Akselerator Partikel: Memahami Mesin yang Mendorong Batas Fisika

Akselerator Partikel

Istilah akselerator atau pemercepat dalam ilmu fisika merujuk pada alat yang mampu meningkatkan kecepatan partikel untuk menghasilkan energi kinetik yang sangat besar, sehingga partikel tersebut dapat menumbuk atom target. Sampai awal tahun 1950-an, satu-satunya sumber partikel berenergi tinggi adalah sinar kosmik, yang telah menghasilkan penemuan penting seperti positron dan pion. Saat ini, berbagai mesin telah dikembangkan untuk mempercepat partikel hingga panjang gelombang yang lebih kecil dari jari-jari hadron, sekitar 10^-15 meter, memerlukan momentum yang sangat tinggi.

Cara Kerja Akselerator Partikel

Akselerator partikel bekerja berdasarkan interaksi partikel bermuatan dalam medan elektromagnet. Proses ini dimulai ketika partikel bermuatan dihasilkan dalam sumber pembangkit partikel atau injektor, sebelum dipercepat lebih lanjut oleh medan elektromagnet. Partikel bermuatan, seperti elektron, proton, inti atom, dan antipartikelnya, dapat dipercepat karena interaksi elektromagnetiknya dan sifatnya yang stabil terhadap peluruhan dengan waktu hidup yang lama.

Akselerator mempercepat partikel bermuatan menggunakan medan listrik yang tinggi, yang menarik atau menolak partikel. Medan listrik ini kemudian bergerak, mendorong partikel untuk bergerak dan terus dipercepat. Lingkungan di dalam akselerator harus berupa ruang hampa untuk mencegah partikel bertumbukan dengan molekul udara atau debu, yang dapat mengganggu pergerakan partikel. Partikel disuntikkan ke dalam "jalur berkas" yang merupakan pipa dengan tekanan udara sangat rendah. Serangkaian elektromagnet berfungsi untuk mengarahkan dan memfokuskan berkas partikel tersebut.

Jenis-Jenis Akselerator Partikel

Secara umum, ada dua kelas dasar akselerator: akselerator elektrostatis dan akselerator elektrodinamis (elektromagnetik).

Akselerator Elektrostatis:

Jenis akselerator ini menggunakan medan listrik statis untuk mempercepat partikel. Contohnya termasuk generator Cockcroft-Walton dan generator Van de Graaff. Tabung katode, seperti yang ditemukan pada televisi lama, adalah contoh skala kecil dari kelas ini. Energi kinetik yang dapat dicapai dalam perangkat ini dibatasi oleh tegangan percepatan dan potensi kerusakan listrik. Meskipun sederhana, akselerator ini lebih cocok untuk studi energi rendah karena keterbatasan tegangan.

Akselerator Elektrodinamis (Elektromagnetik):

Akselerator ini menggunakan medan elektromagnetik yang berubah-ubah, baik melalui induksi magnetik atau medan frekuensi radio (RF) yang berosilasi. Karena partikel dapat melewati medan percepatan yang sama berkali-kali, energi keluaran tidak dibatasi oleh kekuatan medan percepatan. Kelas akselerator ini, yang mulai dikembangkan pada tahun 1920-an, menjadi dasar bagi sebagian besar akselerator berskala besar modern.

Beberapa jenis akselerator elektrodinamis meliputi:

1. Akselerator Linier (Linac): Partikel dipercepat dalam lintasan lurus. Linac membutuhkan banyak kavitas RF dan lintasan yang panjang. Linac modern menggunakan serangkaian pelat atau tabung hanyut yang dialiri medan energi tinggi bolak-balik. Linac terpanjang di dunia adalah Stanford Linear Accelerator (SLAC) sepanjang 3 km. Linac juga sering digunakan untuk memberikan dorongan energi awal sebelum partikel disuntikkan ke akselerator melingkar.
2. Akselerator Melingkar: Partikel bergerak dalam lingkaran, secara terus-menerus mendapatkan kecepatan. Keuntungan akselerator melingkar dibandingkan linier adalah topologi cincin memungkinkan percepatan berkelanjutan, karena partikel dapat melintas tanpa batas. Akselerator melingkar juga cenderung lebih kecil secara keseluruhan dibandingkan linier dengan kekuatan yang sebanding. Namun, partikel yang bergerak dalam lingkaran memancarkan radiasi sinkrotron.

• Siklotron: Ditemukan pada tahun 1929 oleh Ernest Lawrence. Siklotron memiliki sepasang pelat berbentuk D berongga untuk mempercepat partikel dan satu magnet dipol besar untuk membengkokkan lintasannya menjadi orbit melingkar. Partikel disuntikkan di pusat magnet dan diekstraksi di tepi luar pada energi maksimum. Siklotron mencapai batas energi karena efek relativistik yang menyebabkan partikel menjadi lebih masif, sehingga frekuensi siklotronnya tidak sinkron dengan RF percepatan.
• Sinkrosiklotron dan Siklotron Isochronous: Ini adalah modifikasi dari siklotron untuk mengatasi efek relativistik. Sinkrosiklotron menggunakan medan magnet konstan tetapi mengurangi frekuensi medan percepatan untuk menjaga partikel tetap sinkron. Siklotron isochronous menjaga frekuensi medan percepatan konstan dengan membentuk kutub magnet untuk meningkatkan medan magnet seiring dengan radius.
• Sinkrotron: Untuk mencapai energi yang lebih tinggi, diperlukan sinkrotron di mana partikel dipercepat dalam cincin dengan radius konstan. Medan magnet ditingkatkan secara proporsional untuk mempertahankan kelengkungan orbit yang konstan. Sinkrotron beroperasi secara siklis, memasok partikel dalam kelompok-kelompok. Sinkrotron modern memisahkan fungsi pembengkokan berkas (oleh magnet dipol), pemfokusan berkas (oleh magnet kuadrupol), dan percepatan (oleh bagian RF terpisah). Contoh akselerator kompleks ini adalah Tevatron dan Large Hadron Collider (LHC).
• Akselerator Induksi Magnetik: Mempercepat partikel dengan induksi dari medan magnet yang meningkat, seperti partikel menjadi kumparan sekunder dalam transformator. Jenis ini bisa linear (Linear Induction Accelerator, ditemukan oleh Christofilos) atau melingkar (Betatron, ditemukan oleh Donald Kerst).
• Akselerator Gradien Bergantian Medan Tetap (FFA): Menggunakan medan magnet yang tetap dalam waktu tetapi memiliki variasi radial untuk mencapai pemfokusan yang kuat, memungkinkan percepatan berkas dengan tingkat pengulangan tinggi.
• Rhodotron: Akselerator elektron industri yang mengedarkan kembali elektron melintasi diameter kavitas frekuensi radio berbentuk silinder.

Aplikasi Akselerator Partikel

Akselerator partikel memiliki berbagai aplikasi yang luas dalam ilmu pengetahuan, kedokteran, dan industri:

• Penelitian Ilmiah: 
• Fisika Partikel: Akselerator digunakan untuk mempercepat partikel hingga mendekati kecepatan cahaya dan menumbukkannya untuk mempelajari partikel-partikel tersebut dan gaya-gaya yang membentuknya. Ini membantu para ilmuwan memahami apa yang menyatukan atom, inti atom, dan nukleon, serta dunia partikel seperti Higgs boson dan fisika kuantum.
• Fisika Nuklir dan Produksi Isotop: Digunakan untuk menyelidiki struktur, interaksi, dan sifat inti atom, serta kondisi materi pada suhu dan kepadatan ekstrem, seperti yang mungkin terjadi pada saat-saat pertama Big Bang. Akselerator juga dapat menghasilkan isotop medis atau penelitian yang kaya proton.
• Sumber Radiasi Sinkrotron: Elektron yang bergerak melalui medan magnet memancarkan berkas foton yang sangat terang dan koheren melalui radiasi sinkrotron. Ini berguna dalam studi struktur atom, kimia, fisika benda terkondensasi, biologi, dan teknologi. Laser elektron bebas (FEL) adalah kelas sumber cahaya khusus yang menyediakan pulsa yang lebih pendek dengan koherensi temporal yang lebih tinggi.
• Kesehatan:
• Pengobatan Kanker: Akselerator dapat menghasilkan sinar radiasi yang akurat untuk membunuh sel kanker tanpa merusak jaringan sehat.
• Pencitraan Medis: Digunakan dalam CT scan dan PET scan untuk deteksi penyakit.
• Produksi Radioisotop: Siklotron menghasilkan berkas proton atau deuteron untuk penggunaan medis, memproduksi radioisotop yang digunakan untuk pencitraan medis dalam mendiagnosis dan mengobati kanker. BRIN di Indonesia memiliki akselerator Siklotron DECY-13 untuk produksi radioisotop F-18.
• Sterilisasi Peralatan Medis: Berkas elektron digunakan untuk sterilisasi.
• Pengembangan Obat: Akselerator besar juga digunakan untuk mengungkapkan struktur protein dan virus, serta mengoptimalkan vaksin dan obat baru.

• Industri dan Keamanan Pangan:
• Manufaktur Semikonduktor: Ion implanters digunakan untuk membuat bahan lebih tahan terhadap kerusakan. Sekitar 12.000 ion implanters di seluruh dunia membantu fabrikasi semikonduktor untuk ponsel dan panel surya.
• Pengerasan Permukaan: Digunakan dalam finishing logam, keramik, dan kaca untuk mengeraskan permukaan, membuatnya lebih tahan lama dan meningkatkan umurnya.
• Sterilisasi dan Pengolahan Pangan: Meningkatkan keamanan makanan dengan iradiasi, membasmi patogen, dan memperpanjang umur simpan produk. Berkas elektron juga digunakan untuk desinfeksi air limbah.
• Uji Material: Digunakan untuk menguji material dan membuat material lebih tahan lama dalam suhu ekstrem atau tahan terhadap bahan kimia. Aplikasi luas di industri otomotif dan kedirgantaraan, konstruksi mesin, dan produsen produk medis.
• Analisis Kimia: Membantu mendeteksi polusi melalui analisis kimia lingkungan.
• Aplikasi Sehari-hari:
• Televisi CRT (Cathode Ray Tube): Monitor cembung atau tabung yang menggunakan teknologi radiasi magnetik dan elektromagnetik.
• Generator Sinar-X: Menggunakan akselerator berenergi rendah.

Komponen utama akselerator partikel meliputi sumber partikel bermuatan, perangkat untuk menambah energi partikel menggunakan medan listrik statis atau berosilasi, serangkaian tabung logam dalam ruang hampa agar partikel dapat bergerak bebas tanpa bertumbukan, dan sistem elektromagnet untuk mengarahkan serta memfokuskan berkas partikel.

Akselerator Tingkat Lanjut dan Isu Keselamatan

Konsep akselerator canggih mencakup metode percepatan berkas dengan gradien di luar kemampuan fasilitas operasional saat ini. Ini termasuk percepatan plasma wakefield, di mana pulsa elektron atau laser yang pendek mengganggu plasma, menyebabkan partikel bermuatan dalam plasma terintegrasi dan bergerak ke belakang kelompok partikel yang dipercepat, mentransfer energi. Gradien energi setinggi 200 GeV/m telah dicapai menggunakan pulser laser. Akselerator laser dielektrik juga menunjukkan gradien percepatan elektron yang tinggi.

Pengoperasian fasilitas akselerator menimbulkan tantangan keselamatan karena penggunaan teknologi canggih seperti superkonduktivitas, kriogenik, penguat frekuensi radio bertenaga tinggi, serta keberadaan radiasi pengion. Operator akselerator mengontrol operasi, menyesuaikan parameter, dan berkoordinasi dengan personel pemeliharaan.

Di masa depan, kemungkinan produksi lubang hitam pada akselerator berenergi tertinggi dapat muncul jika prediksi tertentu dari teori superstring akurat. Namun, penilaian risiko terbaru oleh LHC Safety Assessment Group menyatakan "tidak ada bahaya yang dapat dibayangkan" dari skenario semacam itu, dan secara teoritis lubang hitam kecil akan menguap dengan sangat cepat.

Sejarah akselerator partikel mencakup penemuan dan pembangunan akselerator linier partikel operasional pertama, betatron, dan siklotron oleh para pionir seperti Rolf Widerøe, Gustaf Ising, Leo Szilard, Max Steenbeck, dan Ernest Lawrence. Akselerator besar seperti Cosmotron, Bevatron, Alternating Gradient Synchrotron (AGS), Proton Synchrotron, Tevatron, LEP, dan Large Hadron Collider (LHC) telah menandai kemajuan signifikan dalam penelitian fisika partikel.