شتاب دهنده ذرات زیر اتمی چگونه کار می‌کند و چگونه اختراع شد؟
رادرفورد با بمباران اتمهای طلا توسط ذرات آلفا توانست از وجود هسته اتم پرده بردارد. علاوه بر آن بمباران هسته اتم‌ها توسط ذرات آلفا به اکتشافات مهم دیگری نظیر کشف پروتون و کشف نوترون هم منجر شد.
در واقع تا اوایل دهه ۳۰ میلادی این روش یعنی استفاده از ذرات آلفابرای نفوذ به قلب اتم عملا تنها راه موجود برای فیزیکدان هاجهت کاوش هسته اتمی بود؛ اما بمباران هسته‌های اتمی توسط ذرات آلفامحدودیت‌هایی هم دارد که مهم‌ترین آنها محدود بودن انرژی ذرات آلفای گسیل شده از مواد پرتوزا و رادیواکتیو بود. به همین دلیل هم فیزیکدان‌ها در آن دوران به فکر ساختن شتاب دهنده‌هایی افتادند که با شتاب دادن به ذراتی نظیر پروتونها، آنها را به انرژی‌های بسیار بالا رسانده و با پرتاب آنها به سوی هسته‌های اتمی، امکان عبور از سد پتانسیل هسته اتم و نفوذ به اعماق آن را برای این ذرات فراهم کنند.
اما شتاب دادن ذرات باردار تا انرژی‌های بالا نیازمند ایجاد میدان‌های الکتریکی و ولتاژهای فوق العاده بالایی فراتر از چند میلیون ولت بود و فناوری ایجاد و ثابت نگاه داشتن چنین ولتاژهایی در آن زمان هنوز وجود نداشت. به همین دلیل هم بعضی دانشمندان در آن دوران کار روی ایده‌های عجیب و غریبی نظیر استفاده از صاعقه و … را برای ایجاد ولتاژهای بسیار بالا آغاز کردند اما همگی آن طرح‌ها با شکست مواجه شدند و حتی برخی پژوهشگران حین انجام چنین تحقیقاتی به علت برق گرفتگی جان خود را هم از دست دادند. اما سرانجام در سال ۱۹۳۲ دو فیزیکدان انگلیسی به نامهای جان کا کرافت و ارنست والتون موفق شدند با ایده بدیعی برای نخستین بار به ولتاژ ثابتی نزدیک به یک میلیون ولت دست پیدا کنند.
دستگاه شتاب دهنده کا کرافت والتون به کمک یک مبدل ولتاژ جریان متناوب و مجموعه‌ای از خازن‌ها برای یک سو کردن ولتاژ مزبور قادر بود پروتونهارا با عبور دادن از این اختلاف پتانسیل الکتریکی یک میلیون ولتی شتاب داده و سپس آنها را با انرژی بسیار بالایی به سوی هسته اتمهای هدف پرتاب کند. این دو فیزیکدان در همان سال به کمک دستگاه شتاب دهنده خود و با هدف قرار دادن و بمباران هسته‌های اتم لیتیوم توسط پروتون‌های پرانرژی موفق شدند نخستین واکنش هسته‌ای مصنوعی حاصل از برخورد پروتونها با هسته‌های اتمی را ایجاد کنند. چند ماه بعد در همان سال یک فیزیکدان آمریکایی به نام رابرت وندوگراف موفق شد نوعی دستگاه مولد ولتاژ مستقیم بسازد که می‌توانست با ایجاد یک ولتاژ ۱۰ میلیون ولتی، انرژی پروتونها را به بیش از ۱۰ برابر انرژی حاصل از شتاب دهنده کاکرافت والتون برساند.
سرانجام باز هم در همان سال فیزیکدان دیگری به نام ارنست لاورنس از دانشگاه برکلی آمریکا توانست با ایجاد تغییراتی اساسی در طرح شتاب دهنده‌ها، نخستین دستگاه شتاب دهنده دایروی جهان را بسازد. در این شتاب دهنده که اصطلاحاسیکلوترون نامیده شد، پروتونها با اعمال یک میدان مغناطیسی قوی به جای یک مسیر مستقیم در یک مسیر حلقوی حرکت کرده وحین پیمودن این مسیر حلقوی به واسطه حرکت مکرر مابین دو الکترودنیم استوانه‌ای با ولتاژ بالا، بارها و بارها انرژی گرفته و در نهایت با انرژی بسیار بالایی از دستگاه شتاب دهنده به بیرون پرتاب می‌شدند ساخته شدن این شتاب دهنده‌ها و تکامل آنها طی سال‌های بعد دستیابی به باریکه‌های بسیار پرانرژی ذرات را برای بشر ممکن کرد و به نوبه خود به پیشرفتهای فوق العاده‌ای در فیزیک هسته‌ای و فیزیک ذرات منجر شد؛ پیشرفتهایی نظیر کشف انواع ذرات زیر اتمی و ذرات بنیادین تشکیل دهنده آنها، کشف هسته‌های اتمی فرا اورانیوم، کشف وحدت نیروهای بنیادین الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف و غیره. کشف ذره هیگز و مشخص شدن منشأ جرم در جهان نیز تازه‌ترین این سلسله اکتشافات است که همین سال گذشته و با کمک قوی‌ترین شتاب دهنده حال حاضر جهان یعنی شتاب دهنده عظیم LHC در آزمایشگاه بین المللی فیزیک ذرات بنیادی (CERN) صورت گرفت.
