מאיצי חלקיקים

מכיוון שהכוחות פועלים רק על חלקיקים טעונים, המטען הוא תנאי להאצה. יש מאיצים קוויים (ליניאריים), שההאצה נעשית בהם לאורך קו ישר. במאיץ ון דה גרף נע החלקיק בהשפעת מתח גבוה שנוצר בין נקודת מוצאו לבין היעד ע"י מחולל ון דה גרף. במאיצים ליניאריים אחרים, ההאצה מורכבת מסדרת האצות רצופות. חסרונה של שיטה זו בכך שיש גבול מעשי לגודלו של מאיץ מסוג זה. הגדול בעולם, מאיץ SLAC שבאוניברסיטת סטנפורד בארה"ב, אורכו 3.2 ק"מ, והוא מגיע לאנרגיה של 50 גא"ו (גיגא-אלקטרון-וולט).

לשם האצה במסלולים ארוכים יותר, משתמשים במאיצים מעגליים; אלה ידועים בשמות ציקלוטרון, ביתאטרון וסינכרוטרון. הגדולים ביותר מסוג זה הם המאיץ שקוטרו 27 ק"מ במתקן צר"ן האירופי בשווייץ (1 טא"ו [טרא-אלקטרון-וולט]), ובמעבדת פרמי ליד שיקגו בארה"ב (1.8 טא"ו). שני אלה הם מהסוג הקרוי טוואטרון - סינכרוטרון בעל רמת אנרגיה גבוהה, המושגת עקב התנגשויות בין אלומות חלקיקים שהואצו למהירויות גבוהות מאוד בכיוונים מנוגדים. תוכניות להקמת מאיץ אדיר עוד יותר בארה"ב, שנקרא SSC, בוטלו ב-1997 מחמת קשיים תקציביים.

למאיצים תפקיד חשוב במחקר המדעי. החלקיקים המואצים, אחרי שצברו מהירות גבוהה מאוד, משוגרים לעבר "מטרות" בתום ההאצה; הדרך המסוימת שבה נעשה הדבר תלויה בסוג המאיץ ובמבנהו. מאיצי חלקיקים רבים מטיחים את החלקיקים המואצים במטרה נייחת, אך בחלקם ה"מטרה" היא אלומת חלקיקים שהואצה בכיוון הפוך, ואנרגיית ההתנגשות במקרים אלה גבוהה ביותר. בכל המקרים, תוצאות המפגש הן על פי רוב התפוררות החומר הפוגע והחומר הנפגע לחלקיקים המרכיבים אותם. ההתנגשויות מתחוללות בתוך מערכת משוכללת של גלאים, כגון תא ערפל והתקנים דומים, ואפשר ללמוד מהן על הקליע ועל המטרה. לפי תורת היחסות הפרטית, זמן קיומו של חלקיק קצר-חיים שנע במהירות קרובה למהירות האור ("מהירות יחסותית") ארוך מזמן קיומו של אותו חלקיק עצמו כשהוא נע לאט יותר. הודות לכך ניתן לחקור במאיצים חלקיקים שבתנאים רגילים מתקיימים רק מיליוניות השנייה, או אף הרבה פחות מזה.

חקר חלקיקי היסוד יכול להתקדם רק ע"י תצפיות באירועים שמתרחשים באנרגיות יותר ויותר גבוהות, ומכאן חיוניותם של מאיצי החלקיקים להמשך התפתחותו של תחום זה וליישוב הבעיות שהוא עוסק בהן כיום. אך בנייתם של מאיצי חלקיקים רבי-עוצמה היא עניין יקר מאוד (השקעה של מיליארדי דולרים, והוצאות תפעול של מיליונים רבים בשנה). לכן עתיד הפיסיקה של האנרגיות הגבוהות תלוי במידה רבה בפוליטיקה: האם יצליחו המדענים לשכנע את ממשלותיהם - מדובר בעיקר בארה"ב ובאיחוד האירופי - בכדאיות המימון?