Akcelerator cząstek na orbicie

W pasach radiacyjnych Van Allena odkryto elektrony o ogromnych energiach. Być może oznacza to, że pole magnetyczne Ziemi może być największym znanym nam akceleratorem cząstek elementarnych. 

Wizualizacja sondy Van Allena (NASA) poruszającej się przez pasy radiacyjne. NASA

Akcelerator, czy inaczej przyspieszacz, służy do nadawania ogromnych prędkości – a zatem i energii – cząstkom elementarnym. Cząstki o ładunku elektrycznym, takich jak protony, elektrony czy jony ciężkie, skupia się w wiązkę i nadaje kierunek za pomocą silnego, odpowiednio przyłożonego pola magnetycznego lub elektrycznego. Zastosowania akceleratorów są bardzo różnorodne: od generowania obrazu w monitorach kineskopowych, przez zastosowanie w radioterapii, po badania w zakresie fizyki jądrowej i cząstek elementarnych. W Polsce, przede wszystkim w instytucjach badawczych, zarejestrowane są dziesiątki akceleratorów. Największym z nich jest cyklotron w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów w Warszawie (UW).  

Położenie LHC na granicy szwajcarsko-francuskiej z zaznaczonymi eksperymentami ALICE, ATLAS, LHCb i CMS. https://spectrum.ieee.org/computing/software/analyzing-the-lhc-magnet-quenches

Największym zbudowanym przez człowieka akceleratorem jest Wieki Zderzacz Hadronów (LHC od ang. Large Hadron Collider), znajdujący się na terenie CERN w Genewie, na granicy Szwajcarii i Francji. Jest umieszczony w tunelu o łącznej długości niemal 27 km. Jest nie tylko największym akceleratorem, ale też największą maszyną zbudowaną przez człowieka. 

Okazuje się, że w pobliżu możemy mieć coś jeszcze większego. Pasy radiacyjne Van Allena są obszarami silnego promieniowania korpuskularnego (tzn. promieniowania cząstek) otaczającymi Ziemię. Cząstki pochodzące z promieniowania kosmicznego są tam łapane w pułapkę przez ziemskie pole magnetyczne. Mają one wielkie energie – gdyby przełożyć je na temperaturę, to elektrony w pasach Van Allena byłyby rozgrzane do miliardów stopni Celsjusza. 

Schemat pasów Van Allena w odniesieniu do osi obrotu i osi magnetycznej Ziemi. pl.wikipedia.org

Jak dotąd ogromne energie cząstek w pasach radiacyjnych były przypisywane ich pochodzeniu z promieniowania kosmicznego Ziemi. Ale najnowsze badania sugerują, że elektrony są ekstremalnie przyspieszane w pasach Van Allena, czerpiąc energię z fal plazmy, czyli silnych zaburzeń w lokalnym polu elektrycznym. Doniesienia pochodzą z sondy Van Allena, wysłanej przez NASA w 2012 roku w celu zbadania pasów radiacyjnych. To odkrycie może pomóc naukowcom w zrozumieniu procesów przyspieszających cząstki na Słońcu, w pobliżu innych planet, a nawet w dalekich, niezbadanych zakamarkach Wszechświata, których nie sięgają sondy badawcze.