m. (-s), toestel om geladen elementaire deeltjes of ionen te versnellen.
(e) Versnellers behoren tot de belangrijkste instrumenten waar natuurkundigen gebruik van maken bij het bestuderen van materie op subatomaire schaal, d.w.z. op de schaal van atoomkernen, kerndeeltjes en substructuren daarvan (elementaire deeltjes). Een versneller verschaft de onderzoeker een bundel van geladen deeltjes, b.v. protonen, elektronen of ionen, waarvan de energie kan liggen tussen een 'tiental MeV (mega-elektronvolt) en vele honderden GeV (giga-elektronvolt), afhankelijk van het type instrument (zie Vandegraaff-generator, cyclotron, synchrotron, lineaire versneller). Traditioneel laat men de bundel deeltjes op een trefplaat vallen. Bij botsing met deeltjes in de trefplaat zullen nieuwe toestanden (nieuwe deeltjes) worden geproduceerd, die informatie verschaffen over de desbetreffende subatomaire structuur.
Bij het subatomaire onderzoek geldt dat de energie van de versnelde deeltjes hoger moet zijn naarmate de te bestuderen structuur kleiner is.
Dit verklaart de naam hoge-energiefysica (zie aldaar) voor het onderzoek van elementaire deeltjes. Het nadeel van bovengenoemde opstelling met een trefplaat is dat daarbij de beschikbare energie juist erg inefficiënt wordt gebruikt: de meeste energie wordt bij een botsing niet gebruikt voor de produktie van nieuwe toestanden, maar gaat verloren in de vorm van bewegingsenergie. Uit de wet van behoud van impuls volgt nl. dat de totale impuls vóór en na de botsing gelijk moet zijn. In het geval van het zgn. superprotonsynchrotron (SPS) van het CERN te Genève, wordt b.v. van de 400 GeV energie van een proton uit de bundel, bij botsing met een proton in de trefplaat, slechts 28 GeV gebruikt voor het maken van nieuwe toestanden. Zou men hiervoor 400 GeV beschikbaar willen hebben, dan zou een versneller nodig zijn van 80 000 GeV. Er is dus een ander principe nodig om hoge energieën over te kunnen dragen in een botsing, d.w.z. om de kleinste structuren te kunnen onderzoeken. De traditionele opstelling waarin een bundel op een trefplaat valt, moet verlaten worden.
Uit de wet van behoud van impuls volgt ook dat er geen energie verloren gaat in de vorm van bewegingsenergie, indien de totale impuls vóór de botsing gelijk aan nul is. Dit kan bereikt worden door twee bundels deeltjes met gelijke impuls tegen elkaar in te laten lopen. De gelijke maar tegengesteld gerichte impulsen tellen dan vectorieel op tot nul. In 1971 is in het CERN een instrument in gebruik genomen, dat bestaat uit twee opslagringen die elkaar op acht plaatsen snijden onder een kleine hoek (de zgn. intersecting storage rings, ISR). In deze ringen kunnen door middel van magneten en focusseringselementen protonen in een bij benadering cirkelvormige baan worden gehouden. De ringen worden gevuld met 26 GeV protonen uit het protonsynchrotron.
De protonen worden in de opslagringen naversneld tot maximaal 31 GeV. Bij de snijpunten van de ringen kunnen de protonen op elkaar botsen. De voor de produktie van nieuwe toestanden beschikbare energie is dan 2 x 31 GeV. Deze energie is ruim tweemaal zo hoog als die bereikbaar is volgens de traditionele methode met het 400 GeV SPS. Het nadeel van opslagringen is dat de botsingskans veel kleiner is dan in het geval van de traditionele opstelling. Als de twee protonenbundels van de ISR elkaar snijden, dan vinden daarbij per seconde 10000 maal minder botsingen plaats dan wanneer de 400 GeV protonenbundel van het SPS op een trefplaat valt.
Men zal bij een bepaald onderzoek moeten afwegen of men liever een hogere energie of een groter aantal botsingen heeft. Doordat bij de ISR protonen tegen elkaar inlopen, heeft men twee elkaar snijdende opslagringen nodig. Gebruikt men deeltjes en antideeltjes, zoals elektronen en positronen, dan kan met één opslagring worden volstaan. Doordat de deeltjes en antideeltjes een tegengestelde elektrische lading hebben, kunnen ze namelijk bij een tegengesteld gerichte beweging door dezelfde afbuigmagneten in dezelfde cirkelbaan worden gehouden. In de praktijk laat men de bundels vlak naast elkaar lopen en elkaar op enkele plaatsen snijden, zodat de meetapparatuur op die enkele plaatsen geconcentreerd kan worden. Er zijn twee grote elektron-positron opslagringen in bedrijf, die werken volgens het geschetste principe.
In Hamburg is sinds 1978 een opslagring in gebruik die elektronen en positronen elk een energie van maximaal 23 GeV kan geven (PETRA, Positron Elektron Tandem Ringanlage; diameter 700 m). Met behulp van een synchrotron wordt de ring gevuld met elektronen en positronen van 6 GeV. De andere grote ring, die in 1980 in gebruik is genomen, bevindt zich in Stanford, Califomië (PEP, Positron Electron Project; diameter 700 m). Deze ring heeft een wat lager energiebereik dan de PETRA. Op het CERN wordt momenteel gewerkt aan de constructie van een zeer grote opslagring (LEP, Large Electron-Positron storage ring; diameter 8 km). In deze ring zullen elektronen en positronen in eerste instantie elk een energie krijgen van maximaal 50 GeV.
Later zal deze waarde worden verdubbeld. Men verwacht de LEP in 1989 in gebruik te kunnen nemen.
Naast positron en elektron vormen proton en antiproton de enige andere combinatie van een stabiel deeltje met zijn antideeltje die in aanmerking komt voor gebruik in een opslagring. Het probleem van deze combinatie is dat men een voldoende intense antiprotonenbundel moet kunnen maken. Antiprotonen ontstaan, te zamen met vele andere deeltjes, als men een bundel hoog-energetische protonen op een trefplaat laat vallen. Men kan de antiprotonen met behulp van magneetvelden van de andere deeltjes scheiden. De antiprotonen hebben dan echter een grote ruimtelijke spreiding en zeer uiteenlopende energieën en ze kunnen niet zonder meer verder worden versneld. De bij het CERN werkende Ned. natuurkundig ingenieur S.van der Meer heeft een oplossing voor dit probleem gevonden.
De antiprotonen worden eerst in een kleine opslagring opgeslagen, vlak achter de plaats van produktie. In deze ring wordt op een bepaalde plaats de verdeling van de antiprotonen gemeten. De verkregen informatie wordt zeer snel verwerkt tot een signaal dat bij een soort zender verderop in de ring aankomt, precies op het moment waarop ook de antiprotonen waaraan is gemeten daar aankomen. Via de zender krijgen de antiprotonen een zodanige duw, dat ruimte- en energiespreiding beide afnemen. Men noemt dit proces stochastische koeling. Gebruikmakend van dit mechanisme is men er op het CERN in geslaagd het SPS te gebruiken als een proton-antiproton opslagring met voldoende intensiteit van beide deeltjes om experimenten te kunnen doen. Het protonsynchrotron versnelt protonen tot 26 GeV.
Deze worden óf in het SPS gestuurd óf op een trefplaat. De uit de trefplaat komende antiprotonen worden in een kleine opslagring, de antiprotonen accumulator (AA), gekoeld. Als een voldoende aantal antiprotonen beschikbaar is, worden ze in het protonsynchrotron versneld tot 26 GeV en vervolgens eveneens in het SPS geïnjecteerd. Hierna vindt versnelling van protonen en antiprotonen plaats tot 270 GeV. Zo komt een energie van 540 GeV beschikbaar voor het maken van nieuwe toestanden. In 1981 zijn de experimenten gestart, in 1983 werd de ontdekking van de zgn. W+,W en Z bosonen bekend gemaakt (zie hoge-energie fysica), zie ijktheorie) en in 1984 kregen Van der Meer en de leider van de groep die deze bosonen ontdekte, de Italiaan Carlo Rubbia, samen de Nobelprijs voor natuurkunde.
Naast de genoemde opslagringen zijn in aanbouw een 50+50 GeV elektron-positron versneller in Stanford (SLC, Stanford linear collider; operationeel in 1987), een 1000+1000 GeV proton-antiproton opslagring in Chicago (Tevatron; operationeel in 1986) en een 820 GeV proton- + 30 GeV elektronversneller in Hamburg (HERA, Hadron Elektron Ringanlage; operationeel in 1990).
