoti visai Žemės planetai pražūtingus procesus. Tai gali būti mažos juodosios skylės (kurios augdamos prarytų visą planetą) arba mažos kvarkinės žvaigždės, kurios gali inicijuoti grandininį virsmą, paverčiantį visą planetą kvarkine žvaigžde. Tikimybė, jog dalelės - žudikės gali susidaryti ar bent jau iš esmės egzistuoja paprastai laikoma labai menka (pagal labiau pripažįstamas teorijas itin mažos juodosios skylės nestabilios). Visgi pripažįstama, jog ji palyginama su tikimybe laimėti pagrindinį prizą daugelyje loterijų. Žemę nuolat bombarduoja įvairūs kosminiai spinduliai kuriuose esama ir labai didelės energijos dalelių. Kadangi nuo to katastrofų neįvyksta, kartais siūloma apriboti greitintuvų suteikiamą energiją kosminiuose spinduliuose pasitaikančiomis reikšmėmis.

Šis straipsnis yra tapęs savaitės straipsniu.