Acceleratoarele de particule au devenit cunoscute publicului larg mai ales datorită lui Large Hadron Collider (LHC), cel mai mare accelerator de particule la ora actuală, care le-a permis oamenilor de ştiinţă să descopere bosonul Higgs.

Chiar dacă LHC este cel mai cunoscut, în lume există peste 30.000 de acceleratoare de particule în funcţiune, care sunt utilizate pentru o gamă largă de aplicaţii.

Unele dintre aceste instalaţii complexe, cum ar fi LHC, accelerează particulele de materie până aproape de viteza luminii pentru a le ciocni și a sonda blocurile fundamentale de construcţie ale Universului. Altele sunt folosite pentru a sigila cutiile de lapte și pungile cu chipsuri de cartofi.

Brookhaven National Laboratory din New York găzduieşte unul dintre cele mai avansate acceleratoare de particule din lume: National Synchrotron Light Source II (NSLS II).

Brookhaven National Laboratory

Brookhaven National Laboratory

NSLS II le va permite oamenilor de ştiinţă să desfăşoare activităţi de cercetare privind identificarea unor tratamente mai eficiente împotriva bolilor, pentru construcţia unor cipuri performante de calculator, pentru a studia moleculele din corpul uman sau pentru dezvoltarea unor materiale mai bune.

Atunci când electronii sunt acceleraţi până la o viteză apropiată de cea a luminii, în timp ce se deplasează în interiorul unui accelerator circular (sincrotron), ei pierd energie sub formă de radiații, cum ar fi radiația X.

Radiaţia X produsă la NSLS II este extrem de intensă, de miliarde de ori mai intensă decât cea din aparatul cu raze X de la cabinetul medicului dentist.

Oamenii de știință pot sonda materia la scara atomică prin focalizarea acestor radiaţii de intensitate mare pe o suprafaţă foarte mică. Este ca şi cum ar utiliza un microscop extrem de puternic pentru a cerceta structura materiei.

Iată în continuare cum sunt accelerate particulele până la o viteză de 99,99% din viteza luminii în cadrul NSLS II.

Un tun de electroni generează mai întâi fasciculele de electroni care ajung într-un accelerator liniar (LINAC).

Tunul de electroni generează fascicule de electroni care ajung în acceleratorul liniarCredit: Ali Sundermier

În LINAC electronii sunt acceleraţi cu ajutorul unor electromagneți și a unor câmpuri de radiofrecvență şi ei se deplasează în vid pentru a nu se ciocni de alte particule care i-ar putea încetini.

În acceleratorul liniar electronii se deplasează prin vidCredit: Ali Sundermier

În continuare, electronii intră într-un inel special (booster ring) unde sunt acceleraţi până la o viteză de aproximativ 99,9% din viteza luminii cu ajutorul unor magneți şi a unor câmpuri de radiofrecvență, înainte de a fi injectaţi într-un inel circular denumit inel de acumulare (storage ring).

Electronii sunt injectați într-un inel de acumulareCredit: Ali Sundermier

În inelul de acumulare deplasarea electronilor este controlată cu ajutorul unor magneți marcaţi în culori diferite.

Magneții de culoare albastră curbează traiectoria electronilor, magneții de culoare galbenă focalizează şi defocalizeaza fasciculul de electroni, iar magneții roșii și portocalii deviază electronii mai îndepărtaţi forţându-i să se deplaseze pe o traiectorie mai apropiată de cea a fasciculului de bază.

Magneții mai mici sunt cei care corectează traiectoria electronilor, menţinând fasciculul în linie.

Magneții ce controlează deplasarea electronilorCredit: Ali Sundermier

Pentru creșterea intensităţii radiației X şi pentru obţinerea unui fascicul sincrotron colimat, în inelul de acumulare se introduc dispozitive magnetice adiționale (insertion devices), denumite „undulators” sau „wigglers”, care imprimă o oscilație adițională electronilor în timp ce aceştia se deplasează prin aceste dispozitive.

Un dispozitiv wiggler în inelul de acumulareCredit: Ali Sundermier

Pe măsură ce electronii se deplasează în inelul de acumulare, viteza acestora se micșorează şi ei pierd din energie.

Energia pierdută de electroni poate fi convertită în diferite forme de radiație electromagnetică, cum ar fi razele X, ce se deplasează în linie dreptă, tangent la inelul de acumulare.

Ulterior, razele X lovesc eșantioanele de material care fac obiectul experimentului.

Razele X lovesc eșantionul de material care face obiectul experimentuluiCredit: Ali Sundermier

Aceasta este spectroscopia cu raze X cu ajutorul căreia oamenii de știință analizează compoziția chimică a materialelor prin excitarea electronilor din atom.

Spectroscopia cu raze XCredit: Ali Sundermier

Circumferința acceleratorului NSLS-II este atât de mare încât mulți oameni care lucrează acolo se deplasează în incinta acceleratorului cu ajutorul tricicletelor.

Circumferința acceleratorului NSLS II este atât de mare încât oamenii se deplasează cu tricicleteCredit: Ali Sundermier

Acceleratorul NSLS II este încă în faza de dezvoltare, dar atunci când va fi finalizat el va fi capabil să susţină un număr de 70 de fascicule experimentale.

În încheiere, iată schema de principiu a unui accelerator sincrotron:

Acceleratorul sincrotron de particule

Generarea radiației X într-un accelerator sincrotron începe cu electronii (A) care sunt acceleraţi sub o diferență de potențial foarte mare înainte de a fi injectaţi într-un inel de acumulare (B), unde se deplasează în vid cu o viteză apropiată de viteza luminii. Câmpuri magnetice puternice (C) fac ca electronii să îşi modifice direcţia, ceea ce provoacă emisia de raze X care sunt direcţionate spre staţiile experimentale (D) care înconjoară inelul de acumulare.

Credit imagine: Wikimedia Commons

Sursă: Science Alert