ما هو السيكلوترون؟

تاريخ ال فيزياء الجسيمات هي قصة البحث عن قطع أصغر من المادة. بينما كان العلماء يتعمقون في تركيبة الذرة ، كانوا بحاجة إلى إيجاد طريقة لتقسيمها إلى بعض لرؤية كتل بناءها. هذه تسمى "الجسيمات الأولية". لقد تطلبت قدرا كبيرا من الطاقة لتقسيمها. وهذا يعني أيضًا أنه كان على العلماء ابتكار تقنيات جديدة للقيام بهذا العمل.

لذلك ، ابتكروا السيكلوترون ، وهو نوع من مسرع الجسيمات يستخدم مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا لحمل الجسيمات المشحونة أثناء تحركها بشكل أسرع وأسرع في نمط حلزوني دائري. في نهاية المطاف ، ضربوا هدفًا ، مما أدى إلى جزيئات ثانوية لكي يدرسها الفيزيائيون. تم استخدام السيكلوترونات في تجارب الفيزياء عالية الطاقة لعقود ، وهي مفيدة أيضًا في العلاجات الطبية للسرطان والحالات الأخرى.

تم بناء أول سيكلوترون في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، في عام 1932 ، من قبل إرنست لورانس بالتعاون مع تلميذه م. ستانلي ليفينغستون. وضعوا مغناطيسات كهربائية كبيرة في دائرة ثم ابتكروا طريقة لإطلاق الجسيمات عبر السيكلوترون لتسريعها. حصل هذا العمل على لورانس عام 1939 جائزة نوبل في الفيزياء. قبل ذلك ، كان مسرع الجسيمات الرئيسي المستخدم هو مسرع الجسيمات الخطي ،

منذ عمل لورانس على السيكلوترون ، تم بناء وحدات الاختبار هذه حول العالم. قامت جامعة كاليفورنيا في بيركلي ببناء العديد منها لمختبر الإشعاع ، وتم إنشاء أول مرفق أوروبي في لينينغراد في روسيا في معهد الراديوم. بنيت أخرى خلال السنوات الأولى من الحرب العالمية الثانية في هايدلبرغ.

كان السيكلوترون تحسنًا كبيرًا على اللينك. على عكس تصميم ليناك ، الذي يتطلب سلسلة من المغناطيسات والمجالات المغناطيسية لتسريع الجسيمات المشحونة في خط مستقيم ، فإن الاستفادة من التعميم كان التصميم أن تيار الجسيمات المشحونة سيستمر في المرور من خلال المجال المغناطيسي نفسه الذي أنشأته المغناطيسات مرارًا وتكرارًا ، واكتساب القليل من الطاقة في كل مرة وبالتالي. وكلما اكتسبت الجسيمات طاقة ، فإنها ستصنع حلقات أكبر وأكبر حول الجزء الداخلي من السيكلوترون ، وتستمر في اكتساب المزيد من الطاقة مع كل حلقة. في نهاية المطاف ، ستكون الحلقة كبيرة جدًا بحيث تمر شعاع الإلكترونات عالية الطاقة من خلال النافذة ، وعندها ستدخل غرفة القصف للدراسة. في الجوهر ، اصطدموا بصفيحة ، وهذه الجسيمات المتناثرة حول الغرفة.

كان السيكلوترون هو الأول من مسرعات الجسيمات الدورية وقدم طريقة أكثر فعالية لتسريع الجسيمات لمزيد من الدراسة.

اليوم ، لا تزال السيكلوترونات تستخدم في مجالات معينة من البحث الطبي ، وتتراوح في الحجم من التصميمات على سطح الطاولة تقريبًا إلى حجم المبنى وأكبر. نوع آخر هو السنكروترون مسرع ، تم تصميمه في الخمسينات ، وهو أقوى. أكبر cyclotrons هي TRIUMF 500 MeV Cyclotron، التي لا تزال تعمل في جامعة كولومبيا البريطانية في فانكوفر ، كولومبيا البريطانية ، كندا ، والحلقة فائقة التوصيل الحلزونية في مختبر Riken في اليابان. يبلغ عرضه 19 مترًا. يستخدمها العلماء لدراسة خصائص الجسيمات ، لشيء يسمى المادة المكثفة (حيث تلتصق الجسيمات ببعضها البعض.

يمكن لتصميمات مسرع الجسيمات الأكثر حداثة ، مثل تلك الموجودة في مصادم هادرون الكبير ، أن تتجاوز بكثير مستوى الطاقة هذا. وقد تم بناء ما يسمى "محطمات الذرة" لتسريع الجزيئات بحيث تكون قريبة جدًا من سرعة الضوء ، حيث يبحث الفيزيائيون عن قطع أصغر من المادة. البحث عن Higgs Boson هو جزء من عمل LHC في سويسرا. توجد مسرعات أخرى في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك ، وفي Fermilab في إلينوي ، و KEKB في اليابان ، وغيرها. هذه إصدارات باهظة الثمن ومعقدة من السيكلوترون ، وكلها مخصصة لفهم الجسيمات التي تشكل المادة في الكون.