Kõik fundamentaalosakesed moodustavad ühtse süsteemi, sest nad saavad muunduda kindlate reeglite järgi üksteiseks. Selleks et uurida võimalikult kõiki looduse seadusi ja tundma õppida mateeria, energia ja aegruumi olemust, peame uurima kõiki osakesi. Väike valik neist on kohatav stabiilses aines meie ümber. Suurem osa, üldiselt suurema massiga osakesed, on aga ebapüsivad ja seepärast neid looduses ei leidu. Need tuleb meil „vaakumist välja kutsuda”.
- Kuidas seda tehakse?
Kiirendid
Osakestega katsetamiseks tuleb käepäraseid kergemaid osakesi paarikaupa kokku viia (osakeste väiksuse ja suurte liikumiskiiruste tõttu on kolme ja enama osakese üheaegne kohtumine praktiliselt võimatu) ja anda neile nii palju kineetilist energiat, et saaksime vajaliku lisamassi vastavalt energia ja massi ekvivalentsuse seosele E = mc2.
Kiirendamisel korvatakse massi puudujääk kineetilise energiaga.
Need energiad on sageli väga suured. Näiteks nõrga vastastikmõju vaheosakese Z0 seisumass ületab prootoni massi umbes sada korda. Seetõttu tuleb ühe Z0 tekitamiseks põrgatada kokku kaks prootonit, mille kineetiline mass ületab seisumassi vähemalt 50-kordselt, tegelikult veelgi rohkem, sest Z0 ei teki kunagi üksi. Kuigi see energia on ainult miljondik džauli, on see suhteliselt erakordselt suur. Me nimetame sellist energiat ülirelativistlikuks. Reaalse keha osakestel on, sõltumata temperatuurist, sellise energia omamine mõeldamatu. Seepärast nimetatakse tänapäevast osakeste füüsikat ka kõrgete energiate füüsikaks.
Kiirendatakse laetud stabiilseid osakesi – elektrone ja prootoneid, vahel ka nende antiosakesi – positrone ja antiprootoneid. Saab ju ainult elektrilaengut elektriväljaga kiirendada. Kiirendamine toimub kõrgvaakumis, kus pole segavaid õhuosakesi. Seepärast on kiirendi põhiosaks pikk õhutühi toru, umbes 10 cm läbimõõduga. Suuremate energiate saamiseks juhitakse osakesed läbi mitme kiirendi, sest raske on ehitada ühtset kiirendit laia energiapiirkonna jaoks.
Kõik tänapäevased suured kiirendid on ehitatud kollaideritena, s.o sellistena, kus põrkuvad vastamisi kaks kiirendatud osakeste kimpu. Sel juhul on reaktsioonis vabanev energia umbes tuhat korda suurem kui põrkamisel vastu paigalseisvat märklauda.
Kuidas kiirendi töötab
Laetud osakesi kiirendatakse elektriväljaga.
Osakesed tekitatakse gaaslahenduse abil. Kiirendamine toimub tugevas elektriväljas. Kuna alalispinge reaalsed väärtused on piiratud, siis lülitatakse vajalik pinge kiire teele korduvalt parajasti siis, kui osakeste kimp läbib vastavat piirkonda. Moodne meetod on kiirendada osakesi kõrgsagedusväljas nii, et osakesed nagu ratsutaksid laine turjal seal, kus neile mõjub kiirendav väli. Laine ise on suletud järjestikuste kera-õõnsuste, nn resonaatorite süsteemi.
Kiirendites koondatakse, kallutatakse ja kiirendatakse osakesi.
Teiseks kuuluvad kiirendi juurde osakesi kooshoidvad magnetläätsed. Nende puudumisel eemalduksid ühenimeliselt laetud osakesed üksteisest ja kiir hajuks. Magnetläätsed toimivad nii nagu koondavad läätsed optikas. Konstruktsioonilt on nad eriliste neljapooluseliste elektromagnetite paarid, mida kiir üksteise järel läbib.
Selleks, et anda osakestele küllalt suuri energiaid, peavad kiirendid olema väga pikad. Stanfordis USA-s asub näiteks kiirendi, mille pikkus on 1,5 km. Enamik suuri kiirendeid on ehitatud siiski ringikujulistena. Nii saavad osakesed läbida korduvalt samu resonaatoreid. Sirgeid kiirendeid nimetatakse lineaarkiirenditeks, ringikujulisi aga tsüklilisteks kiirenditeks. Kiirete osakeste trajektooride painutamine kõverjoonelisteks vajab väga tugevaid magnetvälju. Viimasel ajal kasutatakse rohkem ülijuhtmagneteid, mis võimaldavad kümme korda tugevamaid magnetvälju kui vaskjuhtmete ja raudsüdamikega magnetid.
Sellest hoolimata on võimsamad tsüklilised kiirendid väga suured. Šveitsi ja Prantsusmaa piiril Euroopa Tuumauuringute Keskuses CERN asub maa-aluses ringikujulises tunnelis tugevale vastastikmõjule alluvate osakeste (nn hadronite) kiirendi LHC (Large Hadron Collider). See maailma suurim kiirendi suudab anda prootonitele valguse kiiruse lähedase kiiruse (erinevus on ainult 0,00001%). Tema tunneli pikkus on 26,7 km. Varem, aastatel 1989–2000, töötas samas tunnelis elektronide ja positronide kiirendi LEP. LHC projekti on mitmete riikide poolt ette valmistatud üle 20 aasta ja sellega seoses on tehtud suuri kulutusi. Selle uue võimsa kiirendi abil loodetakse saada vastuseid aine ehituse põhiküsimustele ja andmeid universumi tekke kohta. Üheks põhieesmärgiks oli hüpoteetilise (teoreetiliselt ette ennustatud, kuid eksperimentaalselt avastamata) osakese – nn Higgsi osakese kindlakstegemine, mis õnnestuski 2012. a.
