Hur skapas en protonstråle?

En proton är en av atomens byggstenar. Protoner, tillsammans med neutroner och mycket mindre elektroner, utgör de grundläggande elementen. När dessa mikroskopiska partiklar fokuseras i en smal stråle och skjuts i extremt höga hastigheter kallas det en protonstråle. Protonstrålar är extremt användbara saker, både för experimentella fysiker och läkare.

Protoner har en positiv elektrisk laddning. Saker med motsatta laddningar lockar varandra, medan saker med samma laddning stöter bort. Detta är den centrala principen i en partikelaccelerator - maskinen som används för att göra protonstrålar. Protonerna accelereras genom ett rör med elektromagneter. När en proton är bakom magneterna byts magneten till en negativ laddning för att dra protonen mot den. När protonen går förbi magneten växlas laddningen till positiv för att skjuta protonen bort från den, vilket påskyndar den mer. En hel rad protoner i rad gör en protonstråle.

En protonstråle kan gå nästan ljusets hastighet, men det tar en stund att få partiklarna att gå. Ett sätt att göra detta är att använda en stor linjär accelerator. Linjära acceleratorer är massiva saker - upp till 3 mil långa.

Ett annat sätt att göra detta är med en cirkulär accelerator. Cirkelacceleratorer, eller cyklotroner, har ett magnetfält utformat för att böja partikelns bana i en cirkel. En stråle av protoner i en cyklotron snurrar runt och runt tills de får tillräckligt med hastighet. Då kommer de att skjutas ut mot sitt mål.

Protonstrålar har många användbara applikationer. De används ofta i teoretisk fysik. Partikelacceleratorer krossar protoner i andra protoner, liksom neutroner och andra elementära partiklar. När partiklarna kolliderar mäter forskarna de små partiklar som kastas ut från kollisionen. De försöker upptäcka saker om gluoner, kvarkar och andra grundläggande partiklar som utgör protoner.

Protonstrålar används också i strålterapi. Protonerna riktas försiktigt och skjuts mot tumörer, där de skadar deras DNA och dödar cancercellerna. Denna typ av terapi gör mycket lite skada på den omgivande vävnaden. Till skillnad från kirurgi behöver det inte klippas, vilket gör det mycket säkrare och mindre skadligt för vissa typer av tumörer. I synnerhet har protonstrålar varit mycket effektiva vid behandling av vissa typer av ögoncancer. Tidigare måste ögat tas bort för att komma till tumören, men nu kan det riktas mot protonstrålen.