ამაჩქარებლების მოკლე ისტორია

 ატომის ბირთვის პირველი კვლევები ამაჩქარებლების გარეშე ტარდებოდა. ასეთ ექსპერიმენტებში გამოყენებული ალფა-ნაწილაკები (ჰელიუმი-4-ის ბირთვები), არასტაბილური იზოტოპების (მაგალითად, რადიუმი) ბუნებრივი დაშლით სხივდებოდა და მშობელი ბირთვისვე ელექტრული ველით რამდენიმე მეგაელექტრონვოლტამდე ჩქარდებოდა (მოკლედ ელემენტარული ნაწილაკების შესახებ; რა არის ელექტრონვოლტი?; რეზერფორდის ცდა).

 ამაჩქარებელი ტექნიკის ერის დასაწყისად 1930-იანი წლები ითვლება, როცა ნაწილაკების 1 მევ-ამდე აჩქარების ორი სქემა იქნა წარმოდგენილი. 1932 წელს, ინგლისელმა ჯონ კოკროფტმა და ირლანდიელმა ერნესტ უოლთონმა, კემბრიჯში, მუდმივი დენის მისაღები 800 კილოვოლტიანი გენერატორი ააწყვეს. პირველივე ექსპერიმენტში, აჩქარებული პროტონების კონა, ლითიუმი-7-ისგან დამზადებული სამიზნისკენ მიმართეს: ლითიუმის ბირთვმა პროტონი შთანთქა და ორ ალფა-ნაწილაკად დაიშალა (ბირთვული დაშლა და სინთეზი).

ციკლოტრონები

 ათეულობით მეგავოლტი პოტენციალათა სხვაობის მიღება ადვილი საქმე არ არის, თუმცა, როგორც შემდეგ გაირკვა, არც არის აუცილებელი. ამის მაგივრად, ამაჩქარებელი რგოლად უნდა ვაქციოთ და მაგნიტურ ველში მოვათავსოთ. ელექტრული ველისგან განსხვავებით, მაგნიტური ველი არ აჩქარებს ნაწილაკებს, მხოლოდ მოძრაობის მიმართულებას უცვლის მათ. კერძოდ, ერთგვაროვანი მაგნიტური ველი ნაწილაკის ტრაექტორიას წრეზე კრავს.

 თუ ნაწილაკს პერიოდულად ელექტრული ველითაც ვუბიძგებთ, ენერგიის დაგროვებას დაიწყებს და ტრაექტორიის რადიუსსაც გაზრდის. ამასთან ერთად, ეს ავტომატურად წყვეტს ორ პორბლემას: ნაწილაკებს რამდენი ხანიც გინდა იმდენი ხანი ამოძრავებ ორბიტაზე და არც ამაჩქარებელი ელექტრული ველის მაღალი დაძაბულობაა საჭირო (კილოვოლტიანი პოტენციალის ათასჯერ გავლა, მაგევოლტიანი წრფივი გენერატორის ექვივალენტურია).

 ამ პრინციპზე მომუშავე მოწყობილობა – ციკლოტრონი, ერნესტ ლოურენსმა 1929 წელს ჩაიფიქრა, ხოლო 1931 წელს მისი კონსტრუირება მოახდინა. ციკლოტრონი, ორი ღრუიანი დისკოსგან შედგება, რომლის შიგნით ნაწილაკები მოძრაობს. ნახევრებს შორის არსებულ ჭრილთან ცვლადი ძაბვაა მოდებული, რომლის სიხშირე ნაწილაკების ბრუნთა სიხშირის ტოლია. ველი ჯერ იზიდავს ნაწილაკს, ხოლო შემდეგ, იცვლის რა ნიშანს, განიზიდავს და კიდევ დამატებით აჩქარებას ანიჭებს მას. ასე მეორდება ყოველ წრეზე, მაქსიმალური ენერგიის მიღებადმე.

 უმნიშვნელოვანესია, რომ სანამ ნაწილაკების სიჩქარე სინათლისაზე გაცილებით ნაკლებია, ამაჩქარებელში მათი ბრუნვის სიხშირე მუდმივი რჩება: სიჩქარის მატების კომპენსირება კი ორბიტის რადიუსის გაზრდით ხდება. ამის გამო, ნაწილაკი ზუსტად ერთი და იგივე პერიოდით ხვდება ჭრილთან და მასზე მკაცრად ფიქისრებული სიხშირის ელექტრული ველის მიწოდებაა შესაძლებელი.

 ლოურენსის მიერ გაკეთებული პირველი ციკლოტრონის ზომა 10 სანტიმეტრს უტოლდებოდა და სულ რაღაც 80 კილოელექტრონვოლტამდე აჩქარებდა პროტონებს. 1936 წელს, უკვე 8 მევ. და 1946 წელს — 200 მევ. ციკლოტრონებიც გამოჩნდა. ასეთ ენერგიაზე პროტონების სიჩქარე სინათლისას უახლოვდება, ამიტომ ციკლოტრონის სიხშირის გამოსათვლელი არარელატივისტური ფორმულა უკვე აღარ მუშაობს.

 ენერგიის შემდგომი ზრდა მთელი რიგი პრობლემების გადაჭრას მოითხოვდა. მათ შორის იყო კონსტრუქციულიც (ერთგვაროვანი მაგნიტური ველი, ღრმა ვაკუუმი, მექანიკური სიმტკიცე), ასევე ის, რომ  ნაწილაკები კამერაში იფანტებოდა და ამაჩქარებელ ჭრილთან დროის არასწორ მომენტებში მოხვედრის გამო აღარ ჩქარდებოდა.

 1944 წელს, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, საბჭოთა ფიზიკოსმა ვლადიმირ ვეკსელმა და ამერიკელმა ედვინ მაკმილანმა, ავტოფაზირების მეთოდი შეიმუშავეს. ამ მეთოდის მიხედვით, ჭრილისკენ მოძრავი ჩამორჩენილი ნაწილაკები ძლიერად მიიზიდებოდა, ხოლო წინ გაქცეულები, სუსტად, რითაც კონის მთლიანობისა და კომპაქტურობის შენარჩუნება მიიღწეოდა. ბოლოს, უზარმაზარი დისკოს ნაცვლად, ნაწილაკები წრიულ მილში შეუშვეს, ორბიტის შესანარჩუნებლად კი, ენერგიის ზრდასთან ერთად, მაგნიტური ველის დაძაბულობაც სინქრონულად იზრდებოდა. ასეთ ამაჩქარებლებს სინქროფაზოტრონი შეარქვეს.

 კოლაიდერები

 კოლაიდერებში, საპირისპიროდ მოძრავი ნაწილაკების კონათა შეჯახება ხდება. ეს მოწყობილობა ჯერ კიდევ 1943 წელს, ნორვეგიელმა ფიზიკოსმა როლფ ვიდეროემ დააპატენტა, თუმცა ამ იდეის რეალიზება, მხოლოდ წინა საუკუნის სამოციანი წლების დასაწყისში მოხერხდა. ერთმანეთის საწინააღმდეგოდ მოძრავი ნაწილაკების ენერგია ზუსტად დანიშნულებისამებრ იხარჯება – ახალი ნაწილაკების გაჩენაზე და არა უძრავ ნაწილკებთან დაჯახებით გაჩენილი, მაღალი სიჩქარით მოძრავი ნაწილაკების კინეტიკურ ენერგიაზე, როგორც ადრე. რელატივისტური მექანიკის ფორმულებით, სისტემის მასათა ცენტრში, სრული ენერგიის გამოთვლაა შესაძლებელი – საწყისი ნაწილაკების ენერგიის სწორედ ეს ნაწილი იხარჯება ახლების დაბადებაზე.

 კაცობრიობის მიერ შექმნილი ყველაზე მძლავრი ამაჩქარებელი, მოგეხსენებათ, დიდი ადრონული კოლაიდერია, პროტონების ენერგიით 7 ტერაელექტრონვოლტი. მისი 27 კილომეტრიანი ამაჩქარებელი მილი, შვეიცარიისა და საფრანგეთის საზღვართან, მიწის ქვეშ არის გაყვანილი. ფიზიკოსები იმედოვნებენ, რომ დაკ-იდან მიღებული მონაცემები, სამყაროს საიდუმლოებების ამოხსნაში დაგვეხმარება.

 ამაჩქარებელმა მოწყობილობამ თავის კონსტრუქციულ ზღვარს მიაღწია. მეტი ენერგიის მიღება მაშინ იქნება შესაძლებელი, თუ კოლაიდერები წრფივი გახდება და ნაწილაკთა ასაჩქარებლად გაცილებით ეფექტური მეთოდიკა იქნება რეალიზებული (პერსპექტივაშია აჩქარების ლაზერული და ლაზერულ-პლაზმური მეთოდიკა).