מה זה ציקלוטרון?

ההיסטוריה של פיזיקת החלקיקים הוא סיפור של חיפוש אחר פיסות חומר קטנות יותר ויותר. כאשר מדענים התעמקו עמוק בתוך איפור האטום, הם היו צריכים למצוא דרך לפצל אותו לגדול לראות את אבני הבניין שלו. אלה נקראים "החלקיקים היסודיים". זה דרש אנרגיה רבה כדי לפצל אותם. משמעות הדבר הייתה גם שמדענים נאלצו להמציא טכנולוגיות חדשות כדי לבצע את העבודה הזו.

לשם כך הם המציאו את הציקלוטרון, סוג של מאיץ החלקיקים המשתמש בשדה מגנטי קבוע כדי להחזיק חלקיקים טעונים כאשר הם נעים יותר ויותר במהירות בתבנית ספירלה מעגלית. בסופו של דבר הם פגעו ביעד, מה שמביא לחלקיקים משניים של פיזיקאים ללמוד. ציקלוטרונים משמשים בניסויים בפיזיקה עתירת אנרגיה במשך עשרות שנים, והם מועילים גם בטיפולים רפואיים לסרטן ומצבים אחרים.

הציקלוטרון הראשון נבנה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, בשנת 1932, על ידי ארנסט לורנס בשיתוף עם תלמידו מ. סטנלי ליווינגסטון. הם הציבו אלקטרומגנטים גדולים במעגל ואז תכננו דרך לירות בחלקיקים דרך הציקלוטרון כדי להאיץ אותם. עבודה זו זיכתה את לורנס בפרס נובל לפיזיקה משנת 1939. לפני כן, מאיץ החלקיקים העיקרי בשימוש היה מאיץ החלקיקים ליניארי,

מאז עבודתו של לורנס על הציקלוטרון, יחידות הבדיקה הללו נבנו ברחבי העולם. אוניברסיטת קליפורניה בברקלי בנתה כמה מהם למעבדת הקרינה שלה, והמתקן האירופי הראשון הוקם בלנינגרד ברוסיה במכון רדיום. אחר נבנה בשנותיו הראשונות של מלחמת העולם השנייה בהיידלברג.

הציקלוטרון היה שיפור גדול לעומת הלינאק. בניגוד לעיצוב הלינאץ ', שדרש סדרת מגנטים ושדות מגנטיים כדי להאיץ את החלקיקים הטעונים בקו ישר, היתרון של העגול העיצוב היה שזרם החלקיקים הטעון ימשיך לעבור באותו שדה מגנטי שנוצר על ידי המגנטים שוב ושוב, וצבר קצת אנרגיה בכל פעם שהוא עשה כך. ככל שהחלקיקים קיבלו אנרגיה, הם היו מייצרים לולאות גדולות וגדולות יותר סביב פנים הציקלוטרון, והמשיכו לצבור יותר אנרגיה עם כל לולאה. בסופו של דבר הלולאה תהיה גדולה כל כך עד שקורה של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה תעבור דרך החלון, ובשלב זה הם ייכנסו לתא ההפצצות לחקר. במהותם, הם התנגשו בצלחת, וזה פיזר חלקיקים סביב התא.

הציקלוטרון היה הראשון מבין מאיצי החלקיקים המחזוריים והוא סיפק דרך יעילה בהרבה להאיץ חלקיקים להמשך המחקר.

כיום ציקלוטרונים עדיין משמשים לתחומים מסוימים במחקר רפואי, ונעים בגודלם בין עיצובים בערך לשולחן ועד לגודל בניין וגדול יותר. סוג אחר הוא סינכרוטרון מאיץ, תוכנן בשנות החמישים, והוא חזק יותר. הציקלוטרונים הגדולים ביותר הם TRIUMF 500 MeV ציקלוטרון, שעדיין פועלת באוניברסיטת קולומביה הבריטית בוונקובר, קולומביה הבריטית, קנדה, וסיקלוטרון הטבעת המוליך במעבדה של ריקן ביפן. רוחבו 19 מטר. מדענים משתמשים בהם כדי לחקור תכונות של חלקיקים, של משהו שנקרא חומר מרוכז (שם החלקיקים נדבקים זה לזה.

עיצובים מאיצי חלקיקים מודרניים יותר, כמו אלה הנמצאים בקולידר הגדול, יכולים לעלות בהרבה על רמת האנרגיה הזו. מה שמכונה "מפיצי אטומים" אלה נבנו כדי להאיץ חלקיקים קרוב מאוד למהירות האור, כאשר פיזיקאים מחפשים חתיכות חומר קטנות יותר ויותר. החיפוש אחר היגס בוסון הוא חלק מעבודתו של ה- LHC בשוויץ. מאיצים נוספים קיימים במעבדה הלאומית של ברוקאבן בניו יורק, בפרמילאב באילינוי, ב- KEKB ביפן ואחרים. אלה גרסאות יקרות ומורכבות מאוד של הציקלוטרון, המוקדשות כולם להבנת החלקיקים המרכיבים את היקום ביקום.