Urychlovač částic

Rozbalit box

Obsah boxu

Urychlovač částic je technické zařízení, které pomocí elektrických a magnetických polí dodává kinetickou energii nabitým částicím (jako jsou elektrony, protony nebo ionty) a urychluje je tak na velmi vysoké rychlosti, často blízké rychlosti světla. Tyto vysokoenergetické částice jsou následně použity buď ke srážkám s jinými částicemi (v tzv. urychlovačích s protiběžnými svazky neboli koliderech) nebo narážejí do pevného terče. Výsledky těchto srážek studují fyzikové pomocí částicových detektorů, aby prozkoumali základní strukturu hmoty a fundamentální síly ve vesmíru. Urychlovače mají také široké uplatnění v medicíně (např. v radioterapii pro léčbu nádorů), průmyslu a materiálovém výzkumu.

⏳ Historie

Historie urychlovačů sahá do počátku 20. století, kdy vědci jako Ernest Rutherford začali zkoumat strukturu atomu pomocí částic z radioaktivních rozpadů. Potřeba kontrolovatelných zdrojů vysokoenergetických částic vedla k vývoji prvních urychlovačů.

• 20. a 30. léta: V roce 1928 navrhl švédský technik Rolf Widerøe princip lineárního urychlovače. V roce 1931 pak John Cockcroft a Ernest Walton úspěšně "rozbili atom" pomocí svého elektrostatického urychlovače, za což později obdrželi Nobelovu cenu. Ve stejné době vyvinul Robert J. Van de Graaff svůj generátor, schopný vytvářet velmi vysoké napětí. Přelomovým vynálezem byl cyklotron, který v roce 1930 zkonstruoval Ernest O. Lawrence. Tento kompaktní kruhový urychlovač umožnil dosáhnout mnohem vyšších energií než lineární zařízení té doby.
• 40. a 50. léta: Během a po druhé světové válce došlo k rapidnímu vývoji. Objevil se princip synchrotronu, který navrhl Vladimir Veksler a nezávisle na něm Edwin McMillan. Synchrotron překonal energetická omezení cyklotronu a stal se dominantním typem velkých urychlovačů. V roce 1952 byl v Brookhavenské národní laboratoři spuštěn první protonový synchrotron Cosmotron.
• Současnost a budoucnost: Vrcholem moderních urychlovačů je Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu, spuštěný v roce 2008. Jedná se o největší a nejvýkonnější urychlovač na světě, umístěný v 27 kilometrů dlouhém tunelu na hranicích Francie a Švýcarska. V roce 2012 zde byl potvrzen objev Higgsova bosonu. V současnosti (2025) probíhají plány na jeho nástupce, projekt Future Circular Collider (FCC), který by mohl mít obvod až 100 km a dosahovat energií řádově vyšších než LHC. Jeho stavba by mohla začít ve 40. letech 21. století.

🛠️ Princip a konstrukce

Urychlovače fungují na principu interakce nabitých částic s elektromagnetickým polem.

• Elektrické pole: Slouží k samotnému urychlení. Nabitá částice umístěná v elektrickém poli je přitahována nebo odpuzována, což zvyšuje její rychlost a tím i kinetickou energii. V moderních urychlovačích se používají vysokofrekvenční rezonanční dutiny, kde se polarita pole rychle střídá, aby částice byly urychlovány v opakovaných pulsech.
• Magnetické pole: Slouží k vedení a fokusaci svazku částic. Podle Lorentzovy síly působí magnetické pole kolmo na směr pohybu částice, čímž ji neurychluje, ale zakřivuje její dráhu. To je klíčové pro kruhové urychlovače, kde silné supravodivé elektromagnety udržují částice na kruhové dráze.
• Vakuum: Celý proces se odehrává v trubici s extrémně vysokým vakuem, aby se urychlované částice nesrážely s molekulami vzduchu, což by je okamžitě zpomalilo a rozptýlilo.

💡 Typy urychlovačů

Urychlovače se dělí do dvou základních kategorií podle dráhy, po které se částice pohybují.

Lineární urychlovače (LINAC)

V lineárních urychlovačích (z anglického LINear ACcelerator) se částice pohybují po přímé dráze. Jsou tvořeny řadou trubicových elektrod, na které je přivedeno vysokofrekvenční napětí. Délka trubic a frekvence napětí jsou synchronizovány tak, aby částice byla v mezeře mezi elektrodami vždy urychlena.

• Výhody: Mohou urychlovat lehké částice (elektrony) na velmi vysoké energie bez velkých ztrát způsobených synchrotronovým zářením, které je problémem u kruhových urychlovačů.
• Nevýhody: Pro dosažení velmi vysokých energií vyžadují obrovskou délku (i několik kilometrů). Nejdelším na světě je 3,2 km dlouhý urychlovač ve SLAC v Kalifornii.
• Využití: Často se používají v radioterapii pro léčbu nádorů a jako "injektory" – první stupeň urychlení pro velké kruhové urychlovače.

Kruhové urychlovače

V kruhových urychlovačích jsou částice pomocí magnetů nuceny obíhat po uzavřené, typicky kruhové nebo oválné dráze. Při každém oběhu projdou urychlovacími dutinami, kde získají další energii.

• Cyklotron: První typ kruhového urychlovače. Částice se v něm pohybují po spirále s rostoucím poloměrem. Je omezen relativistickými efekty (růst hmotnosti částice s rychlostí). Dnes se používá hlavně pro výrobu radioizotopů pro medicínu (např. pro PET).
• Synchrotron: Nejběžnější typ velkého urychlovače. Dráha částic má konstantní poloměr a síla magnetického pole se synchronně zvyšuje s energií částic. To umožňuje dosáhnout extrémně vysokých energií. Příkladem je LHC.
• Betatron: Urychluje elektrony pomocí nestacionárního magnetického pole, funguje na principu transformátoru.

🔬 Využití a aplikace

Ačkoli jsou urychlovače spojovány především se základním výzkumem, jejich využití je mnohem širší.

• Základní výzkum: Urychlovače jsou klíčovým nástrojem částicové fyziky. Umožňují studovat vlastnosti elementárních částic, objevovat nové částice (jako Higgsův boson) a testovat Standardní model. Pomáhají také simulovat podmínky, které panovaly těsně po Velkém třesku.
• Medicína:
  • Radioterapie:** Lineární urychlovače produkují svazky fotonů nebo elektronů, které se používají k ozařování a ničení nádorových buněk.
  • Hadronová terapie:** Využívá svazky protonů nebo těžších iontů, které umožňují přesnější zacílení nádoru s menším poškozením okolní zdravé tkáně.
  • Výroba radioizotopů:** Cyklotrony se používají k výrobě krátkodobých radioaktivních izotopů pro diagnostické metody, jako je PET.
• Průmysl a materiálový výzkum:
  • Synchrotronové záření:** Elektrony urychlené v synchrotronech emitují extrémně intenzivní rentgenové záření. Toto záření se používá k analýze struktury materiálů na atomární úrovni, v biologii ke zkoumání proteinů a virů, v archeologii k analýze artefaktů a v mnoha dalších oborech.
  • Implantace iontů:** Urychlené ionty se "vstřelují" do povrchu materiálů (např. křemíku při výrobě mikroprocesorů), čímž se mění jejich elektrické nebo mechanické vlastnosti.
  • Sterilizace:** Svazky částic se používají ke sterilizaci lékařského vybavení nebo potravin.

🌍 Významná světová zařízení

• / CERN (Evropská organizace pro jaderný výzkum): Provozuje Velký hadronový urychlovač (LHC), největší synchrotron na světě s obvodem 27 km.
• Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory): Dříve provozoval urychlovač Tevatron, který byl až do spuštění LHC nejvýkonnějším na světě.
• SLAC National Accelerator Laboratory: Provozuje nejdelší lineární urychlovač na světě.
• DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron): Významné centrum pro výzkum se synchrotronovým zářením a částicovou fyziku.
• KEK: Provozuje urychlovač SuperKEKB, zaměřený na studium B-mezonů.
• ELI Beamlines: Ačkoli se nejedná o klasický urychlovač částic, toto centrum v Dolních Břežanech provozuje nejvýkonnější lasery na světě, které se používají mimo jiné k urychlování částic na krátkých vzdálenostech. V Řeži u Prahy provozuje Ústav jaderné fyziky AV ČR několik cyklotronů pro výzkum a výrobu radiofarmak.

👶 Pro laiky

Představte si urychlovač částic jako obrovský prak na ty nejmenší kuličky, ze kterých je složený celý svět. Fyzikové chtějí zjistit, z čeho jsou tyto "kuličky" (částice) vlastně udělané.

• Proč je chtějí rozbíjet? Když chcete vědět, co je uvnitř oříšku, musíte ho rozlousknout. Stejně tak fyzikové do sebe narážejí částicemi obrovskou rychlostí. Když se částice srazí a "rozbijí", vznikne spousta menších úlomků a záblesků energie. Podle toho, co z té srážky vylétne, mohou vědci poskládat, jak původní částice vypadala zevnitř.
• Jak je urychlují? Používají k tomu "elektrické kopance" a "magnetické mantinely".
  • Elektrický kopanec:** Částice dostávají opakované malé "kopance" od elektrického pole, které je postrkuje dopředu, takže jsou stále rychlejší a rychlejší. Je to podobné, jako když roztáčíte kolotoč – každým odstrčením se točí rychleji.
  • Magnetické mantinely:** Aby jim částice neulétly, používají silné magnety, které je drží na správné dráze – buď v dlouhé rovné trubce (lineární urychlovač), nebo je zatáčejí do kruhu (kruhový urychlovač), aby je mohli "kopat" stále dokola a ušetřili místo.

Celé to probíhá ve vakuové trubici, aby částice do ničeho nenarážely, dokud nebudou vědci chtít. Je to vlastně obří, super přesná a neuvěřitelně rychlá autodráha pro nejmenší částice vesmíru.

Zdroje

Wikipedie: Urychlovač částic WikiSkripta: Urychlovače částic CERN - Evropská organizace pro jaderný výzkum Linkos.cz: lineární urychlovač / cyklotron ELI Beamlines MFF UK: Future Circular Collider