Nekaj malega o pospeševalnikih

2. marec 2017
prof. dr. Peter Križan

Pospeševalniki so bistveni pri iskanju odgovorov na vprašanja, kaj so osnovni delci in kakšne so sile med njimi, pa tudi kako se je razvijalo zgodnje vesolje. V pospeševalniku pospešimo delce do visokih energij, nato pa jih pustimo, da se zaletijo eni v druge.

Pri takem trku se sprosti večina njihove energije, del tako dobljene energije pa se lahko pretvori v maso zelo težkih delcev, takih, ki jih običajno v naravi ne najdemo. Ti delci niso obstojni in zato zelo hitro razpadajo, pri tem pa nastane množica lažjih, obstojnih delcev. Te nato prestrežemo z zapletenim sistemom detektorjev, kot je to na primer naš spektrometer Belle II.

Pospeševalniški kompleks SuperKEKB, zaporedje linearnega pospeševalnika, pozitronskega zbiralnika, glavnega obroča in detektorja Belle II ob točki, kjer trkajo elektroni in pozitroni.

V pospeševalniku SuperKEKB v institutu KEK v Tsukubi trkamo elektrone in pozitrone. Elektrone, ki so del atomov, dobimo tako, da na primerno snov posvetimo z močnim svetlobnim izvorom, recimo laserjem. Paketi (kvanti) svetlobe – fotoni – izbijajo elektrone, ki jih nato v električnem polju pospešimo.

Pot do pozitronov, ki so anti-delci elektronov, je bolj zapletena. Pozitronov v naravi ni, potrebno jih je torej ustvariti. Zato uporabimo pospešene elektrone, ki jih pustimo, da trčijo v tarčo iz volframa. Pri tem nastanejo med drugim tudi pozitroni. Te potem pospešimo, podobno kot elektrone, in jih s pomočjo električnih in magnetih polj vodimo v eno izmed dveh 3km dolgih cevi krožnega dela pospeševalnika (na zgornji sliki je označena z rdečo barvo). Elektroni krožijo v nasprotni smeri po podobni cevi, ta je označena z modro barvo.

Še nekaj zanimivosti pri pospeševalniku SuperKEKB: tunel je dolg 3016 m, nahaja se v globini 11m (štiri nadstropja) pod zemljo. V tunelu krožijo elektroni in pozitroni po dveh vakuumskih ceveh, v katerih je tako dober vakuum kot v medzvezdnem prostoru. Elektroni in pozitroni so razporejeni v 2500 paketih, ki krožijo po obeh obročih v nasprotnih smereh, v vsakem paketu je 100 milijard elektronov oziroma pozitronov. Za pospeševanje v obroču skrbi 38 radiofrekvenčnih votlin (od tega 8 supraprevodnih). Za usmernje elektronov in pozitronov po obroču služi 2600 elektromagnetov, večina od njih je dipolnih magnetov za usmerjanje v ovinkih obroča in kvadrupolnih leč za zbiranje žarkov. Elektromagneta, ki fokusirata žarka v točko interakcije na sredini detektorja Belle II, sta sestavljena iz 50 supraprevodnih tuljav iz niobijevega titanata, ki jih hladimo na temperaturo 4 stopinje nad absolutno ničlo (torej na -269 stopinj Celzija). Ko bo pospeševalnik SuperKEKB deloval s polno zmogljivostjo, bo to po gostoti trkov najbolj zmogljiv pospeševalnik na svetu, skoraj stokrat bolj zmogljiv kot LHC v CERNu.

Največji pospeševalnik na svetu pa je nedvomno Veliki hadronski trkalnik (LHC) v CERNu v Ženevi, v katerem pospešeni protoni v nasprotnih smereh krožijo po 27km dolgem tunelu in trkajo eni v druge na štirih mestih, kjer so najmanj 60m globoko postavljeni štirje veliki detektorji, ATLAS, CMS, ALICE in LHCb.

Kljub temu, da si običajno pod pospeševalniki predstavljamo velike naprave, kjer potekajo poskusi v fiziki osnovnih delcev, je velika večina pospeševalnikov bistveno manjših. Uporabljajo se za različne namene, predvsem za raziskave in obdelavo materialov ter za radioterapijo, torej obsevanje tumorjev. Več na povezavi tukaj.

Eden od bistvenih elementov pospeševalnika je tudi kontrolni sistem, ki po eni strani na več mestih vzdolž obroča preverja lastnosti žarka nabitih delcev v vakuumski cevi, po drugi strani pa ga nadzoruje in vodi. Na tem področju igrata slovenski visokotehnološki firmi Cosylab in Instrumentation Technologies tudi v svetovnem merilu izredno vidno vlogo.

Blog je bil orignialno objavljen tukaj: http://www-f9.ijs.si/~krizan/blog/blog-seznam.htm

Peter Križan je doktor fizike, profesor na Fakuleti za matematiko in fiziko UL, raziskovalec na IJS, tehnični koordinator eksperimenta Belle II v Tsukubi na Japonskem, gostujoči profesor na Univerzi v Nagoji. Raziskovalno področje: fizika osnovnih delcev, predvsem fizika mezonov B in D, razvoj novih detektorjev za osnovne delce, razvoj novih metod za slikanje v medicini.

Zanima ga iskanje novih pojavov v naravi, ki jih nismo pričakovali. Trudi se postaviti najboljše detektorje in s fizikalne plati pomagati pri napredku v diagnostiki. Uživa v diskusijah z odličnimi sodelavci, predvsemi najožjimi v Ljubljani, pa tudi v živahnih razpravah na vseh ostalih postajah raziskovalnega dela, v Tsukubi, v Nagoji, v Ženevi. Rad predava in diskutira s študenti (in je nesrečen, če se zaradi zapletenega urnika ni uspel dobro pripraviti za predavanja…). Spije hektolitre zelenega čaja. Rad kolesari, smuča, hodi v hribe. Uživa ob dobri knjigi. Rad odlično je, rad tudi kaj dobrega skuha, a za oboje mu zmanjkuje časa. Od časa do časa greši, ko v miru pokadi premišljevalno pipo.