Vad är en cyklotron?

Historian om partikelfysik är en berättelse om att försöka hitta allt mindre materier. När forskare djupt djupt in i sminket av atomen, de behövde hitta ett sätt att dela den isär för att se dess byggstenar. Dessa kallas "elementära partiklar". Det krävde mycket energi för att dela upp dem. Det innebar också att forskare måste komma med ny teknik för att göra detta arbete.

För det tänkte de cyklotronen, en typ av partikelaccelerator som använder ett konstant magnetfält för att hålla laddade partiklar när de rör sig snabbare och snabbare i ett cirkulärt spiralmönster. Så småningom träffar de ett mål, vilket resulterar i sekundära partiklar för fysiker att studera. Cyklotroner har använts i högenergifysikförsök i årtionden och är också användbara vid medicinska behandlingar för cancer och andra tillstånd.

Den första cyklotronen byggdes vid University of California, Berkeley, 1932 av Ernest Lawrence i samarbete med sin student M. Stanley Livingston. De placerade stora elektromagneter i en cirkel och utformade sedan ett sätt att skjuta partiklarna genom cyklotronen för att påskynda dem. Detta arbete fick Lawrence Nobelpriset i fysik 1939. Före detta var huvudpartikelacceleratorn i användning en linjär partikelaccelerator,

Sedan Lawrence arbetade med cyklotronen har dessa testenheter byggts runt om i världen. University of California i Berkeley byggde flera av dem för sitt strålningslaboratorium, och den första europeiska anläggningen skapades i Leningrad i Ryssland på Radium Institute. En annan byggdes under de första åren av andra världskriget i Heidelberg.

Cyklotronen var en stor förbättring jämfört med linac. I motsats till linakutformningen, som krävde en serie magneter och magnetfält för att påskynda de laddade partiklarna i en rak linje, är fördelarna med det cirkulära designen var att den laddade partikelströmmen skulle fortsätta att passera genom samma magnetfält som magneterna skapade om och om igen och fick lite energi varje gång det gjorde så. När partiklarna fick energi skulle de göra större och större slingor runt cyklotronens inre och fortsätta att vinna mer energi med varje slinga. Så småningom skulle slingan vara så stor att strålen med högenergi-elektroner skulle passera genom fönstret, då de skulle komma in i bombardementskammaren för att studera. I huvudsak kolliderade de med en platta, och det spridda partiklar runt kammaren.

Cyklotronen var den första av de cykliska partikelacceleratorerna och den gav ett mycket mer effektivt sätt att påskynda partiklar för vidare studier.

Idag används cyklotroner fortfarande för vissa områden inom medicinsk forskning och sträcker sig i storlek från ungefär bordsdesign till byggnadsstorlek och större. En annan typ är synkrotron gaspedalen, designad på 1950-talet, och är mer kraftfull. De största cyklotronerna är TRIUMF 500 MeV Cyclotron, som fortfarande är i drift vid University of British Columbia i Vancouver, British Columbia, Kanada och Superconducting Ring Cyclotron på Riken-laboratoriet i Japan. Det är 19 meter tvärs över. Forskare använder dem för att studera egenskaper hos partiklar, av något som kallas kondenserat material (där partiklar fastnar på varandra.

Mer moderna partikelacceleratordesign, som de som finns på Large Hadron Collider, kan överträffa denna energinivå. Dessa så kallade "atomspridare" har byggts för att påskynda partiklar till mycket nära ljusets hastighet, eftersom fysiker letar efter allt mindre materialstycken. Sökningen efter Higgs Boson är en del av LHC: s arbete i Schweiz. Andra acceleratorer finns vid Brookhaven National Laboratory i New York, Fermilab i Illinois, KEKB i Japan och andra. Dessa är mycket dyra och komplexa versioner av cyklotronen, alla dedikerade för att förstå de partiklar som utgör materien i universum.