Apa Itu Akselerator Partikel? Bagaimana Cara Kerjanya? - Anontekno

Apa Itu Akselerator Partikel? Bagaimana Cara Kerjanya?

Linear accelerator animation

Apa Itu Akselerator Partikel?

  • Akselerator partikel adalah perangkat yang mendorong partikel subatom ke kecepatan tinggi, menggunakan medan elektromagnetik.
  • Ini menghasilkan seberkas partikel bermuatan yang digunakan untuk berbagai tujuan penelitian.

Sejarah akselerator partikel dimulai pada tahun 1930 ketika para ilmuwan mengembangkan trafo 200.000 volt dan proton yang dipercepat di sepanjang jalur yang lurus. Meskipun mesin tidak memenuhi tujuannya, ia memulai pencarian akselerator partikel energi yang lebih tinggi, yang berlanjut hingga hari ini.

Akselerator partikel adalah perangkat besar yang mendorong partikel subatom ke kecepatan tinggi, menggunakan medan listrik dan magnet. Untuk pikiran yang lebih cenderung secara teknis, ini adalah mesin yang mempercepat partikel bermuatan listrik mendekati kecepatan cahaya dan berisi mereka dalam balok yang terdefinisi dengan baik, menggunakan medan elektromagnetik.

Pada abad ke-20, akselerator partikel disebut sebagai penghancur atom. Nama tersebut tetap ada meskipun fakta bahwa akselerator masa kini membuat tabrakan antara dua partikel subatom, alih-alih inti atom.

Tabrakan partikel semacam itu dapat membantu ilmuwan memahami cara kerja alam semesta. Akselerator partikel berenergi tinggi sangat berguna untuk penelitian fundamental dan terapan di berbagai bidang, mulai dari elektronik dan kedokteran hingga keamanan internasional.

Kami telah membahas beberapa fakta dan statistik paling menarik tentang akselerator partikel modern yang akan memicu minat Anda pada fisika partikel. Mari kita mulai dengan yang dasar.

Jenis Akselerator Partikel

Ada dua tipe dasar akselerator:

1) Akselerator Elektrostatis: gunakan medan listrik statis untuk meningkatkan kecepatan partikel bermuatan. Partikel positif tertarik ke pelat bermuatan negatif, sedangkan partikel negatif tertarik ke pelat bermuatan positif.

Mereka sederhana, lebih murah, dan memiliki keluaran energi terbatas, yang berarti mereka tidak dapat mempercepat partikel ke kecepatan yang sangat tinggi. Energi kinetik maksimum partikel bergantung pada tegangan percepatan, yang dibatasi oleh fenomena yang disebut kerusakan listrik.

Generator Van de Graaff dan generator Cockcroft-Walton adalah contoh akselerator elektrostatis yang paling umum. Tabung sinar katoda dari monitor komputer lama mana pun adalah contoh skala kecil dari jenis akselerator ini.

2) Akselerator Elektrodinamik: gunakan medan elektromagnetik yang berubah (baik bidang frekuensi radio berosilasi atau induksi magnetis) untuk mempercepat partikel.

Dalam perangkat ini, partikel dilewatkan melalui medan elektromagnetik yang sama beberapa kali, sehingga dapat mencapai kecepatan yang jauh lebih tinggi daripada yang ada pada akselerator elektrostatis. Energi kinetik maksimum partikel tidak dibatasi oleh intensitas medan percepatan.

Akselerator ini selanjutnya dapat dibagi lagi menjadi dua kelas:

  1. Linear , di mana partikel berakselerasi dalam garis lurus
  2. Melingkar , di mana partikel ditekuk dalam orbit melingkar kasar menggunakan medan magnet. Partikel menggerakkan orbit ini hingga mencapai energi yang cukup.

Pengoperasian akselerator Linear | Wikimedia 

Bagaimana cara kerjanya?

Pada tingkat dasar, akselerator partikel menghasilkan seberkas partikel bermuatan yang digunakan untuk berbagai tujuan penelitian. Biasanya, berkas sinar terdiri dari partikel subatomik bermuatan (seperti proton dan elektron) tetapi dalam beberapa kasus, seluruh atom dari unsur yang lebih berat (seperti uranium dan emas) digunakan.

Dalam akselerator melingkar, misalnya, partikel-partikel terus dipercepat dalam tabung lingkaran. Intensitas medan listrik meningkat dengan setiap lintasan, meningkatkan tingkat energi berkas partikel.

Ketika partikel mencapai kecepatan yang diperlukan, target (seperti lembaran logam tipis) ditempatkan ke jalurnya, tempat detektor partikel menganalisis tabrakan.

Secara keseluruhan, ada 6 komponen utama dalam akselerator partikel:

A) Jenis Partikel : menyediakan partikel (seperti elektron atau proton) untuk dipercepat. Satu botol gas hidrogen, misalnya, dapat menjadi sumber partikel. Satu atom hidrogen mengandung satu elektron dan satu proton.

B) Pipa Logam: berisi ruang hampa tempat berkas partikel bergerak. Vakum menjaga lingkungan bebas debu agar partikel bermuatan listrik bergerak tanpa halangan.

C) Elektromagnet: mengontrol pergerakan partikel saat bergerak melalui pipa logam.

D) Medan Listrik: secara teratur dialihkan dari positif ke negatif. Ini menghasilkan gelombang radio yang mempercepat partikel bermuatan.

E) Target: Ketika partikel mencapai kecepatan yang diinginkan, mereka bertabrakan dengan target tetap. Terkadang, dua berkas partikel bertabrakan.

F) Detektor: merekam tumbukan partikel dan mengungkap radiasi atau partikel subatom yang dihasilkan dalam proses.

Referensi: Energy.gov | CERN 

Akselerator Partikel Terbesar Di Dunia

Lebih dari 30.000 akselerator partikel saat ini beroperasi di seluruh dunia. Dari jumlah tersebut, 44% digunakan untuk radioterapi, 41% untuk implantasi ion, 9% untuk pemrosesan industri, dan 4% untuk penelitian energi dan biomedis rendah. Hanya 1% dari akselerator yang ada yang mampu menghasilkan energi di atas satu miliar elektron Volts atau 1 GeV.

Saat ini, Large Hadron Collider adalah akselerator partikel terkuat di dunia. Ia mampu mempercepat dua berkas proton menjadi energi 6,5 tera elektron Volt. Ketika dua sinar kuat ini bertabrakan, mereka menciptakan energi pusat massa elektron 13 tera Volts (TeV).

Peta penumbuk hadron besarPeta penumbuk hadron besar | CERN 

Mesin itu terletak di terowongan sedalam 175 meter. Dengan lingkar 27 kilometer dan cincin magnetnya dapat menghasilkan medan magnet 8,36 Tesla.

Strukturnya mengandung lebih dari 1.000 magnet dipol dari ujung ke ujung, yang membuat partikel berpacu hampir dengan kecepatan cahaya: satu partikel bergerak di ring 27 kilometer 11.000 kali per detik.

Ini dikembangkan oleh Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir bekerja sama dengan lebih dari 10.000 peneliti dan ratusan laboratorium dan universitas dari lebih dari 100 negara.

Partikel Higgs boson, kadang-kadang disebut sebagai ‘Partikel Dewa’, ditemukan di Large Hadron Collider pada tahun 2012. Pada tahun yang sama, fisikawan membentuk plasma quark-gluon yang bisa mencapai 5,5 triliun derajat Celcius – suhu tertinggi yang tercatat oleh mesin buatan manusia.

Higgs boson pertama kali diamati selama percobaan di Large Hadron Collider | Kredit Gambar: Designua / Shutterstock

Di tahun-tahun mendatang, mesin raksasa ini akan memungkinkan fisikawan menguji berbagai teori fisika partikel, termasuk menganalisis sifat boson Higgs, mencari partikel elementer baru yang dikemukakan oleh teori supersimetrik, serta misteri lain di alam semesta.

Aplikasi

Dari industri hingga pasokan energi, kesehatan hingga keamanan, ada beberapa bidang di luar penelitian murni di mana teknologi terkait percepatan partikel berdampak pada kehidupan orang-orang dengan cara yang positif.

Aplikasi Medis:  Setiap tahun, jutaan pasien menerima diagnosis dan perawatan berbasis akselerator di klinik dan rumah sakit di seluruh dunia. Partikel yang dipercepat (seperti proton, elektron, atau partikel bermuatan lebih berat) digunakan untuk membunuh sel kanker dan menghasilkan gambar detail dari dalam tubuh.

Produk Konsumen: Akselerator partikel saat ini digunakan dalam berbagai proses industri, mulai dari plastik penghubung silang untuk pembungkus menyusut hingga pembuatan chip komputer.

Akselerator berkas ion, khususnya, digunakan untuk membuat chip elektronik dan mengeraskan permukaan material seperti yang digunakan pada sambungan buatan. Akselerator berkas elektron, di sisi lain, umumnya digunakan untuk mengubah sifat material seperti modifikasi plastik untuk perawatan permukaan.

Keamanan Nasional: Akselerator memainkan peran penting dalam pengurusan stockpile, inspeksi kargo, dan karakterisasi material. Mereka kebanyakan digunakan untuk memindai wadah dan barang dan membantu mengidentifikasi senjata dan bahan berbahaya lainnya.

Apa lagi yang bisa mereka lakukan?

Analisis tabrakan partikel berenergi tinggi dapat bermanfaat untuk penelitian fundamental dan terapan dalam sains. Ini dapat membantu fisikawan memecahkan beberapa masalah fundamental dalam fisika, termasuk struktur ruangwaktu yang dalam, dan hubungan antara relativitas umum dan mekanika kuantum.

Tabrakan dua proton menghasilkan hujan puing partikel | CERN

Berikut adalah empat pertanyaan utama yang ingin dijawab oleh para ilmuwan dalam beberapa dekade mendatang:

  1. Apakah ada dimensi ekstra, seperti yang diprediksi oleh model teori string?
  2. Apa sifat materi gelap?
  3. Seperti apa alam semesta awal itu?
  4. Mengapa kita melihat asimetri antara materi dan antimateri di alam semesta?

Faktanya, teknologi berbasis akselerator partikel adalah hal terdekat yang kita miliki dengan mesin waktu, menurut Stephen Hawking. Dia menulis sebuah makalah pada tahun 2010, menjelaskan bagaimana mungkin untuk melakukan perjalanan melalui waktu .