Wat is een cyclotron?

De geschiedenis van deeltjesfysica is een verhaal over het zoeken naar steeds kleinere stukjes materie. Terwijl wetenschappers diep in de samenstelling van het atoom doken, moesten ze een manier vinden om het uit elkaar te halen om de bouwstenen te zien. Dit worden de "elementaire deeltjes" genoemd. Het kostte veel energie om ze uit elkaar te halen. Het betekende ook dat wetenschappers nieuwe technologieën moesten bedenken om dit werk te doen.

Daarvoor bedachten ze de cyclotron, een type deeltjesversneller die een constant magnetisch veld gebruikt om geladen deeltjes vast te houden terwijl ze steeds sneller bewegen in een cirkelvormig spiraalpatroon. Uiteindelijk raakten ze een doelwit, wat resulteert in secundaire deeltjes die natuurkundigen kunnen bestuderen. Cyclotrons worden al decennia lang gebruikt bij experimenten met hoge energie-fysica en zijn ook nuttig bij medische behandelingen voor kanker en andere aandoeningen.

De eerste cyclotron werd in 1932 gebouwd door Ernest Lawrence aan de Universiteit van Californië, Berkeley, in samenwerking met zijn student M. Stanley Livingston. Ze plaatsten grote elektromagneten in een cirkel en bedachten vervolgens een manier om de deeltjes door de cyclotron te schieten om ze te versnellen. Dit werk leverde Lawrence de Nobelprijs voor Natuurkunde 1939 op. Voordien was de belangrijkste deeltjesversneller die werd gebruikt een lineaire deeltjesversneller,

Sinds Lawrence's werk aan de cyclotron zijn deze testunits over de hele wereld gebouwd. De Universiteit van Californië in Berkeley heeft er een aantal gebouwd voor haar stralingslaboratorium, en de eerste Europese faciliteit werd opgericht in Leningrad in Rusland bij het Radium Institute. Een ander werd gebouwd tijdens de eerste jaren van de Tweede Wereldoorlog in Heidelberg.

De cyclotron was een grote verbetering ten opzichte van de linac. In tegenstelling tot het linac-ontwerp, waarvoor een reeks magneten en magnetische velden nodig was om de geladen deeltjes in een rechte lijn te versnellen, is het voordeel van de cirkelvormige het ontwerp was dat de stroom van geladen deeltjes steeds door hetzelfde magnetische veld zou blijven gaan dat door de magneten werd gecreëerd, en elke keer een beetje energie zou winnen zo. Naarmate de deeltjes meer energie kregen, maakten ze steeds grotere lussen rond het binnenste van de cyclotron, waarbij ze met elke lus steeds meer energie kregen. Uiteindelijk zou de lus zo groot zijn dat de bundel van hoogenergetische elektronen door het raam zou gaan, waarna ze voor onderzoek de beschietingskamer zouden binnengaan. In wezen kwamen ze in botsing met een plaat en die verspreidde deeltjes rond de kamer.

De cyclotron was de eerste van de cyclische deeltjesversnellers en het was een veel efficiëntere manier om deeltjes te versnellen voor verder onderzoek.

Tegenwoordig worden cyclotrons nog steeds gebruikt voor bepaalde gebieden van medisch onderzoek en variëren in grootte van ruwweg tafelbladontwerpen tot gebouwafmetingen en groter. Een ander type is de synchrotron gaspedaal, ontworpen in de jaren 1950, en is krachtiger. De grootste cyclotrons zijn de TRIUMF 500 MeV Cyclotron, die nog steeds in bedrijf is aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver, British Columbia, Canada, en de Supergeleidende Ring Cyclotron in het laboratorium van Riken in Japan. Het is 19 meter breed. Wetenschappers gebruiken ze om eigenschappen van deeltjes te bestuderen, van iets dat gecondenseerde materie wordt genoemd (waarbij deeltjes aan elkaar blijven kleven).

Modernere ontwerpen voor deeltjesversnellers, zoals die bij de Large Hadron Collider, kunnen dit energieniveau ver overtreffen. Deze zogenaamde "atoom-smashers" zijn gebouwd om deeltjes te versnellen tot zeer dicht bij de lichtsnelheid, omdat natuurkundigen steeds kleinere stukjes materie opzoeken. De zoektocht naar het Higgs-boson maakt deel uit van het werk van de LHC in Zwitserland. Andere versnellers zijn er bij Brookhaven National Laboratory in New York, bij Fermilab in Illinois, de KEKB in Japan en anderen. Dit zijn zeer dure en complexe versies van de cyclotron, allemaal toegewijd aan het begrijpen van de deeltjes waaruit de materie in het universum bestaat.