Producerea particulelor subatomice
Electronul și protonul sunt particule stabile, componente ale atomilor care, la rândul lor, sunt componenții materiei la scară macroscopică. O placă metalică încălzită devine sursa unui nor de electroni, care prin accelerare într-un câmp electromagnetic devine un fascicul de electroni. Protonii se obțin ionizând atomi de hidrogen; cum masa electronului e neglijabil de mică față de masa protonului, un rezervor de hidrogen este practic un rezervor de protoni. Alte particule subatomice (elementare sau compuse) sunt produse în procese elementare care au loc în natură sau în laborator.
Observatorul de raze cosmice Mount Sulphur (Canada)
Raze cosmice
Particule de energie înaltă provenind de la surse situate
în spațiul extraterestru produc neîntrerupt în straturile
superioare ale atmosferei cascade de particule secundare.
Această radiație cosmică este o sursă naturală de particule
cu energii mult mai mari decât cele care pot fi realizate
într-un laborator terestru; pozitronul, miuonul, pionul și
kaonul au fost descoperiți în acest fel. Ea prezintă
dezavantajul că este incontrolabilă, iar fluxul de particule
este foarte redus: experimentele cu raze cosmice cer multă
răbdare și durează un timp îndelungat.
Reactorul de cercetare FRM I, din Garching bei München
Reactori nucleari
Reacțiile nucleare produc o diversitate de particule, în principal
neutroni, neutrini, electroni și pozitroni, fotoni (radiație gama).
Reactorii de cercetare servesc ca surse de particule în experimente
efectuate în laborator.
Acceleratorul collider Tevatron. Laboratorul Fermilab, Batavia, lângă Chicago
Acceleratoare de particule
Particulele elementare sunt produse în laborator ca fragmente rezultate din procese de ciocnire. Fragmentarea la scară subatomică și producerea de fragmente masive necesită energii înalte, care se realizează prin accelerare. O sursă de ioni produce particule încărcate electric (protoni sau electroni); acestea sunt injectate în acceleratorul propriu-zis, unde sunt accelerate într-un câmp electromagnetic și colimate într-un fascicul, care este focalizat asupra unei ținte. Produsele de dezintegrare rezultate din ciocnire sunt captate și analizate de un detector, sau sunt filtrate și dirijate în fascicule secundare.
Primul accelerator circular a fost ciclotronul construit de Ernest Lawrence în 1934, în care particulele erau menținute pe o traiectorie spirală de un câmp magnetic static și accelerate de un câmp electric de radiofrecvență. Succesorul său a fost sincrotronul, în care fasciculul de particule urmează o traiectorie închisă, iar câmpul magnetic este sincronizat cu creșterea energiei, astfel încât devierea, colimarea și accelerarea cooperează la obținerea unui fascicul stabil. O variantă tehnică de sincrotron păstrează pentru un timp (care poate fi de ordinul orelor) particulele accelerate într-un inel de acumulare, pentru a obține un fascicul intens.
În acceleratoarele cu țintă fixă doar o parte din energia fasciculului este absorbită în procesul de producere de particule; restul se pierde prin reculul țintei, ca energie cinetică a centrului de masă. Această problemă nu există la acceleratoarele de tip collider, în care două fascicule de particule de mase egale sunt accelerate în sensuri opuse și se ciocnesc frontal. Dezavantajul acestor mașini este luminozitatea relativ redusă (densitatea de particule în fascicul fiind inferioară densității în ținta fixă), ceea ce înseamnă și că ele nu pot fi configurate pentru a genera fascicule secundare intense. Cel mai mare collider din lume este Large Hadron Collider de la CERN, proiectat în principal pentru ciocniri proton-proton la energii de 6,5 TeV pe fascicul (13 TeV în total).
Particulele în mișcare pe o traiectorie închisă emit radiație
electromagnetică (radiație de sincrotron), ceea ce înseamnă
decelerare și pierdere de energie în procesul de ciocnire. La
energii egale, pierderea este mai pronunțată în cazul
electronilor decât în cazul protonilor: pentru accelerarea de
electroni, acceleratoarelor circulare le sunt preferate
acceleratoarele liniare (linac). Singurul linac collider din
lume este SLAC Linear Collider (SLC) de la SLAC National
Accelerator Laboratory; el constă din două acceleratoare
liniare care trimit fascicule în sensuri opuse, la energii de
50 GeV pe fascicul.
Acceleratorul linac collider SLC. Laboratorul SLAC, Stanford, lângă San Francisco