Yüksek enerji fiziği araştırması nedir? Çarpıştırıcı nedir?
Yirminci yüzyıldan önce, insanoğlunun dünya yasalarını kavrayışı neredeyse tamamen makroskopik nesneler ve fenomenlere odaklanmıştı. Bununla birlikte, on dokuzuncu yüzyılın son birkaç yılında, X-ışınlarının Roentgen tarafından keşfedilmesinden, J.J. Thomson tarafından elektronların keşfinden ve Rutherford tarafından -ışınlarının ve-ışınlarının keşfinden sonra fizikçiler mikroskobik dünyadaki fiziksel olaylara odaklanmaya başladılar. Özellikle 1920'lerde kuantum mekaniğinin kurulmasından sonra fizikçiler yavaş yavaş şunu fark etti: Mikro ölçekte, makro ölçekte çok farklı bir dünya var. Bu dünyanın ölçeği o kadar küçük ki, fizik camiası fenomeni gözlemlemek için bazı özel deneysel araçlar kullanmak zorunda.
Erken parçacık fiziği araştırma araçlarının işlevi genellikle fenomeni mikro ölçekte makro ölçekte büyütmek ve ardından gözlemlemektir. Bu dönemde önemli bir deneysel araç, Wilson tarafından icat edilen bulut odasıydı. Bulut odası, aşırı doymuş buharla dolu kapalı bir alandır.Mikroskobik yüklü parçacıklar bulut bölmesinden geçerken, parçacıklar bulut bölmesindeki karışımla etkileşime girecek, bazı atomları iyonlaştıracak ve iyonize iyonlar bulut odası haline gelecektir. Çıplak gözle görülebilen mikroskobik yüklü parçacıkların yörüngesi etrafında sis oluşturan aşırı doymuş buharın yoğunlaşma çekirdekleri. Erken parçacık fiziğinin araştırma hedefleri genellikle doğal radyoaktif kaynaklar ve kozmik ışınlardır. Anderson 1932'de ilk kez bulut odasında kozmik ışınlardan pozitron keşfetti.
Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'nin (CERN) Microcosm sergi salonundaki bulut odası. Bulut odası aşırı doymuş buharla doludur ve birkaç mikroskobik parçacık hareket izi belirir. Bu mikroskobik parçacıklar, topraktan, kayalardan, sudan, havadan vb. Doğal radyasyondan ve evrendeki kozmik ışınlardan gelir. Bu izlerin kalınlığı, farklı mikroskobik parçacıkları ayırt etmek için kullanılabilir. Çekim: Yazar
Anderson tarafından gözlemlenen bulut odasındaki pozitron yörüngesinin fotoğrafı. Pozitronlar aşağıdan yukarıya doğru hareket eder ve manyetik bir alanda ince bir kurşun tabakasından geçtikten sonra yörüngenin eğriliğini değiştirirler. Yörüngenin bükülme yönü, pozitronun yükünün normal elektronunkinin tersi olduğunu gösterir. Resim kaynağı: Fiziksel İnceleme 43 (6): 491494
Doğal radyoaktif kaynaklar ve kozmik ışınlar üzerine yapılan araştırmalar uygulanabilir olmasına ve pek çok önemli sonuç elde edilmesine rağmen, genel olarak konuşursak, bu tür araştırmaların hedefleri pek kontrol edilebilir değildi Parçacık fizikçileri mükemmel bir kozmik ışın olayını beklediler. Genellikle biraz şans ister, bu da temelde "yemek için gökyüzüne güvenmek" e aittir. 1930'larda, Gözlem nesnesini daha iyi kontrol etmek için, daha güçlü bir parçacık fiziği araştırma aracı icat edildi, Lawrence tarafından icat edilen siklotron parçacık hızlandırıcıdır. . Siklotronun temel yapısı, manyetik bir alanda iki yarı dairesel D-kutusu ve D-kutuları arasında değişen bir elektrik alanıdır.Yarım parçacıkları saptırabilen bir manyetik alan, iki yarı dairesel D-kutusuna uygulanır. Siklotronun ortasına bir partikül kaynağı yerleştirilir, onun yaydığı yüklü partiküller elektrik alan tarafından hızlandırılır Yarım daire şeklindeki D-box'ın manyetik alanına girerken manyetik alan tarafından ters yönde saptırılır ve tekrar D-kutusuna girer. Arasındaki AC elektrik alanı. Zaman doğru ayarlanırsa, AC elektrik alanının yönü bu anda tersine çevrilebilir ve yüklü parçacıklar tekrar hızlandırılır. Bu şekilde birçok kez ileri geri, yüklü parçacıklar daha yüksek bir enerjiye hızlanacaktır.
Lawrence ilk siklotron parçacık hızlandırıcısını 1930'larda Berkeley'deki California Üniversitesi'nde yaptı. Resim kaynağı: Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı
Lawrence tarafından icat edilen siklotron parçacık hızlandırıcının çalışma prensibi. Resim kaynağı: ABD Patenti 1,948,384, Ernest O. Lawrence - İyonların hızlandırılması için yöntem ve aparat (1934)
Siklotron parçacık hızlandırıcıları, insanların daha yüksek enerjili mikroskobik yüklü parçacıkları kontrollü bir şekilde elde etmelerini sağlar ve böylece bu parçacıkların özelliklerini daha doğru bir şekilde inceleyebilir. Ancak göreceli etki nedeniyle, yüksek enerjili parçacıkların siklotron periyodu, enerjinin artmasıyla değişecektir. sonra Bilim adamları ayrıca siklotron parçacık hızlandırıcısının tekdüze manyetik alanını ve elektrik alan değişiminin frekansını ayarladılar, böylece yüklü parçacıkların enerjisini en üst düzeye çıkarabilir. Kontrol edilebilir elektrik ve manyetik alanlara sahip bu tür parçacık hızlandırıcıya senkrotron denir. Elektrik ve manyetik alanların aynı anda değiştirilmesi, yüklü parçacıkların hızlanırken değişen bir yarıçap yaşamasına da gerek kalmaz, bu nedenle senkrotron bir halka haline getirilebilir.
Toroidal hızlandırıcının yapısı parçacıkları sürekli olarak hızlandırabilir ve parçacıklar dairesel yörüngede aynı noktayı tekrar tekrar geçerler. Ancak bu tür bir hızlandırıcının bir dezavantajı da vardır, yani çok yüksek enerji durumunda partiküllerin enerjisi senkrotron radyasyonu adı verilen bir şekilde yayılır ve bir limite ulaşır. Enerjiyi artırmaya devam etmek istiyorsanız, sadece manyetik alanı artırabilir ve halkanın çevresini artırabilirsiniz. Ancak parçacık fiziği için enerji israfı olan bu tür senkrotron radyasyonu faydasız değildir, yüksek enerjili, yüksek saflıkta, yüksek koşutlanmış elektromanyetik dalga şeklinde yayılır ve bu elektromanyetik dalga kırınım için kullanılabilir. Analiz, malzeme bilimi ve yapısal biyoloji araştırmalarında da yaygın olarak kullanılmaktadır.
CERN'nin senkrosiklotronu. 1957'de üretilen bu cihaz, parçacıkları 600 MeV enerjiye kadar hızlandırabilen CERN'in ilk hızlandırıcısıydı. Şimdi hizmet dışı bırakıldı, steampunk benzeri bir sergi salonuna yerleştirildi ve yarım yüzyıl öncesinden birçok araştırma enstrümanı ve nesnesinin yanı sıra CERN'in tarihini de gösteriyor. Çekim: Yazar
Yüklü parçacıkları hızlandırmanın bir başka yolu da doğrusal bir hızlandırıcı kullanmaktır.Doğrusal hızlandırıcıda senkrotron radyasyonu sorunu yoktur, ancak parçacıklar tekrar tekrar hızlandırılamaz.Aynı anda hızlandırılabilen parçacık sayısı genellikle bir toroidal hızlandırıcıdan çok daha azdır ve genellikle hızlandırıcının olması gerekir Bu uzun. Doğrusal hızlandırıcı terimi biraz alışılmadık görünse de, aslında parçacık fiziği araştırmalarından doğan bu tür bir alet uzun zaman önce insanların hayatına girmiştir. Birçok yaşlı insan, televizyonlarda ve bilgisayar monitörlerinde kullanılan katot ışın tüpleri olan doğrusal hızlandırıcılarla temas kurmuştur. Katot ışını tüpü ekranı, anot yüksek voltajının etkisi altında hızlandırılan ve ekrana yönlendirilen elektronları yaymak için bir katot elektron tabancası kullanır.Aynı zamanda elektron ışını hızla yukarı ve aşağı, sola ve sağa hareket eder ve saptırma manyetik alanının etkisi altında tüm ekranı tarar. Ekrandaki fosfor, görüntülerin gösterilmesi amacına ulaşmak için elektronların etkisi altında ışık yayar.
Bir renkli katot ışın tüpünün enine kesit görünümü: 1. Elektron tabancası 2. Elektron ışını 3. Odaklama bobini 4. Saptırma bobini 5. Anot teması 6. Elektron ışını maskesi renk alanını ayırır 7. Floresan ekranda sırasıyla kırmızı, yeşil ve mavi fosforlar bulunur Bölge kaplama 8. Renkli ekranın iç kısmının büyütülmüş görünümü. Resim kaynağı: Wikipedia-Cathode Ray Tube
Göreliliğin etkisinden dolayı, daha ince yapıları incelemek için daha yüksek enerji elde edilmelidir. Hızlandırıcı bir araştırma aracı olarak kullanıldığında, parçacık fizikçileri benzeri görülmemiş kontrol edilebilir yüksek enerji elde edebilirler. Bu nedenle, parçacık fiziğinin ana araştırma yöntemi, araştırma için yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıların kullanılması haline gelmiştir. Bu nedenle, parçacık fiziği artık yüksek enerji fiziği olarak da adlandırılıyor.
