Jak powstaje wiązka protonów?

Proton jest jednym z elementów budulcowych atomu. Podstawowymi pierwiastkami są protony wraz z neutronami i znacznie mniejszymi elektronami. Kiedy te mikroskopijne cząstki są skupiane w wąski promień i wystrzeliwane z bardzo dużą prędkością, nazywa się to wiązką protonów. Wiązki protonowe są niezwykle przydatne, zarówno dla fizyków eksperymentalnych, jak i lekarzy.

Protony mają dodatni ładunek elektryczny. Rzeczy o przeciwnych ładunkach przyciągają się, podczas gdy rzeczy o tym samym ładunku odpychają. Jest to główna zasada działania akceleratora cząstek — maszyny używanej do wytwarzania wiązek protonów. Protony są przyspieszane w rurze przez elektromagnesy. Kiedy proton znajduje się za magnesami, magnes jest przełączany na ładunek ujemny, aby przyciągnąć proton w jego kierunku. Gdy proton przesuwa się obok magnesu, ładunek zmienia się na dodatni, aby odepchnąć proton od niego, jeszcze bardziej go przyspieszając. Cały rząd protonów z rzędu tworzy wiązkę protonów.

Wiązka protonów może poruszać się prawie z prędkością światła, ale rozpędzanie cząstek zajmuje trochę czasu. Jednym ze sposobów na to jest użycie dużego akceleratora liniowego. Akceleratory liniowe to ogromne rzeczy — o długości do 2 mil.

Innym sposobem na to jest akcelerator kołowy. Akceleratory kołowe lub cyklotrony mają pole magnetyczne zaprojektowane do zaginania ścieżki cząstki w kole. Wiązka protonów w cyklotronie będzie się kręcić w kółko, aż osiągną wystarczającą prędkość. Wtedy zostaną wystrzeleni do celu.

Wiązki protonowe mają wiele przydatnych zastosowań. Są często używane w fizyce teoretycznej. Akceleratory cząstek rozbijają protony na inne protony, a także neutrony i inne cząstki elementarne. Kiedy cząstki się zderzają, naukowcy mierzą małe cząstki wyrzucone ze zderzenia. Próbują dowiedzieć się czegoś o gluonach, kwarkach i innych podstawowych cząstkach, z których składają się protony.

Wiązki protonowe są również wykorzystywane w radioterapii. Protony są starannie wycelowane i wystrzeliwane w guzy, gdzie uszkadzają ich DNA i zabijają komórki rakowe. Ten rodzaj terapii powoduje bardzo niewielkie uszkodzenia otaczającej tkanki. W przeciwieństwie do zabiegu chirurgicznego nie wymaga cięcia, dzięki czemu jest znacznie bezpieczniejszy i mniej szkodliwy dla niektórych rodzajów nowotworów. W szczególności wiązki protonów są bardzo skuteczne w leczeniu niektórych rodzajów raka oka. Wcześniej oko musiało zostać usunięte, aby dostać się do guza, ale teraz może być celowane przez wiązkę protonów.