De cyclotron en deeltjesfysica

De cyclotron en deeltjesfysica

De geschiedenis van de deeltjesfysica is een verhaal over het zoeken naar steeds kleinere stukjes materie. Terwijl wetenschappers zich verdiepen in de samenstelling van het atoom, moesten ze een manier vinden om het uit elkaar te splitsen om de bouwstenen te zien. Dit worden de "elementaire deeltjes" genoemd. Het kostte veel energie om ze uit elkaar te splitsen. Het betekende ook dat wetenschappers met nieuwe technologieën moesten komen om dit werk te doen.

Daarvoor bedachten ze het cyclotron, een type deeltjesversneller die een constant magnetisch veld gebruikt om geladen deeltjes vast te houden terwijl ze zich sneller en sneller verplaatsen in een cirkelvormig spiraalvormig patroon. Uiteindelijk raken ze een doelwit, wat resulteert in secundaire deeltjes voor natuurkundigen om te bestuderen. Cyclotrons worden al decennia lang gebruikt in energetische fysica-experimenten en zijn ook nuttig bij medische behandelingen voor kanker en andere aandoeningen.

De geschiedenis van de Cyclotron

De eerste cyclotron werd in 1932 gebouwd aan de Universiteit van Californië, Berkeley, door Ernest Lawrence in samenwerking met zijn student M. Stanley Livingston. Ze plaatsten grote elektromagneten in een cirkel en bedachten vervolgens een manier om de deeltjes door de cyclotron te schieten om ze te versnellen. Dit werk verdiende Lawrence de 1939 Nobelprijs voor de natuurkunde. Voordien was de belangrijkste deeltjesversneller in gebruik een lineaire deeltjesversneller,Iinac in het kort. De eerste linac werd gebouwd in 1928 aan de Universiteit van Aken in Duitsland. Linacs worden nog steeds gebruikt, vooral in de geneeskunde en als onderdeel van grotere en complexere versnellers.

Sinds Lawrence's werk aan het cyclotron zijn deze testeenheden over de hele wereld gebouwd. De Universiteit van Californië in Berkeley heeft er een aantal gebouwd voor het Radiation Laboratory en de eerste Europese faciliteit is in het Radium Institute in Leningrad in Rusland opgericht. Een ander werd gebouwd tijdens de vroege jaren van de Tweede Wereldoorlog in Heidelberg.

De cyclotron was een grote verbetering ten opzichte van de linac. In tegenstelling tot het linac-ontwerp, dat een reeks magneten en magnetische velden vereiste om de geladen deeltjes in een rechte lijn te versnellen, was het voordeel van het cirkelvormige ontwerp dat de geladen deeltjesstroom door hetzelfde magnetische veld zou blijven stromen dat door de magneten werd gecreëerd steeds weer een beetje energie opdoen telkens het dit deed. Naarmate de deeltjes energie opdoen, zouden ze steeds grotere lussen rond het inwendige van de cyclotron maken en met elke lus meer energie blijven winnen. Uiteindelijk zou de lus zo groot zijn dat de straal van hoogenergetische elektronen door het raam zou gaan, op welk punt ze de bombardementskamer zouden binnengaan voor studie. In wezen botsten ze op een plaat en dat verspreidde deeltjes rond de kamer.

De cyclotron was de eerste van de cyclische deeltjesversnellers en het bood een veel efficiëntere manier om deeltjes te versnellen voor verder onderzoek.

Cyclotrons in de moderne tijd

Tegenwoordig worden cyclotrons nog steeds gebruikt voor bepaalde gebieden van medisch onderzoek, en variëren in grootte van grof tafelbladontwerpen tot gebouwgrootte en groter. Een ander type is de synchrotronversneller, ontworpen in de jaren 1950, en is krachtiger. De grootste cyclotrons zijn de TRIUMF 500 MeV Cyclotron, die nog steeds actief is aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver, British Columbia, Canada, en de Superconducting Ring Cyclotron in het laboratorium Riken in Japan. Het is 19 meter breed. Wetenschappers gebruiken ze om eigenschappen van deeltjes te bestuderen, van iets dat gecondenseerde materie wordt genoemd (waar deeltjes aan elkaar kleven.

Modernere deeltjesversnellerontwerpen, zoals die bij de Large Hadron Collider, kunnen dit energieniveau ver overtreffen. Deze zogenaamde "atoomvernietigers" zijn gebouwd om deeltjes te versnellen tot bijna de snelheid van het licht, terwijl fysici steeds kleinere stukjes materie zoeken. De zoektocht naar het Higgs Boson maakt deel uit van het werk van de LHC in Zwitserland. Andere versnellers bestaan ​​in het Brookhaven National Laboratory in New York, in Fermilab in Illinois, de KEKB in Japan en andere. Dit zijn zeer dure en complexe versies van de cyclotron, allemaal gewijd aan het begrijpen van de deeltjes waaruit de materie in het universum bestaat.