Οι επιταχυντές είναι παντού, ίσως πιο κοντά από ότι πιστεύεις …. Teach article

Author(s): Jo Lewis, Christine Darve
Translator(s): Σεβαστή Μαλάμου (Sevasti Malamou)

Ήξερες ότι υπάρχουν πάνω από 30000 επιταχυντές σωματιδίων στον κόσμο; Που βρίσκονται και ποιος ο ρόλος τους;

Τι είναι ένας επιταχυντής σωματιδίων; Η πρώτη τεχνολογική επίδειξη για την επιτάχυνση σωματιδίων πραγματοποιήθηκε από τον Ernest O. Lawrence στο Μπέρκλεϋ των Η.Π.Α., το 1929. Το κύκλοτρό του, που μπορούσε να το κρατήσει στο χέρι του, άνοιξε μια νέα εποχή, επιτρέποντας πολλές επιστημονικές ανακαλύψεις. Έκτοτε, εργαλεία που παίρνουν υποατομικά σωματίδια και τα επιταχύνουν χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, από τις πρώιμες τηλεοράσεις καθοδικών ακτινών, που προηγήθηκαν αυτών των διόδων εκπομπής φωτός (LED) και των τηλεοράσεων επίπεδης οθόνης, έως τις γιγάντιες μηχανές που χρησιμοποιούνται για τη σύγκρουση και τη μελέτη των ίδιων των σωματιδίων.

Σε αυτές τις δραστηριότητες, οι οποίες είναι κατάλληλες για μαθητές 11-16 ετών, οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν έναν διαδραστικό χάρτη για να βρουν και να μάθουν σχετικά με τους επιταχυντές κοντά τους. [1]

Επιταχυντές σωματιδίων

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι επιταχυντών σωματιδίων: οι γραμμικοί επιταχυντές (συχνά αποκαλούνται LINACS) ή ένας από τους δύο τύπους κυκλικών επιταχυντών – τα κύκλοτρα και τα σύγχροτρα.

Αριστερά: Η Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Σύγχροτρον (ESRF) στη Γκρενόμπλ. Δεξιά: Ο Ευρωπαϊκός γραμμικός επιταχυντής σωματιδίων XFEL στο Αμβούργο.
Images: Left: © ESRF. Right © XFEL

Οι πιο ισχυροί είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται στην έρευνα για να παρατηρήσουν και να περιγράψουν τον ατομικό και υποατομικό κόσμο και να κατανοήσουν τους νόμους του σύμπαντος. Οι επιταχυντές σωματιδίων αποτελούν τη βάση του ενός τρίτου όλων των βραβείων Νόμπελ Φυσικής και Χημείας που έχουν απονεμηθεί ποτέ.[2] Οι παραπάνω είναι αυτοί που σκέφτονται οι περισσότεροι άνθρωποι όταν σκέφτονται τους επιταχυντές σωματιδίων.

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στη Γενεύη
© CERN

Παρόλα αυτά, υπάρχουν πολλοί περισσότεροι επιταχυντές σωματιδίων. Η συντριπτική πλειοψηφία των επιταχυντών σωματιδίων χρησιμοποιούνται στα νοσοκομεία για τη θεραπεία του καρκίνου ή για τη δημιουργία ραδιοϊσοτόπων για τη θεραπεία του καρκίνου. Πολλοί περισσότεροι χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, για παράδειγμα, στην εμφύτευση ιόντων για την ενίσχυση της απόδοσης υλικού ή στην κατασκευή ημιαγωγών. Έτσι, αν συμπεριληφθούν όλοι αυτοί, κάποιοι άνθρωποι έχουν υπολογίσει ότι σε παγκόσμιο επίπεδο υπάρχουν περισσότεροι επιταχυντές σωματιδίων παρά υποκαταστήματα των McDonald’s.

Εφαρμογές των επιταχυντών

1. Κέντρα θεραπείας καρκίνου
Αυτοί οι επιταχυντές σωματιδίων παράγουν δέσμες φωτονίων, πρωτονίων ή ιόντων για να ακτινοβολήσουν όγκους.Τα κέντρα θεραπείας φωτονίων (ακτίνων Χ) είναι τα πιο κοινά, με εκατοντάδες να βρίσκονται σε νοσοκομεία σε όλο τον κόσμο. Χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά σε ασθενή το 1953 στο Λονδίνο του Ηνωμένου Βασιλείου και χρησιμοποιούν γραμμικούς επιταχυντές για τη δημιουργία ακτίνων Χ. Η θεραπεία με πρωτόνια χρησιμοποιεί τόσο κύκλοτρα όσο και σύγχροτρα για να δημιουργήσει δέσμες πρωτονίων. Υπάρχουν περισσότερα από 50 κέντρα θεραπείας καρκίνου πρωτονίων σε νοσοκομεία παγκοσμίως, με πολλά άλλα υπό κατασκευή. Αυτά που βρίσκονται στην Ευρώπη παρατίθενται σε δημόσια διαθέσιμες πηγές δεδομένων και έτσι περιλαμβάνονται στον χάρτη

Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από υψηλής ενέργειας ακτίνες Χ έχει μεγάλη δόση εισόδου και εξόδου, καταστρέφοντας τον υγιή ιστό. Αντίθετα, το μέρος όπου σταματούν τα πρωτόνια μέσα στο σώμα μπορεί να ελεγχθεί αλλάζοντας την ενέργειά τους.
© Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο του Liverpool

2. Πηγές φωτός
Μια πηγή φωτός σύγχροτρον είναι ένα ειδικό είδος επιταχυντή ηλεκτρονίων που στόχο έχει την παραγωγή ισχυρού, έντονου φωτός, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της ύλης και την αντιμετώπιση πολλών επιστημονικών ερωτημάτων στη βιολογία, τη χημεία και την επιστήμη των υλικών. Όπως συμβαίνει με ένα γιγάντιο μικροσκόπιο, οι δέσμες φωτονίων (ακτίνες Χ) που παράγονται, σκεδάζονται από τα άτομα του δείγματος και στη συνέχεια ανιχνεύονται/παρατηρούνται. Για να βρούμε απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα, πρέπει να διερευνήσουμε και να δούμε τα πράγματα πιο προσεκτικά και, για αυτό, χρειαζόμαστε φως – πολύ έντονο, φως ακτίνων Χ.

3. Πηγές νετρονίων
Για να δούμε ακόμη πιο προσεκτικά ένα δείγμα, αντί για φως από σύγχροτρον, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια δέσμη νετρονίων. Όταν τα νετρόνια κινούνται πολύ γρήγορα, λειτουργούν λίγο σαν φως, και μπορούμε να ανιχνεύσουμε τον τρόπο με τον οποίο αναπηδούν ή σκεδάζονται από ένα δείγμα, για να μάθουμε για τη δομή αυτού του δείγματος. Όμως, τα νετρόνια είναι δεσμευμένα στον πυρήνα του ατόμου, επομένως απαιτείται πολλή ενέργεια για να εξέλθουν. Μπορούμε να εξαγάγουμε νετρόνια από άτομα όπως το ουράνιο χρησιμοποιώντας πυρηνική σχάση, σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, όπως στο Ινστιτούτο Laue Langevin (ILL) στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας. Μια άλλη μέθοδος για τη λήψη μεγαλύτερης και πιο ελεγχόμενης ροής νετρονίων είναι η χρήση της τεχνικής του θρυμματισμού: τα νετρόνια ενός βαρέως ατόμου, όπως ο υδράργυρος ή το βολφράμιο, βομβαρδίζονται με πρωτόνια υψηλής ενέργειας που έχουν επιταχυνθεί σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο θα λειτουργεί η νέα Ευρωπαϊκή Πηγή Νετρονίων με Θρυμματισμό ERIC (European Spallation Source -ESS) στη Σουηδία, ακριβώς όπως ορισμένες υπάρχουσες πηγές θρυμματισμού, όπως η πηγή νετρονίων με θρυμματισμό στο Oak Ridge των ΗΠΑ, το J-PARC στην Ιαπωνία, η Πηγή Νετρονίων και Μυονίων του ISIS στο Ηνωμένο Βασίλειο, ή η Κινεζική Πηγή Νετρονίων με θρυμματισμό(C-SNS)

Ο επιταχυντής στην Ευρωπαϊκή Πηγή Νετρονίων με Θρυμματισμό –ESS- παράγει πρωτόνια υψηλής ενέργειας, τα οποία χτυπούν τον στόχο βολφραμίου, απελευθερώνοντας μια υψηλή ροή νετρονίων για να χρησιμοποιηθούν από τους επιστήμονες.
©ESS

4. Φυσική Υψηλών Ενεργειών
Ορισμένοι επιταχυντές σωματιδίων χρησιμοποιούνται για την κατανόηση της ίδιας  της φύσης των σωματιδίων. Συχνά αυτό χρησιμοποιεί έναν τύπο επιταχυντή που ονομάζεται συγκρουστής. Εδώ, τα σωματίδια συνήθως επιταχύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις το ένα προς το άλλο μέχρι να συγκρουστούν και τα ίδια τα σωματίδια να διασπαστούν, αποκαλύπτοντας αυτό που υπάρχει στο εσωτερικό τους. Αυτό βοηθά τους σωματιδιακούς φυσικούς να κατανοήσουν τα βασικά δομικά στοιχεία του σύμπαντος –τα θεμελιώδη σωματίδια– και έχουν χρησιμοποιήσει αυτή τη γνώση για να δημιουργήσουν και να ελέγξουν το καθιερωμένο πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων.

Η μεγαλύτερη και πιο διάσημη μηχανή είναι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (the Large Hadron Collider – LHC) στο CERN στα σύνορα Γαλλίας και Ελβετίας. Πρόκειται για έναν κυκλικό επιταχυντή, ένα σύγχροτρο, με περίμετρο 27 km!

Δραστηριότητα 1: Που βρίσκονται οι επιταχυντές;

Επιταχυντές σωματιδίων μπορούν να βρεθούν σε όλο τον κόσμο. Κάποιοι χρησιμοποιούνται για την έρευνα της σωματιδιακής φυσικής – ερευνητικά εργαστήρια φυσικής υψηλών ενεργειών. Κάποιοι βρίσκονται πίσω από ερευνητικές εγκαταστάσεις παραγωγής νετρονίων και ακτίνων Χ – σύγχροτρα ή πηγές νετρονίων. Και πολλοί βρίσκονται σε νοσοκομεία, ιδιαίτερα σε εκείνα με κέντρα θεραπείας καρκίνου.

Μαζί με τους μαθητές σας, εξερευνήστε έναν χάρτη που ετοιμάστηκε ως μέρος του διαδικτυακού μαθήματος Accelerate Your Teaching, μπορείτε να βρείτε έναν επιταχυντή στη χώρα σας;

Αυτός ο χάρτης δημιουργήθηκε το 2024 ως μέρος ενός έργου που ονομάζεται Accelerating Teaching, το οποίο στοχεύει να συγκεντρώσει ετερόκλητες πληροφορίες σχετικά με τους επιταχυντές που είναι δημόσια καταχωρημένοι και τις χρήσεις τους, σε ένα μέρος για τους εκπαιδευτικούς. Έχει σχεδιαστεί για να είναι φιλικό προς το χρήστη παρά πλήρως εμπεριστατωμένο και δεν θα ενημερώνεται συνεχώς. Για τρέχουσες πληροφορίες σχετικά με τις πηγές φωτός σύγχροτρον και τους επιταχυντές σωματιδίων, δείτε τις πηγές στο τέλος του άρθρου.

Η δραστηριότητα διαρκεί περίπου 30 λεπτά.

Σημείωση: Ο χάρτης δείχνει μόνο μια χούφτα από τους πραγματικούς επιταχυντές. Περίπου το 41% ​​των επιταχυντών χρησιμοποιούνται βασικά στην βιομηχανία. Επιπλέον, πολλοί από αυτούς που χρησιμοποιούνται στην ιατρική δεν περιλαμβάνονται σε δημόσιους καταλόγους, καθώς ανήκουν σε ιδιωτικές εταιρείες ή απλώς αποτελούν μέρος της συνήθους ιατρικής υποδομής.

Υλικά

Διαδικασία

  1. Μοιράστε τα φύλλα πληροφοριών και δείξτε τα βίντεο.
  2. Δείξτε στους μαθητές τον χάρτη επιταχυντών. Εξηγήστε ότι ο χάρτης δείχνει στην πραγματικότητα μόνο ένα μικρό υποσύνολο επιταχυντών, καθώς δεν περιλαμβάνονται αυτοί που ανήκουν σε ιδιωτικές εταιρείες.
  3. Ρωτήστε τους μαθητές ποιες είναι οι γενικές τους σκέψεις εφόσον κοιτάξουν τον χάρτη.
  4. Ποιος είναι ο πλησιέστερος στο σχολείο επιταχυντής (συμπεριλαμβανομένων των ιατρικών επιταχυντών); Ζητήστε από τους μαθητές να χρησιμοποιήσουν τη λειτουργία μέτρησης στους Χάρτες Google για να μετρήσουν την απόσταση μεταξύ του σχολείου και του πλησιέστερου επιταχυντή.
Στιγμιότυπο οθόνης από την δραστηριότητα του χάρτη
Επιταχυντές σωματιδίων – τοποθεσίες, κατασκευασμένες με το Google My Maps. Δεδομένα χάρτη ©2015Google
  1. Ποια είναι η πλησιέστερη μεγάλη ερευνητική εγκατάσταση;
  2. Ποια ήπειρος έχει τον μεγαλύτερο αριθμό επιταχυντών; Και ποια έχει το μικρότερο;
  3. Ποιος τύπος πηγής είναι πιο συνηθισμένος (πηγή νετρονίων, πηγή φωτός σύγχροτρον, κέντρο φυσικής υψηλών ενεργειών ή κέντρο θεραπείας πρωτονίων);

Δραστηριότητα 2: Μελέτη περίπτωσης

Σε αυτή τη δραστηριότητα, που διαρκεί περίπου 90 λεπτά, οι μαθητές επιλέγουν έναν επιταχυντή και τον ερευνούν σε μεγαλύτερο βάθος.

Υλικά

Διαδικασία

  1. Χωρίστε τους μαθητές σε ομάδες των τριών ως πέντε μαθητών. Κάθε ομάδα πρέπει να αποφασίσει αν θα ασχοληθεί με
    1. τα ευρωπαϊκά κέντρα θεραπείας καρκίνου πρωτονίων
    2. πηγές φωτός
    3. πηγές νετρονίων σε ερευνητικά κέντρα φυσικής υψηλών ενεργειών
  2. Ζητήστε από κάθε ομάδα να επιλέξει έναν από τους επιταχυντές από τον χάρτη και να προετοιμάσει μια σύντομη (2–4 λεπτά) παρουσίαση  σχετικά με την κοινωνική σημασία και/ή τους ηθικούς παράγοντες.
  3. Οι μαθητές πρέπει να ενθαρρύνονται να χρησιμοποιούν τόσο τις ιστοσελίδες της πραγματικής εγκατάστασης όσο και τα βίντεο σχετικά με τους ανθρώπους που τις χρησιμοποιούν.
Μια λίστα αναπαραγωγής σύντομων βίντεο σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι χρησιμοποιούν επιταχυντές για μια σειρά από διαφορετικές ερευνητικές μελέτες
  1. Τέλος, ένας εκπρόσωπος που επιλέγεται από την ομάδα παρουσιάζει τα αποτελέσματά τους σε όλη την τάξη. Ενθαρρύνετε τους μαθητές να κάνουν ερωτήσεις μετά από κάθε παρουσίαση, εστιάζοντας στην κοινωνική σημασία ή/και τους ηθικούς παράγοντες της επιλεγμένης εγκατάστασης επιταχυντών.

Συζήτηση

Αυτή η δραστηριότητα παρέχει στους μαθητές την ευκαιρία να αποκτήσουν γνώσεις για τη θέση των ερευνητικών εγκαταστάσεων και άλλων χώρων που μπορεί να στεγάζουν έναν επιταχυντή σωματιδίων. Επιπλέον, τους επιτρέπει να αναζητήσουν και να συγκρίνουν πληροφορίες σχετικά με τις κοινωνικογεωγραφικές επιπτώσεις της ύπαρξης ενός επιταχυντή σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική τοποθεσία ή τις ηθικές προεκτάσεις από το είδος της εργασίας που γίνεται σε αυτήν την εγκατάσταση. Οι μαθητές θα πρέπει να διερευνήσουν αυτά τα θέματα οι ίδιοι, αλλά αν χρειάζονται λίγη καθοδήγηση ή έμπνευση, οι Σημειώσεις του Δασκάλου στο υποστηρικτικό υλικό μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να τους δώσουν μια υπόδειξη ή να γίνουν κάποιες βασικές ερωτήσεις.

Συμπέρασμα

Σε συνδυασμό με ένα μάθημα φυσικής, οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν επιπλέον πηγές για να διερευνήσουν περαιτέρω την επιστήμη λειτουργίας των επιταχυντών σωματιδίων, όπως με ένα βίντεο που παρουσιάζει τους επιταχυντές σωματιδίων και τη σημασία τους από το Science ABC.[1] Για περισσότερες ιδέες διδασκαλίας σωματιδιακής φυσικής, ανατρέξτε στις πηγές που προσφέρονται από το Accelerate Your Teaching και την ενότητα πηγών παρακάτω.

References

[1] Ένα βίντεο από το Science ABC περιγράφοντας γραμμικούς και κυκλικούς επιταχυντές και τις αντίστοιχες εφαρμογές τους: https://www.youtube.com/watch?v=vIeRLeQq7V4&t=204s

[2] Haussecker EF, Chao AW (2011) The influence of accelerator science on physics research. Physics in Perspective 13: 146–160. doi: 10.1007/s00016-010-0049-y

Resources

Διδακτικό υλικό

  • Επιπλέον διδακτικοί πόροι για τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων μπορεί να βρεθεί μέσω του Accelerate Your Teaching: Lewis J (2024) Accelerate your teaching with links to cutting-edge science. Science in School 67.
  • Ανακαλύψτε το νέο κέντρο επιστημονικής εκπαίδευσης και επιρροής του CERN: Woithe J (2024) CERN Science Gateway: a guide for teachers. Science in School 66.
  • Εξερευνήστε πως το Star Wars μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εμπλοκή των μαθητών με την επιστήμη των επιταχυντών: Welsch CP (2021) The physics of Star Wars: introducing accelerator science. Science in School 54.
  • Κατασκευάστε ένα πυροβόλο  Gauss για να μοντελοποιήσετε τη γραμμική επιτάχυνση και τον θρυμματισμό: Lewis J, Michalak L (2024) Build a linear accelerator model. Science in School 67.
  • Κατασκευάστε έναν εικονικό επιταχυντή για να μάθετε τα διαφορετικά στοιχεία της επιστήμης επιταχυντών: Welsch CP (2021) Build your own virtual accelerator. Science in School 54.
  • Αφήστε τους μαθητές σας να βιώσουν τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι επιστήμονες επιταχυντών σωματιδίων καθώς μαθαίνουν για τη φυσική των κυμάτων: Torres R (2023) Surfatron: catch the wave of accelerators. Science in School 62.
  • Δημιουργήστε έναν επιταχυντή σωματιδίων στη σαλατιέρα σας: Torres R Torres R (2017) A particle accelerator in your salad bowl. Science in School 41: 49–55.
  • Μάθετε για τη χρήση δεσμών πρωτονίων για τη θεραπεία του καρκίνου: Welsch CP (2021) Death Star or cancer tumour: proton torpedoes reach the target. Science in School 55.
  • Διαβάστε για την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs στο CERN και τι γνωρίζουμε για αυτό: Chatzidaki P et al. (2022) Ten things we’ve learned about the Higgs boson in the past ten years. Science in School 59.
  • Μάθετε πως οι κοσμικές ακτίνες από το διάστημα μπορούν να επηρεάσουν τα ηλεκτρονικά στη Γη: ILL (2023) What does particle physics have to do with aviation safety? Science in School 62.
  • Μάθετε πως οι μαγνητικές «καταιγίδες» μπορούν να μας βοηθήσουν να πετύχουμε καλύτερη, ταχύτερη αποθήκευση δεδομένων: Chandran A (2023) Information revolution: how ultra-short bursts of light could help us improve data storage. Science in School 62.

Πηγές για εις βάθος διερεύνηση που απευθύνονται σε εκπαιδευτικούς

  • Διαδικτυακό μάθημα για εκπαιδευτικούς Accelerate Your Teaching. (Απαιτείται δωρεάν εγγραφή για πρόσβαση στη δραστηριότητα του χάρτη και σε όλο το άλλο υλικό.)
  • Διαδικτυακά μαθήματα από το Nordic Particle Accelerator Program.
  • Sheehy S (2022) The Matter of Everything: Twelve Experiments that Changed Our World. Bloomsbury. ISBN: 9781526618962
  • Πόροι του CERN για εκπαιδευτικούς.

Πηγές κατάλληλες για μαθητές

Author(s)

Ο Jo Lewis είναι υπεύθυνος επικοινωνίας και δημοσίας συμμετοχής της European Spallation Source (ESS). Όταν ολοκληρωθεί, η ESS θα είναι η πιο ισχυρή πηγή νετρονίων που βασίζεται σε επιταχυντή στον κόσμο, η οποία θα χρησιμοποιείται από χιλιάδες ερευνητές για τη μελέτη της ύλης σε ατομικό επίπεδο.

Η Christine Darve είναι μηχανικός στην ESS. Πριν από αυτό, σχεδίασε και δοκίμασε εξοπλισμό για επιταχυντή σωματιδίων στο Fermilab των ΗΠΑ και στο CERN της Ελβετίας. H Christine είναι πρώην πρόεδρος του Forum on International Physics στην Αμερικανική Εταιρεία Φυσικής και πρόεδρος της ομάδας εργασίας Accelerator Science της International Union of Pure and Applied Physics. Διοργάνωσε το Nordic Particle Accelerator Program και συνίδρυσε την African School of Fundamental Physics and Applications.

License

CC-BY