Kako rade akceleratori?

Od kada se prvi put pojavila ideja o atomu, kao nečemu nedeljivom, kao osnovnoj ćeliji koja gradi svet oko nas, atom je dobijao sve manje i manje dimenzije, a broj tih gradivnih jedinica bivao je sve manji. Hemičari su godinama sekli atom i stalno nalazili osnovne elementarne strukture materije. Godine istraživanja dovele su do ideje o atomu, kao hemijskom elementu – najjednostavnijoj gradivnoj jedinici svih materijala koje poznajemo. Hemičari nisu mogli dalje da dele atom, za njih on do današnjih dana ostao nedeljiv, ali tada su u pomoć došli fizičari. Prva istraživanja radioaktivnosti hemijskog atoma pokazala su da atom nije najjednostavnija gradivna jedinica. Brzo je ljudska civilizacija shvatila potencijal energije atomskog jezgra, izgrađene su brojni nuklearni reaktori i nuklearne centrale. Atomi, hemijski elementi, prestali su da budu najjednostavnije “cigle” koje izgrađuju svet oko nas, njihovu ulogu preuzeli su protoni, elektroni i neutroni. Sve je postalo tako jednostavno, ispostavilo se da su stotinak hemijskih atoma, koliko je poznato, u stvari složene strukture koje se mogu dobiti kombinovanjem novih “atoma”, tj. tri elementarne čestice.

Možete mislite da je tu kraj priče, ali nije, ovo je bio tek početak, početak u razvoju jedne savremene i vrlo zanimljive oblasti fizike, fizike elementarnih čestica, čiji je jedini cilj bio da opiše od čega je sagrađen svet u kome živimo. Krenula su nova istraživanja, traženi su novi načini da se razbiju ove elementrane čestice, a tražile su se i nove. Da bi nastavili sa sečenjem “atoma” fizičari su morali da prave sve oštrije i oštrije noževe, a taj “nož” bili su sve moćniji i moćniji akceleratori.

Akceleratori su uređaji koji, pomoću električnog i magnetnog polja, ubrzavaju naelektrisane čestice do velikih brzina, nekada čak i do brzina koje su nešto manje od brzine svetlosti. Ovi uređaji omogućuju ispitivanje tajni atomskog jezgra, strukture protona i neutrona, sila koje svu tu gomilu čestica drže na okupu i još mnogo, mnogo toga. U akceleratorima se najčešće ubrzavaju elektroni, protoni i jezgra lakih elemenata (deuteroni i alfa čestice), ali postoje i akceleratori u kojima se ubrzavaju i teži joni (ugljenik, kiseonik, berilijum, neon, pa čak i olovo).

Dobro je poznato da svako telo koje se kreće ima energiju, tzv. kinetičku energiju koja je proporcionalna kvadratu brzine. Prema tome kad akcelerator ubrzava neku česticu on joj povećava energiju, i upravo ta energija je ono što je potrebno za dalja istraživanja. Suština eksperimenata u akceleratorima je da se čestice velikom brzinom sudare sa drugim česticama ili atomskim jezgrima. Prilikom tih sudara složene strukture se raspadaju na sve sitnije i delove. Osim toga što sudari omogućavaju da vidimo “sastavne delove” neke složene čestice od energije koja se oslobodi mogu nastati i neke druge čestice koje nisu ulazile u sastav onih koje su se sudarile (ovo je tzv. proces kreacije čestica).

Princip rada prvih akceleratora je vrlo jednostavan – potrebna je jedino razlika potencijala (npr. baterija) i čestica koju treba ubrzati. U svakom električnom polju naelektrisanje čestice kreću se u smeru ka suprotnom naelektrisanju (npr. elektroni, koji su negativni, kreću se od negativnom ka pozitivnom potencijalu) i tokom tog kretanja oni ubrzavaju i povećavaju svoju energiju. Ako bi pozitivan pol u ovom jednostavnom akceleratoru bio u obliku rešetke većina elektrona bi, ubrzana, prošla kroz rešetku i izletela iz ovog jednostavnog akceleratora. Na ovom principu radi TV ekran u kome se elektroni ubrzavaju u polju od oko 10.000 V, izleću i udaraju u ekran gde dovode do formiranja slike koju vidimo. I ako princip rada akceleratora deluje vrlo jednostavno, konstrukcija ovih uređaja je vrlo složen i skup proces. Takođe, i održavanje i upotreba akceleratora zahteva velika ulaganja a za rad je potrebna ogromna količina električne energije.

Hronološki gledano prvi tip akceleratora je Kokroft-Valtonov (Cockroft-Walton) akcelerator. Ovaj akcelerator je, u principu, sličan opisanom slučaju sa baterijom. Akcelerator se sastoji od izvora jona, akceleratorske cevi (u kojoj se vrši ubrzavanje), specijalnog izvora visokog napona koji je na specijalan način priključen na sistem akceleratorskih elektroda i sistema detektora. Suštinu ovog akceleratora čini upravo izvor napona i sistem elektroda koje ubrzavaju jone. Generator visokog napona se sastoji od dioda i kondenzatora povezanih na specijalan koji omogućava postepeno povećanje napona na elektrodama u akceleratorskoj cevi. Ovo je vrlo stari tip akceleratora koji je vrlo jednostavno napraviti jer koristi standardne elektronske elemente. Naravno, ovaj akcelerator ne može da postigne velike energije i njegov maksimum je 3 MeV, što je vrlo mala energija za savremenu fiziku čestica.

Drugi značajan tip akceleratora je Van de Grafov akcelerator, koji spada u tzv. elektrostatičke akceleratore. Rad ovog akceleratora zasniva se na definiciji potencijala provodnika, prema kojoj je potencijal rad koji treba izvršiti da bi se jedinično naelektrisanje prenelo sa provodnika u beskonačnost. Na Van de Grafovom akceleratoru naelektrisanje se pomoću šiljka od izvora prenosi na pokretnu izolacionu traku. Ovom trakom naelektrisanje se transportuje do sabirne elektrode koja ga skuplja i odvodi do šuplje elektrode. Na ovaj način može se postići izuzetno velika razlika potencijala (reda 7·10⁶ V koja se kasnije koristi za ubrzavanje čestica. Postoji tzv. i tandem Van de Grafov akcelerator koji je kombinacija dva Van de Grafova akceleratora. Za razliku od običnog akceleratora u kome se ubrzavaju pozitivni joni, tandem akcelerator počinje da ubrzava negativne jone. U centralnom delu joni gube elektrone (u sudaru sa nekim gasom ili pri prolasku kroz tanak ugljeni sloj) i postaju pozitivni. Sada drugi deo tandem akceleratora ubrzava dobijene pozitivne jone. Energija koja se može dostići na ovaj način iznosi oko 14MeV što je omogućilo veliku primenu Van de Grafovog akceleratora u nuklearnoj fizici.

Ova dva pomenuta tipa akceleratora spadaju u prve linearne akceleratore. Današnji linearni akceleratori se konstruišu na nešto drugačiji način. U pravoj vakumskoj cevi, koja može da bude dugačka i nekoliko kilometara, nalaze se cilindrične elektrode koje su povezane na polove naizmeničnog izvora visokofrekventnog napona. Na početku cevi nalazi se izvor čestica koje treba ubrzati, dok je meta postavljena na drugi kraj cevi. Naelektrisane čestice se kreću od izvora ka meti. Dok se kreću između elektroda na njih deluje električno polje i ubrzava ih. Pretpostavimo da se u ovakvom akceleratoru ubrzava pozitivan jon. Na početku prva elektroda je negativna i privlači jon, koji počinje da ubrzava. Kad jon uleti u šupljinu elektrode ubrzanje prestaje i on nastavlja da se kreće ravnomerno, po inerciji. U trenutku kad čestica izađe iz prve elektrode menja se polarizacija elektroda i prva elektroda postaje pozitivna a druga negativna. Sada se proces ponavlja, jon ubrzava do druge elektrode, uleće u nju, kreće se po inerciji, i opet – kad jon napusti drugu elektrodu polarizacija se ponovo menja. Sada je prva elektroda opet naelektrisana negativno, druga pozitivno, treća negativno itd. Čestica nastavlja da ubrzava ka četvrtoj elektrodi i proces se ponavlja. Frekvencija napona se podešava tako da se ova promena polarizacije tačno poklopi sa izlaskom čestice iz elektroda, a dužina elektroda i razmak između susednih elektroda ravnomerno se povećava od prve elektrode pa na dalje. Brzina (tj. energija) koju će čestica imati na izlasku iz akceleratora najviše zavisi od dužine samog akceleratora – što je akcelerator duži, energija je veća. U ovom akceleratoru čestice se mogu ubrzati i do relativističkih brzina pa se, prilikom njihove konstrukcije, u obzir moraju uzeti i relativistički efekti porasta mase, kontrakcije dužine i dilatacije vremena. Najpoznatiji linearni akcelerator je SLAC, na univerzitetu Stenford Ovaj akcelerator je dugačak 3,2 km a u njemu se postižu energije od 20 GeV.

Linearni akceleratori su dugo igrali glavnu ulogu u fizici čestica a onda su počeli da ih zamenjuju kružni akceleratori. Ipak, linearni akceleratori nisu zaboravljeni i poslednjih nekoliko godina ponovo postaju aktuelni. Trenutno je u planu izgradnja najsnažnijeg linearnog akceleratora, TESLA, koji će verovatno biti dugačak oko 30km. Najveći nedostatak linearnog akceleratora je potreba za velikim dimenzijama, ali njihova ogromna prednost je to što je gubitak energije vrlo mali. Fizičari su stalno primorani da nalaze neki kompromis između ova dva problema.

Prvi tip kružnog akceleratora je ciklotron. Ovaj akcelerator ubrzava elektrone, protone i lake jone do energija pri kojima se relativistički efekti mogu zanemariti. Prvi ciklotron konstruisao je Lawrence 1932. godine. U početku, ciklotron je bio mali laboratorijski uređaj a tek kasnije je dostigao ogromne dimenzije. Ovaj tip akceleratora sastoji se od kružne metalne kutije presečene na polovini. Kutije (duanti) se postavljaju u magnetno i priključuju na visokofrekventni napon. Princip rada je vrlo jednostavan. Čestica koja se ubrzava kreće iz centra ciklotrona. Ona počinje da kruži. Kada se nađe između duanata, koji su različito naelektrisani, na nju deluje električno polje u ubrzava je. Ubrzana čestica uleće u šuplji duant, u kome magnetno polje savija njegovi putanju. Čestica se po polukružnoj putanje kreće i izlazi na drugi kraj polukruga. Dok je putovala po ovom polukrugu polaritet duanata je promenjen i električno polje između njih opet ubrzava česticu i ceo proces se opet ponavlja. Ubrzavajući, čestica se kreće po spiralnoj putanji. U jednom trenutku poluprečnik putanje postaje veći od poluprečnika duanta i ona napušta akcelerator. Na mestu gde čestice napuštaju akcelerator postavlja se željena meta. Ciklotron može da ubrza čestice do oko 10MeV.

Malim modifikacijama ciklotrona dobijen je akcelerator koji je poznat kao fayotron (sinhrociklotron). Fazotron omogućava ubrzanje čestica do relativističkih energija. Za razliku od sinhrotrona gde je frekvenca kojom se menja polaritet duanata uvek ista, kod fazotrona ova frekvenca se sporo menja tokom ubrzanja, tako da frekvenca polja odgovara frekvenci obrtanja čestice, koja se smanjuje zbog relativističkih efekata.

Sledeći tip kružnih akceleratora je betatron. Za ubrzanje elektrona ovaj akcelerator koristi vrtložno električno polje, koje se indukuje promenjlivim magnetnim poljem. Za razliku od ciklotrona gde su se čestice kretale po spiralnoj putanji kod betatrona elektroni opisuju kružne putanje stalnog poluprečnika. Konstrukcija betatrona je kombinacija elektromagneta i vakumske cevi u obliku torusa. Ovaj torus (đevrek) nalazi se između polova jakog elektromagneta. Promena jačine struje u namotajima elektromagneta dovodi do promene magnetnog polja, a promenljivo magnetno polje indukuje električno polje. Linije sila ovog polja imaju oblik kružnice, a pravac jačina polja je tangenta na putanju elektrona. Stalna orbita po kojoj se kreću elektroni omogućava veliki broj rotacija elektrona, a pri svakoj rotaciji elektron dobija sve veću i veću energiju. Betatron može da ubrza elektrone do energija između 1MeV i 50MeV. Najveći nedostatak betatrona su problemi koji nastaju prilikom izvođenja ubrzanih elektrona iz akceleratora.

Možda jedan od najznačajnijih tipova akceleratora je sinhrotron. Ovo je kružni akcelerator sa česticama čije orbite imaju približno konstantan radijus, pri čemu se frekvenca električnog polja kojim se elektroni ubrzavaju ne menja, ali se menja intenzitet magnetnog polja koje održava stabilnost orbite. Ovaj tip akceleratora ima vrlo složenu konstrukciju i predstavlja verovatno jedan od najsloženijih uređaja na našoj planeti. Jedan od najvećih problema koji otežava konstrukciju sinhrotrona je tzv. sinhrotronsko zračenje. Sve naelektrisane čestice koje se kreću ubrzano, po krivoj putanji, emituju elektromagnetno zračenje i gube energiju. Energija koja se emituje na ovaj način raste sa porastom brzine čestice i otežava ubrzavanje čestice. Za fiziku čestica ovo predstavlja nepremostiv problem koji je poslednjih godina naučnike naterao da opet razmišljaju o konstrukciji linearnih akceleratora ogromnih dimenzija. Sinhrotrono zračenje je veliki problem za fiziku čestica ali istovremeno ono je vrlo moćan alat u nekim drugim oblastima nauke kao što su medicina, biologija, fizika materijala itd. U ovim oblastima nauke teži se ka dobijanju što intenzivnijeg sinhrotronskog zračenja, a pomoću takvog “mikroskopa” moguće je posmatrati i analizirati čak i pojedinačne molekule. Iz ovog razloga mnogi stari sinhrotroni, koji su postali slabi za istraživanja elementarnih čestica, modifikovani su da emituju još više sinhrotronskog zračenja i sada se koriste za istraživanja u drugim oblastima.

Posebna vrsta sinhrotrona su takozvani sudarači čestica (ili kolajderi). Kolajderi su akceleratori u kojima se dve vrste čestica istovremeno ubrzavaju i međusobno sudaraju. Na ovaj način ostvaruju se mnogo intenzivniji sudari nego oni kada je meta nepokretna. Verovatno najpoznatiji, i najjači, kolajder nalazi se u Ženevi u CERN-u, a drugi poznati su Fermilab u USA, DESY u Nemačkoj, itd. U Astronomiji br. 10 mogli ste više da čitate upravo o kolajderima koji se nalaze u Hamburgu.

U poslednjih nekoliko godina akceleratori su postali vrlo moćne mašine. Uspeli su da preseku atom na sitnije delove nego što je iko mogao i da zamisli pre nekoliko decenija. A istraživanja nastavljaju da idu dalje. Sledeće godine treba da počne sa radom najbolji akcelerator koji je ikada sagrađen. To je LHC u Ženevi. Eksperimenti koji su izvršeni na akceleratorima omogućili su nastanak i potvrdu tzv. standardnog modela elementranih čestica. Standardni model opisuje upravo ono za čime su ljudi godinama tragali, opsuje najjednostavnije gradivne jedinice od kojih je izgrađen svet oko nas. Ali, logično je zapitati se da li je to stvarno kraj. To još uvek niko ne zna, fizika čestica nastavlja da se razvija, postoji još mnogo pitanja za koja su odgovori još uvek sakriveni, a dalja istraživanja dovešće sigurno i do novih pitanja i novih problema. Ali, sve to je neka druga priča, o standardnom modelu i onome što dolazi posle toga nekom drugom prilikom.