Wiązka protonów i to, co wybija

Akcelerator protonów

Akcelerator protonów wysokiej intensywności HIPA (High Intensity Proton Accelerator) przyspiesza protony w trzech etapach. Przedakcelerator Cockcrofta-Waltona, w którym mieści się też źródło protonów, podnosi ich energię z 60 do 870 kiloelektronowoltów. Mały cyklotron pierścieniowy, Injector 2, doprowadza ją do 72 MeV. Na końcu duży cyklotron pierścieniowy o średnicy około 15 metrów, z ośmioma magnesami sektorowymi, w ciągu 186 okrążeń rozpędza protony do 590 MeV, czyli do około 80 procent prędkości światła.

Przy mocy wiązki 1,4 megawata i prądzie do 2,4 miliampera HIPA ma rekord świata wśród akceleratorów opartych na cyklotronie. Przyspiesza około 10 bilionów protonów na sekundę i zasila około 20 stanowisk badawczych cząstkami wtórnymi: pionami, mionami, neutronami i ultrazimnymi neutronami.

SINQ: neutrony z ołowiu

W przyrodzie neutrony są związane w jądrach atomów, więc najpierw trzeba je z nich wybić. W szwajcarskim spalacyjnym źródle neutronów SINQ wiązka protonów uderza w blok ołowiu. Każde trafienie rozgrzewa jądro ołowiu, które wyrzuca od 10 do 20 neutronów – to właśnie spalacja. Takie neutrony są za szybkie do eksperymentów, więc tarcza stoi w zbiorniku z ciężką wodą, która je spowalnia; drugi zbiornik, z ciężkim wodorem o temperaturze minus 250 °C, daje jeszcze wolniejsze, zimne neutrony do badania większych struktur.

PSI opisuje SINQ jako jedyne na świecie spalacyjne źródło neutronów o wiązce ciągłej. Budowę rozpoczęto w 1989 roku, a otwarcie nastąpiło w 1996 roku.

Dlaczego neutrony

Neutrony nie mają ładunku elektrycznego, więc oddziałują głównie z jądrami atomów i wnikają głęboko w materiały. Mają moment magnetyczny i działają jak maleńkie igły kompasu, które wyczuwają ułożenie atomów magnetycznych. Dobrze pokazują też wodór, którego promienie rentgenowskie prawie nie widzą, a to ważne przy materiałach biologicznych, wodzie i substancjach organicznych. Ich długość fali jest zbliżona do rozmiarów badanych struktur, więc eksperymenty rozpraszania rozróżniają szczegóły zbyt małe dla mikroskopu.

SμS: miony z węgla

W szwajcarskim źródle mionów SμS wiązka protonów uderza w dwie tarcze węglowe. W zderzeniach powstają piony, które po około 26 nanosekundach rozpadają się na mion i neutrino. Miony same są nietrwałe i rozpadają się w ciągu kilku milionowych części sekundy, więc trzeba je wytwarzać bez przerwy przez cały eksperyment.

Uzyskane w ten sposób miony mają spiny ustawione w tym samym kierunku i są na tyle wolne, że zatrzymują się wewnątrz próbki, co czyni je czułymi sondami magnetyzmu w ciałach stałych. Fizycy cząstek używają mionów i pionów do sprawdzania przewidywań Modelu Standardowego. PSI opisuje SμS jako najpotężniejsze na świecie stanowisko spektroskopii spinu mionów z wiązką ciągłą.