Hvad er en cyclotron?

Historien om partikelfysik er en historie om at søge at finde stadig mindre stykker stof. Da forskere dybt ned i atomets sammensætning, var de nødt til at finde en måde at opdele det fra for at se dets byggesten. Disse kaldes "elementære partikler". Det krævede meget energi for at opdele dem fra hinanden. Det betød også, at forskere måtte komme med nye teknologier for at udføre dette arbejde.

Til dette udtænkte de cyclotronen, en type partikelaccelerator, der bruger et konstant magnetfelt til at holde ladede partikler, når de bevæger sig hurtigere og hurtigere i et cirkulært spiralmønster. Til sidst ramte de et mål, hvilket resulterer i sekundære partikler, som fysikere kan studere. Cyklotroner er blevet brugt i fysiske eksperimenter med høj energi i årtier og er også nyttige i medicinske behandlinger af kræft og andre tilstande.

Den første cyklotron blev bygget på University of California, Berkeley, i 1932 af Ernest Lawrence i samarbejde med sin studerende M. Stanley Livingston. De placerede store elektromagneter i en cirkel og udtænkte derefter en måde at skyde partiklerne gennem cyclotronen for at fremskynde dem. Dette arbejde fik Lawrence Nobelprisen i fysik fra 1939. Før dette var hovedpartikelacceleratoren i brug en lineær partikelaccelerator,

Siden Lawrence arbejdede med cyclotronen er disse testenheder blevet bygget over hele verden. University of California i Berkeley byggede flere af dem til sit strålingslaboratorium, og den første europæiske facilitet blev oprettet i Leningrad i Rusland på Radium Institute. En anden blev bygget i de første år af 2. verdenskrig i Heidelberg.

Cyclotronen var en stor forbedring i forhold til linac. I modsætning til linak-designet, som krævede en række magneter og magnetiske felter for at accelerere de ladede partikler i en lige linje, var fordelen ved det cirkulære design var, at den ladede partikelstrøm fortsatte med at passere gennem det samme magnetfelt, der blev skabt af magneterne igen og igen, og få lidt energi hver gang det gjorde så. Efterhånden som partiklerne opnåede energi, ville de skabe større og større sløjfer omkring cyclotronens indre og fortsatte med at få mere energi med hver løkke. Til sidst ville løkken være så stor, at strålen med højenergi-elektroner ville passere gennem vinduet, på hvilket tidspunkt de ville komme ind i bombardementskammeret til undersøgelse. I det væsentlige kolliderede de med en plade, og det spredte partikler rundt i kammeret.

Cyclotronen var den første af de cykliske partikelacceleratorer, og den gav en meget mere effektiv måde at accelerere partikler til videre undersøgelse.

I dag bruges cyklotroner stadig til visse medicinske forskningsområder og spænder i størrelse fra omtrent borddesign til bygningsstørrelse og større. En anden type er synkrotron accelerator, designet i 1950'erne og er mere kraftfuld. De største cyklotroner er TRIUMF 500 MeV Cyclotron, der stadig er i drift på University of British Columbia i Vancouver, British Columbia, Canada og Superconducting Ring Cyclotron på Riken-laboratoriet i Japan. Det er 19 meter på tværs. Forskere bruger dem til at studere egenskaber ved partikler, af noget kaldet kondenseret stof (hvor partikler klæber til hinanden.

Mere moderne partikelacceleratordesign, såsom dem, der findes på Large Hadron Collider, kan langt overgå dette energiniveau. Disse såkaldte "atomsmashers" er blevet bygget til at accelerere partikler til meget tæt på lysets hastighed, når fysikere søger stadig mindre stykker stof. Søgningen efter Higgs Boson er en del af LHC's arbejde i Schweiz. Andre acceleratorer findes på Brookhaven National Laboratory i New York, Fermilab i Illinois, KEKB i Japan og andre. Dette er meget dyre og komplekse versioner af cyclotronen, alle dedikeret til at forstå de partikler, der udgør sagen i universet.