סופר פרוטון סינכרוטרון

מאיץ הסופר פרוטון סינכרוטרון (SPS - Super Proton Synchrotron) הוא מאיץ חלקיקים, השני בגודלו במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN שבשווייץ. אורכו כ-6.9 ק"מ וכפי ששמו מרמז הוא מסוג סינכרוטרון. המאיץ הוא אחד משרשרת המאיצים ב-CERN ומטרתו הגדלת אנרגיית החלקיקים הנעים בו ולהביאם למהירות הקרובה למהירות האור (99.9998% במקרה זה) ולשלח אותם לשלב האחרון של שרשרת המאיצים (המאיץ הגדול LHC -Large Hadron Collider. ) שבו מתרחש שלב ההתנגשות עם המטרה. המאיצים נבנו בתחילה לשם חקר הקרינה הקוסמית, לאחר שויקטור הס ואחרים גילו שהמקור לחלק מהקרינה על פני כדור הארץ מגיעה מהיקום. התפתחות ענף זה הובילה פיזיקאים לחקור את הקרינה הקוסמית לשם הבנת תכונות החומר הקיים. כתוצאה מהתפתחות זו התגלו יותר ויותר חלקיקים חדשים, אולם כיוון שהפיזיקאים שאפו להחזיק ביכולת לבקר על הניסויים הנערכים ולא להיות תלויים בכיוון ובעוצמה של החלקיקים אותם הם מודדים, הוצע הרעיון לבנות מאיצי חלקיקים שיהוו תחליף לקרניים קוסמיות. בעזרת מאיצים אלו ניתן לשלוט בחלקיקים ובאנרגיה שלהם בזמן ובמקום הרצוי. בעקבות זאת נבנו מאיצים אשר מאיצים את החלקיקים למהירויות גבוהות (והייחוד של ה-LHC הוא האצה למהירות הגבוהה ביותר- קרוב למהירות האור). ההאצה נועדה ליצור התנגשויות בין חלקיקים שונים, בין אם התנגשויות fixed-target - בה המטרה בה פוגעים החלקיקים קבועה או- התנגשות הנובעת מהתנגשות החלקיקים אחד בשני. בכל התנגשות של חלקיקים נוצרת אנרגיה, ומאנרגיה זו נוצרים חלקיקים חדשים. בעזרת גלאיים ניתן לגלות את מאפייניהם של החלקיקים החדשים כגון: מסה, מטען חשמלי, ספין וכו' ובאמצעות נתונים אלו ניתן לקבל הבנה רחבה יותר על העולם, המבנה וההיסטוריה של היקום וחוקי הפיזיקה. מטרת מאיץ זה הוא להכין את החלקיקים לשלב האחרון שבמסלול המאיצים (ההתנגשות), שלב פעולה זו נעשית באמצעות הנעת החלקיקים בתנועה מעגלית, בה משתנה מהירותם בהשפעת שדה חשמלי. השדה החשמלי תורם להגדלת האנרגיה הקינטית של החלקיקים. בנוסף, מופעל שדה המגנטי האחראי לעיקום המסלול של החלקיקים על מנת שלא יצאו ממסלולם (לא יצאו מה"צינור" שבתוכו נעה אלומת החלקיקים המואצת). לאחר הגעה לאנרגיה הקינטית הנדרשת (450 Gev) מופעל שדה מגנטי נוסף המכוון את החלקיקים מחוץ לטבעת לעבר "מטרה" כלשהי (כיום אל עבר מאיץ ההדרונים הגדול LHC אך בעבר גם אל מטרות נייחות). מאיץ הסופר פרוטון סינכרוטון החל לעבוד בשנת 1976 ובתוכו גילו בשנת 1983 את בוזוני W ו-Z. אורכו של המאיץ הוא 6.9 קילומטרים והוא מקבל חלקיקים מה-PS, לאחר מכן, המאיץ שולח את החלקיקים לשלב האחרון במאיץ, ה-LHC. התהליך מתחיל במאיץ הליניארי LINAC2, שם הם מואצים רק על ידי שדה חשמלי. לאחר מכן, הם עוברים מסלול שממשיך ב(Pb (proton booster, הלוא הוא סוג של סינכרוטרון. הם ממשיכים לPS Proton Synchrotron) ולאחר מכן עוברים לשלב האחרון: הLHC ששם מתרחש ההתנגשות המבוקשת. הזמן שלוקח לחלקיקים אלו לעבור מכניסתם למאיץ ועד להתנגשות עומד על 14 דק'. למרות שהוא אינו המאיץ המרכזי כיום, הוא היווה תפקיד משמעותי בפיתוח של הLHC. יתר על כן, הוא התגלה כמכונה רב שימושית בעיקר בגלל איכות העיצוב והבנייה שלו: במשך 40 שנה, סיפק קורות חלקיקים (פרוטונים, ויונים כבדים וחלקיקי נייטרינו) לניסויי יעד קבוע. בנוסף, הוא החדיר חלקיקים אל מאיץ ה- ׁׁLarge Electron-Positron Collide (אנ') או בקיצורו LEPׁ (מאיץ ההתנגשויות הגדול של אלקטרונים בפוזיטרונים) שם מואצים אלקטרונים ופוזיטרונים באנרגיה של 22 GeV . כיום המאיץ הנ"ל משמש להגדלת האנרגיה של החלקיקים מ26 GeV ל-450 GeV. והוא השלב שבא לפני ה-LHC שם מהירותם של החלקיקים נושקת למהירות האור ושם מתרחשות ההתנגשויות בין החלקיקים. מאיץ הסופר פרוטון סינכרוטון פותח על ידי הצוות שהובל על ידי ג'ון אדמס (אנ'), מהנדס ראשי של מה שנקרא אז ("מעבדה 2 או cern 2)".   המאיץ נועד על מנת להגדיל את איכות הניסויים שבוצעו בCERN באותה התקופה, ולכן הוחלט לבנות מאיץ גדול יותר שממנו יואצו חלקיקים אל עבר מטרה קבועה וייצרו התנגשויות. מאוחר יותר במאיץ בוצעו ניסויים בפרוטונים ואנטי פרוטונים ובהם בוצעו התנגשויות בין שתי קבוצות החלקיקים האלו. מאיץ זה היה המאיץ הראשון שחצה גבול בין לאומי והוא חוצה את הגבול בין צרפת לשווייץ. בנייתו של המאיץ החלה בתחילת שנות ה-70 והיה בכלל אמור להיבנות באתר בצרפת, (cern II). אך המפתחים הגיעו למבוי סתום כאשר תשתית הבנייה של המעבדה הובילה בעיות תקציביות. המהנדס הראשי החליט לפתור את הבעיה בכך שהציע שהמאיץ יבנה מתחת לאדמה, דבר שפתר בעיה זו ובניית המאיץ קיבלה אישור. בתחילת דרכו המאיץ הגיע לאנרגיה הפעלה של 300 GeV ולאחר מכן הצליח להגיע אך ל-400 GeV. המאיץ עד כה האיץ מגוון רחב של חלקיקים: הדרונים (חלקיקים תת-אטומים המורכבים מקווארקים, ומקביליהם ההפוכים- אנטי-חלקיקים. הקווארקים מוחזקים יחדיו על ידי גלואונים הנושאים את הכוח הגרעיני החזק), פרוטונים, אנטיפרוטונים, אלקטרונים ופוזיטרונים. בתחילתו בשנת 1976 עד 1981 החלקיקים הואצו בו אל עבר מטרות נייחות אך משנת 1981 עד שנת 1984, התבצעו התנגשויות בין פרוטונים לאנטיפרוטונים ולשם כך נקרא "SppS". בזמן זה התבצעו בו מספר ניסויים אשר הובילו לגילוי בוזוני ה-Z וה-W. גילויים אלו הובילו את קרלו רבינה ואת סימון ון דר מיר לפרס נובל בשנת 1984.  מאוחר יותר מאיץ זה שימש כבוחן תאוריות שונות בפיזיקה של מאיצים. ב-1999 הוא שימש כמצפה עבור תופעת ענן האלקטרונים. ב-2004 בוצעו בו ניסויים שמטרתם הייתה לבטל את ההשפעות מכריעות של התנגשויות בין הקורות (כמו אלו המתרחשות כיום ב-LHC). מדיה וקבצים בנושא סופר פרוטון סינכרוטרון בוויקישיתוף The history of CERN | CERN timelines, timeline.web.cern.ch (באנגלית) (ארכיון) "CERN | European research laboratory". Encyclopedia Britannica (באנגלית). נבדק ב-2017-06-04. מכון דוידסון - סרטוני מדע (2009-12-28), מאיץ החלקיקים הגדול, נבדק ב-2017-06-02 Inside Story: Super Proton Synchrotron turns 40 - CERN Courier, cerncourier.com (באנגלית) ראו כאן