เครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator) ให้พลังงานแก่อนุภาคที่มีประจุ (charge) ด้วยแรงทางไฟฟ้า โดยมีทั้งเครื่องแบบตรง เรียกว่า linear accelerator (linac) และแบบโค้ง (circular accelerator) ในที่นี้เราจะมาพูดถึงเครื่องชนิดที่เรียกว่าซิงโครตรอน ซึ่งเป็นเครื่องแบบโค้งแบบหนึ่ง
เครื่องเร่งที่สามารถให้พลังงานที่สูงที่สุดกับอนุภาคในปัจจุบันนั้น เป็นเครื่องแบบซิงโครตรอน (synchrotron) ภายในซิงโครตรอนนั้น จะมีอนุภาควิ่งเป็นวงโค้ง เนื่องด้วยการใช้แม่เหล็กจำนวนมากซึ่งวางอยู่เป็นระยะๆ ตลอดแนวเครื่องเร่ง มาสร้างแรงแม่เหล็ก (F = q v B) ให้แก่อนุภาค โดยหลักๆแล้วจะมีแม่เหล็กแบบสองขั้ว (dipole) ใช้ในการปรับทิศทาง และ แบบสี่ขั้ว (quadrupole) สำหรับบีบ (focus) ลำอนุภาค นอกจากนี้ยังมีแม่เหล็กย่อยๆ ซึ่งต้องมาช่วยให้อนุภาควิ่งไปตามทางที่เราต้องการ
รัศมีความโค้ง (radius of curvature) ของอนุภาคในซิงโครตรอนจะมีค่าคงที่ เพราะว่าสนามแม่เหล็กของซิงโครตรอน จะถูกปรับให้เพิ่มตามพลังงานของอนุภาคที่เพิ่มขึ้น (ยิ่งแม่เหล็กมีความแรงสูง อนุภาคก็ยิ่งถูกบีบเป็นวงเล็กๆ) ซิงโครตรอนจึงมีรูปร่างคล้ายแหวนวงใหญ่ (หรือกำไลข้อมือ ตามแต่ใครจะมอง) โดยที่ตรงกลางเป็นที่ว่าง
ซิงโครตรอนมักจะไม่ทำงานโดยตัวเองเครื่องเดียว แต่มักจะรับอนุภาคพลังงานสูงที่ถูกป้อนมาจากเครื่องเร่งอนุภาคชนิดอื่นเช่น Cockcroft-Walton, Van de Graaff, หรือ เครื่องเร่งแบบตรง (Linac)
อนุภาคจะถูกเพิ่มพลังงานด้วยสนามไฟฟ้าในขณะที่วิ่งผ่านช่อง radio-frequency (RF) cavity ซึ่งจะวางอยู่ที่ในตำแหน่งหนึ่งของซิงโครตรอน เมื่ออนุภาคมีประจุไฟฟ้าวิ่งเป็นวงโค้งมันจะเสียพลังงานในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานที่ได้รับจาก RF cavity นี้จะช่วยชดเชยพลังงานที่เสียไปนี้
เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่สามารถทำให้อนุภาคที่มีมวลต่ำมีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง (c = 300 ล้านเมตรต่อวินาที) ซึ่งจะทำให้มีพลังงานเท่ากับ
E = sqrt(p2 c2 + m2 c4)
โดยที่ p คือโมเมนตัม และ m คือมวลของอนุภาค
เครื่องซิงโครตรอนเครื่องแรกที่ใช้เร่งโปรตอน ถูกสร้างขึ้นในปีค.ศ. 1952 มีชื่อว่า คอสโมตรอน (Cosmotron) โดยตั้งขึ้นที่ Brookhaven National Laboratory (BNL) ในรัฐนิวยอร์ค สหรัฐอเมริการ รัศมีโดยเฉลี่ยของเครื่องมีค่า 10 เมตร และสามารถเร่งโปรตอนได้ถึง 3 GeV
สองปีถัดมา ซิงโครตรอนอีกเครื่องหนึ่ง ชื่อ Bevatron (สมัยก่อน GeV ใช้คำว่า BeV = billion eV) ก็ได้ถูกสร้างขึ้นที่เบิร์กลีย์ ในรัฐแคลิฟอร์เนียของสหรัฐอเมริกา โดย Bevatron มีรัศมีราว 18.2 เมตร ซึ่ง ณ ที่นี่เองที่ปฏิอนุภาคของโปรตอนและนิวตรอน คือ antiproton (1955) และ antineutron (1956) ได้ถูกค้นพบ ปัจจุบัน เครื่องซิงโครตรอนมีขนาดใหญ่ขึ้นมาก โดยมีเส้นรอบวงเป็นหลายกิโลเมตร (ยาวกว่าสนามฟุตบอล) อย่างเครื่อง Relativistic Heavy Ion Collider ในนิวยอร์ค และ Fermilab ในชิคาโก
ไม่ใช่ว่าอเมริกาจะมีเครื่องซิงโครตรอนใหญ่ๆ อยู่ประเทศเดียว เครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) ซึ่งตั้งอยู่บนชายแดนฝรั่งเศส-สวิสเซอร์แลนด์ เป็นเครื่องซิงโครตรอนที่ใหญ่ที่สุดในโลกในขณะนี้ (2007) ด้วยเส้นรอบวงถึง 27 กม. LHC จะสามารถเร่งโปรตอนได้จนถึง 7 TeV ซึ่งจะสร้างพลังงานในการชนกันสูงถึง 14 TeV นอกจากนี้ยังสามารถเร่งไอออนชนิดอื่นๆได้อีก (โปรตอนจะถูกเร่งได้ง่ายที่สุด เพราะมีมวลน้อยที่สุด) โดยตัวที่สำคัญคือตะกั่ว (Pb) โดย LHC จะสร้างพลังงานได้ถึง 5.5 TeV ต่อคู่นิวคลีออนของตะกั่ว
พลังงานที่มหาศาลของเครื่องซิงโครตรอน สามารถที่จะสร้างให้เกิดอนุภาคชนิดต่างๆ ออกมาได้มากมาย อีกไม่นานหลังจากการเดินเครื่อง เราก็จะได้นำข้อมูลต่างๆจากการทดลองในเครื่องซิงโครตรอนพลังงานสูง เช่น LHC และ อื่นๆ เหล่านี้ มาศึกษาฟิสิกส์ของอนุภาคพื้นฐานเช่น ควาร์ก (quarks) เลปตอน (leptons) และอื่นๆที่น่าสนใจต่อไป
แบบของเครื่องซิงโครตรอนจากเอนไซโคลพิเดีย Britannica
วิศวกรของ Large Hadron Collider ข้างๆแม่เหล็ก
