Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Czy Bogini stwarza to
wszystko . . .

Dlaczego aż tyle
energii?

Szczelina
Umasywniacz
Katedra Moneta, czyli
trzynaście sposobów
widzenia protonu

Nowa materia:
kilka przepisów

Cząstki z próżni
Wyścig
Wpływowa osobistość
z Kalifornii

Wielka nauka i genius
loci Kalifornii

Synchrotron: tyle
okrążeń, ile chcesz

Ike i piony
Damy Beppa
Pierwsza wiązka
zewnętrzna:
przyjmujemy zakłady

Dygresja w stronę
nauk społecznych:
pochodzenie wielkiej
nauki

Z powrotem do
maszyn: trzy przełomy
technologiczne

Czy większe jest
lepsze?

Czwarty przełom:
nadprzewodnictwo

Kowboj dyrektorem
laboratorium

Dzień z życia protonu
Decyzje, decyzje:
protony czy elektrony

Zderzenie czołowe
czy tarcza?

Wytwarzając
antymaterię

Zaglądanie do czarnej
skrzynki: detektory

Kłopoty
z pęcherzykami

Czego się
dowiedzieliśmy:
akceleratory i postęp
w fizyce

Trzy finały:
wehikuł czasu, katedry
i akcelerator na orbicie

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Synchrotron: tyle okrążeń, ile chcesz
 
Synchrotron: tyle okrążeń, ile chcesz
 
D
ążenie do otrzymywania coraz wyższych energii nasiliło się i  ogarnęło cały świat. Badając nowy zakres energii, zawsze dokonywano nieoczekiwanych odkryć. Jednocześnie pojawiały się też nowe zagadki, co wzmacniało chęć osiągania jeszcze wyższych energii. Bogactwo przyrody zdawało się czekać ukryte w  jądrowym i  subjądrowym świecie.
       Możliwości cyklotronu są z  definicji ograniczone. Ponieważ cząstki poruszają się po spirali ku zewnętrznej krawędzi, liczba okrążeń jest w  sposób oczywisty określona przez rozmiary urządzenia. By umożliwić protonom wykonanie większej liczby okrążeń i  uzyskanie większej energii, potrzebny jest większy cyklotron. Pole magnetyczne musi obejmować cały obszar, który zajmuje spirala, więc magnesy powinny być bardzo duże i  bardzo... kosztowne. Na scenę wkracza synchrotron. Jeśli cząstka będzie się poruszać nie po spiralnej, lecz po kołowej orbicie o  ustalonym promieniu, to wystarczyłby tylko wąski magnes rozciągający się wzdłuż tej orbity. W  miarę jak cząstki nabierają energii, pole magnetyczne mogłoby być zwiększane synchronicznie, tak aby krążyły one po orbicie o  stałym promieniu. Sprytnie! W  ten sposób można zaoszczędzić całe tony żelaza, ponieważ rozmiary magnesów ustawionych poprzecznie do toru ścieżki można teraz zredukować do kilku centymetrów zamiast dotychczasowych metrów.
       Zanim zacznę omawiać osiągnięcia będące udziałem ostatniego dziesięciolecia, muszę wspomnieć o  dwóch istotnych faktach. W cyklotronie naładowane cząstki – protony lub deuterony – odbywają tysiące okrążeń w  komorze próżniowej umieszczonej między dwoma biegunami magnesu. Aby powstrzymać cząstki przed uciekaniem na boki i  zderzeniami ze ścianą komory, absolutnie nieodzowne było opracowanie niezawodnej metody ich ogniskowania. Podobnie jak soczewka skupia światło latarki, tworząc z  niego niemal równoległą wiązkę, tak tu wykorzystuje się siłę magnetyczną, by uformować cząstki w  bardzo wąski strumień.
       W  cyklotronie ogniskowanie odbywa się dzięki zmianom natężenia pola magnetycznego, gdy proton odchyla się w  kierunku zewnętrznej krawędzi magnesu. Robert R. Wilson, młody student Lawrence'a, późniejszy budowniczy Fermilabu, jako pierwszy zrozumiał istotną, acz subtelną rolę, którą odgrywają siły magnetyczne w  zapobieganiu ucieczce protonów. W  pierwszych synchrotronach biegunom nadawano specjalnie taki kształt, by zapewnić działanie tych sił. Później do skupiania cząstek zaczęto stosować magnesy kwadrupolowe (z  dwoma biegunami północnymi i  dwoma południowymi), podczas gdy osobny, dipolowy magnes utrzymywał je na orbicie. Tewatron w  Fermilabie – uruchomiona w  1983 roku maszyna wytwarzająca energię sięgającą bilionów eV – stanowi dobry przykład takiego rozwiązania. Cząstki są utrzymywane na kołowej orbicie za pomocą nadprzewodzących magnesów o  wielkiej mocy w  podobny sposób, w  jaki tory prowadzą pociąg po łuku zakrętu. Komora, w  której wędrują protony i  w  której panuje próżnia wysokiej jakości, została wykonana ze stalowej (niemagnetycznej) rury o  owalnym przekroju. Ma szerokość około 7 cm i  wysokość 5 cm. Tkwi w  środku między dwoma biegunami magnesu. Każdy z  dipoli magnesu sterującego ma około 7 metrów długości, a  każdy z  kwadrupoli – około 1,2 metra. Potrzeba ponad stu magnesów, aby pokryć całą długość komory. Wszystko to – komora wraz z  magnesami – opisuje okrąg o  promieniu kilometra. Urządzenie to jest zatem nieco większe od pierwszego modelu Lawrence'a  o  promieniu 10 cm. Wyraźnie uwidacznia się tu przewaga synchrotronu. Na pokrycie synchrotronu potrzeba wprawdzie wielu magnesów, ale są one stosunkowo cienkie i  szerokie tylko na tyle, by przykryć komorę próżniową. Gdyby tewatron był cyklotronem, potrzebowalibyśmy magnesu z  biegunami o  średnicy 2 kilometrów, który objąłby swym wpływem urządzenie o  obwodzie 6 kilometrów!
       Cząstki wykonują 50 tysięcy okrążeń na minutę. W  ciągu dziesięciu sekund przemierzają 3,2 miliona kilometrów. Za każdym razem, gdy mijają szczelinę – a  właściwie ciąg specjalnie skonstruowanych wnęk – zmieniające się z  częstością radiową napięcie podwyższa ich energię o  1 MeV. Magnesy, które utrzymują protony na kursie podczas całej podróży, dopuszczają, by odchylenie od wyznaczonego toru sięgało co najwyżej trzech milimetrów. Nie jest to może idealna dokładność, ale całkowicie wystarcza. To tak, jakby celując ze strzelby w  komara siedzącego na Księżycu trafić w  niewłaściwe oko. Aby utrzymać protony na stałej orbicie podczas procesu przyspieszania, wzrost siły magnesów należy precyzyjnie zsynchronizować ze wzrostem energii protonów.
       Drugi ważny szczegół związany jest z  teorią względności: protony robią się wyraźnie cięższe, gdy ich energia przekracza 20 MeV. Ten wzrost masy zaburza rezonans cyklotronowy, odkryty przez Lawrence'a, polegający na tym, że poruszający się po spirali proton przebywa dłuższą drogę z  większą prędkością, tak że każdą połowę okrążenia w  cyklotronie pokonuje w  dokładnie takim samym czasie. Dzięki temu możliwa jest synchronizacja ruchu protonów z  napięciem na szczelinie, które zmienia się ze stałą prędkością. Przy wyższych energiach wydłuża się czas potrzebny na dokonanie okrążenia i  nie można już dłużej stosować napięcia o  stałej częstości radiowej. Aby zrównoważyć to spowolnienie, częstość zmian przykładanego napięcia musi się zmieniać, dlatego dalsze przyspieszanie coraz cięższych protonów wymaga użycia napięcia o  modulowanej częstości. Synchrocyklotron – cyklotron o  modulowanej częstości – był najwcześniejszym przykładem wpływu, jaki teoria względności wywiera na rozwiązania techniczne stosowane w  akceleratorach.
       W  synchrotronie problem ten został rozwiązany w  jeszcze elegantszy sposób. Rzecz jest trochę skomplikowana, ale w  zasadzie chodzi o  to, że prędkość ruchu cząstki (99 i  jakaś dowolna część procentu prędkości światła) pozostaje właściwie stała. Przypuśćmy, że cząstka przekracza szczelinę w  tym momencie cyklu, kiedy przyspieszające napięcie wynosi zero. Nie ma przyspieszenia. Zwiększamy nieco natężenie pola magnetycznego: cząstka zatacza trochę ciaśniejszy krąg i  pojawia się w  szczelinie odrobinę wcześniej, kiedy pole zmieniające się z  częstością radiową jest w  fazie przyspieszającej. Wzrasta masa cząstki, zwiększa się promień orbity i  znowu jesteśmy w  sytuacji wyjściowej, ale dysponujemy już wyższą energią: mamy do czynienia z  samoregulującym się układem. Jeśli cząstka zyskuje zbyt wiele energii (masy), zwiększy się promień jej orbity i  następnym razem pojawi się w  szczelinie ciut później, czyli spotka tam spowolniające napięcie, które skoryguje błąd. Zwiększanie natężenia pola magnetycznego przynosi w  efekcie zwiększanie masy/energii naszej cząstki. Metoda ta opiera się na tak zwanej stabilności fazowej, którą omówię w  następnym rozdziale.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach