Akceleratory

Akceleratory - są to urządzenia służące do przyspieszenia cząsteczek naładowanych, czyli do nadawania im energii od kilkudziesięciu keV do kilkuset GeV. Akceleratory dzielimy na akceleratory elektronów, jonów, protonów, deutronów, cząsteczek delta oraz jonów atomu innych pierwiastków do uranu włącznie.

Ze względu na sposób przyśpieszenia cząsteczek, a wiec i budowę, akceleratory dzielimy na liniowe i kołowe. Przeprowadzono wiele prób z zastosowaniem różnej geometrii w konstrukcji akceleratorów. Pierścień zapewnia stopniowe przyspieszanie i cząsteczki mogą krążyć wewnątrz niego wiele milionów razy, zanim wystąpi oddziaływanie. Niestety naładowane cząsteczki tracą energie na skutek promieniowania powstałego podczas ruchu po krzywej. Maksymalnie zredukowanie tego niepożądanego efektu wymaga zbudowania wiraży o wielkim promieniu luku, sięgającym 5-ciu, a nawet 15km. Poruszanie się po linii prostej usuwa te niedogodność. Pociąga jednak konieczność stosowania bardzo wydajnych sposobów przyspieszania, bowiem cząsteczka przebiega przez urządzenie tylko jeden raz.

W akceleratorach liniowych przyspieszane cząsteczki poruszają się po liniach prostych, przechodząc przez każdy punkt toru jednokrotnie. Przyspieszanie zachodzi w stałym polu elektrostatycznym lub też, przy czym wielokrotnie przechodzą przez pole magnetyczne, działające prostopadle do płaszczyzn ich toru, przy czym wielokrotnie przechodzą przez przyspieszające pole elektryczne, wytwarzane w rezonatorze wielkiej częstotliwości, uzyskując w ten sposób za każdym razem nową porcje energii. Wyjątek stanowi betatron, w którym proces przyspieszania elektronów nie odbywa się "na raty", lecz w sposób ciągły, a zjawisko indukcji pola elektromagnetycznego jest wykorzystywane zarówno do zakrzywiania toru cząsteczek, jak i do ich przyspieszania za pomocą wirowego pola elektrycznego. Obecnie technika akceleracji pozwala na magazynowanie przez wiele godzin cząsteczek przyspieszonych do wysokich energii w pierścieniowych komorach próżniowych, stanowiących tzw. pierścienie przeciwswobne lub pierścienie akumulacyjne. Zderzanie cząsteczek z dwóch przeciwbieżnych wiązek pozwalają uzyskać pełną energie cząsteczek w układzie ośrodka masy.

Największym na świecie akceleratorem będzie budowany obecnie akcelerator LHC. Poniżej przedstawiam krótki jego opis.

LHC (Large Hadron Collider -Wielki Zderzacz Hadronów) jest akceleratorem cząsteczek budowanym przez CERN (European Organization for Nuclear Research) - największe na świecie fizyczne laboratorium. Kiedy w 2007 roku budowa zostanie zakończona, LHC będzie najpotężniejszym instrumentem kiedykolwiek zbudowanym w celu zbadania właściwości cząstek. LHC montowany jest w tunelu, w którym przedtem był LEP (przeciwbieżny akcelerator wiązek elektronów i pozytonów) należącym do CERNu. Usytuowany będzie w 27km tunelu, na głębokości 100 metrów. Będzie przyśpieszać dwie oddzielne wiązki protonów do energii 7 TeV, i sprowadzi je na kurs "kolizyjny". W wyniku zderzenia, energia protonów wzroście dwukrotnie. LHC jednak nie będzie ograniczony do poznawania zderzeń pomiędzy dwoma wiązkami protonów, będzie mógł również przeprowadzić zderzenia ciężkich jonów np. ołowiu, które dadzą energię 1148TeV.

Przed dostarczeniem do LHC, strumień protonów będzie przygotowany w istniejącym już, należącym do CERN, "kompleksie akceleratorów" . Jest to szereg urządzeń, które dostarczą strumieniowi dodatkową porcję energii.

By zakrzywić trajektorię wiązki posiadającej energię 7eV, LHC posiada dipole zdolne do wytworzenia pola magnetycznego o wartości 8.36 Tesli, wartość ta możliwa jest dzięki nadprzewodnictwu. Jest to zdolność kilku materiałów, zwykle w bardzo niskich temperaturach, by przewodzić prąd elektryczny bez oporu ani strat mocy, przy jednoczesnym wytwarzaniu silnego pola magnetycznego. LHC będzie działać w temperaturze o 300o C mniejszej od pokojowej (zimniej niż w Kosmosie), by umożliwić użycie najbardziej zaawansowanych nadprzewodzących magnesów oraz technologii wcześniej nie użytej w akceleratorach. 1,296 nadprzewodzących dipoli i więcej niż 2,500 magnesów poprowadzi oraz zderzy w LHC strumienie cząstek.

W konstrukcji znajdą się różne typy magnesów - od zwyczajnych, dwubiegowych magnesów, aż po duże, nadprzewodzące, ogniskowe, czterobiegunowe magnesy. LHC będzie największą nadprzewodnikową instalacją na świecie.

Praca LHC
LHC ma za zadanie przyśpieszenia jednocześnie dwóch strumieni w tym samym czasie. Można by stwierdzić że są to dwa urządzenia w jednym. LHC będzie składać się z dwóch "nadprzewodzących magnetycznych tuneli" usytuowanych w tym samym miejscu w jednej "obejmie" - co pozwoli zaoszczędzi ponad 25% w porównaniu z oddzielnymi okręgami. Gdy zostanie osiągnięta energia rzędu 7TeV, strumienie będą obracać się w przeciwnych kierunkach przez parę godzin. Przez ten czas zrobią setki milionów okrążeń dookoła okręgu.
Podczas każdego okrążenia, strumienie będą się zderzały w ściśle określonych miejscach, tam gdzie znajdują się detektory. Po 10 godzinach, strumień zostanie aż tak zredukowany, że będzie musiał opuścić LHC w celu uzupełnienia cząstek.

Wyzwania techniczne
Ważne parametry
Energia jako powstaje w LHC przy zderzeniu wiązek protonów wynosić będzie 14 TeV, jest to koło 10 razy więcej niż "możliwości" dawnych i obecnych akceleratorów. Jednak sama energia nie jest ważna. By zapewnić "wysoką jakość eksperymentów" tj. spełnienie oczekiwań fizyków, ważny jest również inny czynnik: "Luminacja"
Czynnik ten jest wielkością proporcjonalną do ilość zderzeń na sekundę. Przeszłe i obecne akceleratory osiągają luminację około L=1032 cm -2s-1. LHC osiągnie wartość tą na poziomie L = 1034cm-2 s-1 Osiągnięte to zostanie dzięki wypełnieniu dwóch okręgów 2835 gałęziami z 1011 cząsteczki każda. To właśnie niespotykana dotąd wartość energii i luminacji wymaga nowego i dokładnego wykonania maszyny i jej eksploatowania.

Niektóre niepożądane czynniki:
W ciągu 4 milionów okrążeń, jakie wykonuje strumień cząsteczek wokół okręgu, występuje kilka czynników, które osłabiają strumień i luminację.

Efekt strumień-strumień
Gdy dwie gałęzie krzyżują się w środku detektora , tylko kilka cząsteczek zderza się czołowo stwarzając pożądane zjawisko. Pozostałe zbaczają z kursu przez oddziaływanie silnego pola elektromagnetycznego sąsiedniej wiązki. Zbaczania z kursu, które są silniejsze dla gęstszych wiązek, narastają za każdym okrążeniem co może doprowadzić do ewentualnego utracenia cząstki. Efekt ten, strumień-strumień, był badany w poprzednich akceleratorach, co doprowadziło do określenia limitu gęstości wiązki, dla którego efekt s-s nie skraca radykalnie długości życia strumienia. By zachować pożądaną luminacje, LHC musi trzymać się jak najbliżej tego limitu.

Wspólna niestabilność
Podczas podróży strumienia w 27km okręgu LHC przy szybkość bliskiej szybkość światła , każda z 2838 wiązek protonów powoduje zachwianie pola elektromagnetycznego za sobą, co zakłóca ruch wiązek znajdujących się w jej sąsiedztwie, co może doprowadzić do utracenia strumienia. Niestabilność ta może przydarzyć się w LHC, z powodu dużych rozmiarów strumienia, potrzebnego do uzyskana pożądanej wartości luminacji. Efekt ten może być zminimalizowany przez szczegółową kontrolę pola elektromagnetycznego otaczającego strumień , oraz przez zawansowany system pomocy kontroli.

Ocieplenie
Pomimo wszelkich starań , strumień nie będzie trwać wiecznie, frakcje cząsteczek oderwą się od strumienia i zderzą się z otoczką w której porusza się strumień. W takich zderzeniach, energia zawarta w cząstkach zamienia się w ciepło, co może wytrącić magnez jego zimnego, nadprzewodnikowe ostaniu. Wzrost temperatury któregokolwiek z 5,000 nadprzewodnikowych magnesów naruszy pracę LHC na kilkanaście godzin. By ustrzec się tego, specjalne urządzenie będzie wyłapywał niestabilne cząsteczki przed ich zderzeniem z ścianą, by zderzyły się z dala od któregoś z nadprzewodnikowych elementów miejscach specjalnie wzmocnionych do tego celu. By stworzyć wydajny system kontroli, inżynierowie bezpieczeństwa używają niezwykle zaawansowanych programów komputerowych do przeprowadzenia analiz mechaniczno-magnetyczno-temicznych analiz zmęczeń materiału spowodowanego uderzeniami cząstek.

Chaotyczny Ruch
Część pola magnetycznego służącego do kierowania i skupiania strumienia może czasami wprawić strumień w ruch chaotyczny, co po paru zmianach kursu może spowodować utratę strumienia. W LHC, największe zakłócenia powstają miejscach gdzie dostarcza się energię strumieniowi, gdyż strumień zajmuje więcej miejsca w cewce połączenia z polem elektrycznym. Jednym ze sposobów na uniknięcie takiej sytuacji jest długoterminowa symulacja ruchu cząsteczek w strumieniu. Rezultaty tych symulacji określają granicę jakości wykonania magnesów.

Przygotowywane są cztery duże programy badawcze wykorzystujące LHC o nazwach ATLAS, CMS,ALICE i LHCb. ATLAS i CMS mają głównie służyć do poszukiwania hipotetycznych cząstek Higgsa, których istnienie przewiduje obecnie obowiązujący Model Standardowy. Detektor ALICE będzie służył do badania zderzeń ciężkich jonów, przede wszystkim do badać właściwości plazmy kwarokowo-gluonowej. Detektor LHCb przeznaczony jest do badań kwarków b.