Akceleratory stanowią urządzenia wykorzystywane przy badaniu właściwości materii na poziomie subatomowym, co w praktyce realizuje się poprzez przyspieszanie strumienia cząsteczek naładowanych lub pozbawionych ładunku do ogromnym prędkości bliskich prędkościom światła, co, zgodnie z równaniem Einsteina dla zależności energia-prędkość, wiąże się z ogromnym przyrostem energii cząstek. Następnie takie przyśpieszone strumienie poddawane są zderzeniu (z nieruchoma tarczą lub z drugą, przeciwbieżną wiązką). Skutki i produkty zderzenia są obserwowane i analizowane, głównie w celu poszukiwania nowych cząstek. Cząstki przyśpieszane w akceleratorach to jony pierwiastków, elektrony, protony i inne hadrony. Zastosowania badawcze akceleratorów to przede wszystkim znajdywanie cząstek, udowadnianie istnienia cząstek przewidzianych teoretycznie (jak np. istnienie kwarków), badanie przebiegu reakcji jądrowych i oddziaływań między cząstkami elementarnymi. W medycynie niewielkie akceleratory zaczyna się z powodzeniem stosować do leczenia nowotworów poprzez naświetlanie ich wyprodukowanym promieniowaniem jonizującym.

  • Klasyfikacja

Najprostszy podział akceleratorów to podział na przyspieszacze liniowe i kołowe. Historycznie pierwszymi akceleratorami były akceleratory liniowe, w których przyśpieszanie cząstek naładowanych uzyskiwano na danej drodze prostej, przez odpowiednie przyłożenie zwiększających energię cząstek pól elektrycznych lub magnetycznych (akcelerator liniowy Cockcrofta - Waltona z 1937 roku, nadający cząstkom energię rzędu 1MeV) Pole elektryczne wytwarzały układy generatorów wysokiego napięcia, a następnie przekazywały je na układy elektrod. Pole magnetyczne wywarzano w blokach elektromagnesów rozmieszczonych wzdłuż całej linii akceleratora. Trudno było jednak przy pomocy tych urządzeń nadać cząstkom bardzo duże energie, biorąc pod uwagę fakt, że na drodze prostej cząstka przechodzi przez każdy punkt toru tylko jeden raz - uzyskiwanie wielkich energii wymagałoby budowy bardzo długich akceleratorów liniowych. Nieco później konstruktorzy zdali sobie sprawę, że bardziej wydajnym kształtem może być obręcz, w której podróżują cząstki, nabierając coraz większej prędkości z każdym obiegiem okręgu. Taki pierścień, odpowiednio obłożony magnesami przyśpieszającymi, może pozwolić cząstkom na miliony obiegów bez kontaktu z brzegami trajektorii. Strumień cząstek ogniskuje się tak, by nie natrafiały w swym ruchu na ścianki pierścienia. Aby krążące cząstki nie wytracały energii na skutek jej wypromieniowywania przy ruchu kołowym, budowano początkowo akceleratory kołowe (cyklotrony) o coraz większym promieniu, nawet do kilkunastu kilometrów. Dopiero wynalazek akceleratora zwanego synchrotronem rozwiązał ten problem. W synchrotronie cząstki nie są przyśpieszane bez przerwy, ale poprzez okresowe wzmocnienie pola w momencie, gdy jest to korzystne (gdy wiadomo, że na danym etapie ruchu cząstki nabiorą energii.) Dziś klasyczne cyklotrony należą już do przeszłości, a w nowoczesnych akceleratorach kołowych można przyśpieszać cząstki niemal bez ograniczeń za pomocą pierścieniowych komór próżniowych (akumulacyjnych). Zmianie uległ też sposób powodowania kolizji przyspieszonych cząstek. Dawniej wyprowadzano je po prostu z akceleratora i kierowano w stronę nieruchomej tarczy. Dogodniejsze jest jednak powszechne dziś zderzenia dwóch wiązek przeciwbieżnych, co pozwala uzyskać o wiele większą , podwojoną wypadkowa energię wypadkową, niż w przypadku uderzenia strumienia w obiekt nie poruszający się.

.

  • Przykłady

Największe i najbardziej liczące się w nauce akceleratory znajdują się w terenie CERN (Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych) pod Genewą. Należy do nich m.in.: LEP, kołowy zderzacz elektronowo - pozytonowny o obwodzie pierścienia wynoszącym 27 kilometrów, przyśpieszającym pakiety elektronów i ich antycząstek w przeciwnych kierunkach do prędkości niemal relatywistycznych. LEP 1 1996 roku uzyskał energię umożliwiającą produkcję przy zderzeniu pary cząstek przenoszących oddziaływania słabe - bozonów W+ i W-, co pozwoliło eksperymentatorom na sprawdzenie słuszność Modelu Standardowego. Inny istotny dla nauki akcelerator to FERMILAB ("Laboratorium Fermiego") zbudowany w USA, Chicago - Tevatron (urządzenie nadające cząstkom energie teravoltowe), za pomocą którego odkryto w roku 1995 sztosy kwark t ("górny") i wykazano, że ma on niewspółmiernie wielką masę. W Polsce największy akcelerator znajduje się w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów pod Warszawą. Jest to cyklotron ciężkich jonów, jedyny taki nie tylko w Polsce, ale i w Europie Centralnej, służy głównie do badań koegzystencji kształtu w jądrach atomowych i struktury stanów o wysokich spinach oraz analizy mechanizmów reakcji jąder lekkich i rozpadu jąder gorących. W planach (na razie niestety dość odległych) jest wybudowania ogromnego akceleratora liniowego (SSC) w Wahahachie, USA.

  • Przyszłe projekty - LHC

Największym i nadającym cząstkom ogromne energie akceleratorem ma być budowany obecnie przez europejski ośrodek badawczy CERN (European Organization for Nuclear Research) akcelerator LHC (Large Hadron Collider - wielki zderzacz hadronów.) Obecnie, gdy znamy niemal wszystkie cząstki elementarne, wysiłki fizyki doświadczalnej skupią się głównie na poszukiwaniu hipotetycznej cząstki nadającej ciałom masę (Bozonie Higgsa, występującym we współczesnym rozszerzeniu Modelu standardowego.) Najistotniejsze, planowane w najbliższej przyszłości projekty mogące wykryć cząstkę Higgsa przy pomocy akceleratora LHC noszą nazwy Atlas i CMS. Przygotowywane są i opracowywane także detektory służące sprawdzeniu Modelu Standardowego, badań kwarka b "pięknego", oraz procesów rządzących zderzeniami ciężkich jonów: Alice oraz LHCb. Na zakończenie budowy LHC trzeba będzie poczekać aż do roku 2007.

LHC będzie znajdował się w tunelu wykorzystywanym dawniej przez akcelerator LEP, na głębokości ok. 100 metrów pod powierzchnią gruntu. Długość tego tunelu tego mniej więcej 27 kilometrów. Główne zadanie przyszłego akceleratora to jednoczesne przyśpieszanie przeciwbieżnych wiązek ciężkich jonów oraz protonowych, przy czym przewidywana energia maksymalna to dla protonów aż 14 TeV (teraelektronowoltów.) Energia ta według teorii ma umożliwić m.in. wykrycie Bozonu Higgsa. Akcelerator będzie się składał z dwóch nadprzewodzących tuneli. Wiązki mają być zderzane ze sobą celem uzyskania jeszcze większej energii kolizji. Przed wprowadzeniem do głównego pierścienia akceleratora kołowego protony mają zostać wstępnie przyśpieszone za pomocą innych, zainstalowanych już w CERN urządzeń.(tzw. przyśpieszanie wieloetapowe.) Przy każdym pełnym okrążeniu pakiety cząstek mają się zderzać ze sobą w określonych punktach w pobliżu wyjść do detektorów produktów zderzenia. Zakrzywienie strumienia cząstek o energiach terawoltowych do toru kołowego nie jest proste i wymaga zastosowania specjalnych dipoli magnetycznych, pełniących podobna rolę do optycznych soczewek zmieniających bieg promieni świetlnych. Ogniskowanie magnetyczne wymaga zastosowania rozmaitych typów magnesów i elektromagnesów, magnesów dwubiegunowych i czterobiegunowych (kwadrupolowych.) Pola magnetyczne zastosowane w LHC muszą mieć wartość ok. ośmiu Tesli i mogą być wytworzone jedynie na drodze wykorzystania zjawiska nadprzewodnictwa (niemal bezstratnego przewodzenia przez metale prądu elektrycznego przy bardzo niskich temperaturach.) Akcelerator taki musi być więc stale utrzymywany w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego, co wymaga ciągłej kontroli oraz dużych nakładów finansowych.

Oprócz energii nadawanej cząstkom ważnym czynnikiem charakteryzującym strumień opuszczający akcelerator jest także luminacja, zdefiniowana jako stosunek ilości zderzeń między cząstkami do okresu czasu jednej sekundy na jednostkę powierzchni. Duża luminacja pociąga za sobą duże ilości wyprodukowanych cząstek, a zatem zwiększa nasze szanse na ich przekazanie do detektora i wykrycie. Naukowcy spodziewają się, że LHC osiągnie luminację rzędu 1034 cm-2 c-1 Utrzymanie dużej energii cząstek w połączeniu ze znaczną wartością luminacji nie jest proste i na przeszkodzie mu stoi kilka czynników osłabiających te wielkości przy założeniu, że średnio cząstki wykonują kilka milionów okrążeń w akceleratorze (wartość minimalna, by doprowadzić do istotnego z punktu widzenia fizyki zderzenia strumieni.) Czynniki te to m.in. efekt strumień- strumień (zbaczanie cząstek kolidujących ze sobą strumieni na skutek działania pola elektromagnetycznego wiązek sąsiadujących, narastające przy każdym jednym okrążeniu, efekt możliwy do uniknięcia poprzez nie przekraczanie pewnej krytycznej gęstości wiązki), ogrzewanie - ocieplanie się cząstek w wiązce na skutek odrywania się pojedynczych cząstek od spójnego strumienia i zamiana ich energii kinetycznej na cieplna przy zderzeniu z otoczeniem wiązki, prowadzące w naturalny sposób do zaburzeń pracy akceleratora i eliminowane wychwytywaniem cząstek zbaczających z właściwej drogi oraz poprawa ogniskowania strumieni, wspólna niestabilność (emisja pól elektromagnetycznych przez wiązki, powodująca oddziaływanie tych pól z innymi wiązkami i prowadząca do destabilizacji wiązek - usuwana lub minimalizowana dzięki starannej kontroli wartości pól otaczających wiązki i, w razie potrzeby, ich modyfikację, wreszcie ruch chaotyczny cząstek w wiązce zachodzący na skutek oddziaływania pola magnetycznego zakrzywiającego strumień i mogący w dość krótkim czasie spowodować jego stratę. (efekt eliminowany starannymi obliczeniami i symulacjami komputerowymi działania pól magnetycznych zakrzywiających.