شتاب دادن ذرات باردار

اگر ذره بارداری از ناحیه ای که در آن میدان الکتریکی برقرار است بگذرد ، به آن نیرویی وارد می شود. ذارتی که بار مثبت دارند ، مانند پروتونها ، در جهت میدان شتاب می گیرند ؛ و سرعت آنها در آن جهت افزایش می یابد. ذراتی که بار الکتریکی آنها منفی است ، مانند الکترونها ، در جهت مخالف با جهت میدان الکتریکی شتاب می گیرند ؛ و سرعت آنها در جهت مخالف افزایش پیدا می کند. این افزایش سرعت ذره سبب افزایش انرژی (جنبشی) ذره می شود که همان هدف اصلی شتابدهنده هاست ؛ یعنی شتابدهنده در واقع انرژی ذره را افزایش می دهد. این افزایش انرژی ، امکان مطالعه واکنشهای بسیار جالبی را برای ذرات فراهم می آورد.

ذراتی که در فیزیک انرژیهای زیاد شتاب داده می شوند عبارتند از : پروتون ، پادپروتون ، الکترون و پزیترون. این ذرات ، تنها به دلیل اینکه پایدارند و بار الکتریکی دارند مورد استفاده قرار می گیرند.

شتابدهنده های خطی

شتابدهنده خطی ، ساده ترین نوع شتابدهنده هاست. ذرات از یک سر به درون شتابدهنده وارد می شوند ، در داخل شتابدهنده به وسیله میدان الکتریکی شتاب می گیرند ، و با انرژی بیشتری از سر دیگر آن خارج می شوند. هر چه طول شتابدهنده خطی بیشتر باشد ، انرژی ذره خروجی بیشتر است. آزمایشهای مهمی در آزمایشگاه اسلک (مرکز شتابدهنده خطی استانفورد) در ایالت کالیفرنیا انجام شده است. طول شتابدهنده خطی اسلک اندکی بیش از 3 کیلومتر است و می تواند الکترون و پوزیترون را تا 50 Gev شتاب دهد. سرعت الکترونهایی که از شتابدهنده خطی خارج می شود ، خیلی نزدیک به سرعت نور است. پروتون و پادپروتون را نیز می توان در شتابدهنده خطی شتاب داد ، ولی چون این ذرات جرم خیلی بیشتری دارند (تقریبا ً 2000 برابر جرم الکترون) ، فرآیند شتابدهی هم پیچیده تر و هم پرهزینه تر است.

برخورددهنده های خطی

در سال 1989 در مرکز شتابدهنده خطی استانفورد ، شتابدهنده جدیدی به نام برخورددهنده خطی استانفورد راه اندازی شد. از شتابدهنده های خطی موجود به منظور شتاب دادن یک باریکه پوزیترونی و یک باریکه الکترونی ، در کنار هم ، استفاده می شود. سپس جهت خم کردن ذرات در امتداد دالانهای تازه تاسیسی که امکان برخورد باریکه ها را فراهم می آورند ، از میدانهای مغناطیسی استفاده می شود. در آوریل 1989 ، اولین برخورد میان باریکه الکترونی و پوزیترونی با انرژی 100 Gev به تحقق پیوست. این برخوردها مورد مطالعه قرار گرفتند و فیزیکدانان توانستند جرم ذره Z (یکی از حاملهای نیروی ضعیف) را با دقت بیشتری اندازه گیری کنند. این نوع شتابدهنده یک برخورددهنده تک گذر است ؛ یعنی ، باریکه های ذرات فقط یکبار شانس برخورد دارند ، آنگاه باید با باریکه های جدید همه چیز را از نو شروع کرد.

سنکروترونها

سنکروترون ابزرای است که ذرات را ، با استفاده از یدان الکتریکی در مسیری دایره ای مکررا ً  شتاب می دهد. برای خم کردن مسیر ذرات و حفظ آنها در مسیرهای دایره ای از میدانهای مغناطیسی استفاده می شود. از نظر علمی ، دسترسی به انرژیهای زیادتر برای سنکروترونهای پروتونی بیشتر از سنکروترونهای الکترونی است. هرگاه الکترونها یا پوزیترونها را در یک سنکروترون شتاب بدهیم ، افت انرژی این ذرات در گردش در مسیرها آنچنان زیاد است که قسمت عمده ای از انرژی شتابدهنده در این عمل تلف می شود و صرف شتاب دادن به ذره نمی شود. برای شتاب دادن الکترون و پوزیترون به انرژیهای بیشتر از 10 یا 20 Gev  احتیاج نیست ؛ شتابدهنده های خطی اقتصادی ترین نوع شتابدهنده ها هستند. هر ذره بارداری که در مسیر دایره ای شتاب پیدا کند ، انرژی تابش می کند. مقدار اتلاف انرژی ، بستگی دارد به این که انحنای مسیر دایره ای چه قدر است و نیز اینکه جرم ذره چه قدر است. ذرات سبکتر انرژی بیشتری را از دست می دهند و بنابراین این اتلاف انرژی در مورد الکترون (یا پوزیترون) مشکل جدی تری ایجاد می کند تا در مورد پروتون(یا پادپروتون). همچنین اگر محیط مسیر شتابدهنده خیلی بزرگ باشد ، مشکل کمتری ایجاد می کند. پادپروتونها را می توان به این صورت شتاب داد ، ولی در مورد ای ذرات مشکل اصلی در درجه اول در تولید و انبوه سازی آنهاست. سنکروترون پروتونی به نام شتابدهنده های با هدف ثابت نیز خوانده می شوند ، زیرا باریکه ذرات متحرک به محض اینکه از شتادهنده خارج شوند ، به هدف ساکن برخورد می کنند. عملکرد چنین شتابدهنده ای را می توان شامل سه مرحله دانست :

*  پروتونهای شتاب یافته در شتابدهنده ای خطی به داخل حلقه تزریق می شوند.

*  این ذرات در داخل حلقه آن قدر می جرخند تا به انرژی مورد نظر برسند.

*  این ذرات به صورت باریکه (یا باریکه هایی) از شتابدهنده خارج و به سوی هدف یا آشکارساز روانه می شوند.

یکی از جنبه های بسیار مفید دستگاههای با هدف ثابت توانایی آنها در تولید باریکه های ثانوی است. وقتی پروتونهای باریکه اولیه به هدف ثابت برخورد می کنند ، انواع مختلفی از ذرات تولید می شوند. اگر میدان مغناطیسی را در مسیر این ذرات قرار بدهیم ، ذرات مثبت به یک سو منحرف می شوند ، ذرات منفی به سویی دیگر و ذرات خنثی مسیری مستقیم را طی می کنند. به این ترتیب ، می توانیم باریکه های با بارهای متفاوت را از هم جدا کنیم. با استفاده از روشهای دیگری می توان ذرات را بیشتر جداسازی کرد و باریکه ای یکنواخت از ذرات به دست آورد. برای اینکه چند تایی از سنکروترونهای پروتونی را نام ببریم ، می توانیم از شتابدهنده های مستقر در آزمایشگاه های ملی بروکهاون ، آزمایشگاه فرمی و سرن (CERN) یاد کنیم.

برخورددهنده ها

نوع دیگر شتابدهنده دایره ای که در تحقیقات فیزیک انرژیهای زیاد مورد استفاده قرار می گیرد ، برخورددهنده است. در این نوع ماشین دو باریکه ذرات در جهتهای مخالف شتاب می گیرند. وقتی ذرات به انرژیهای مطلوب رسیدند ، امکان تلاقی مسیرها و برخورد باریکه ها فراهم می شود. در حال حاضر قدرتمندترین شتابدهنده های فرآیندهای انرژیهای زیاد از نوع برخورددهنده ها هستند. بزرگترین برخورددهنده الکترون ـ پوزیترون در جهان LEP  نام دارد. این دستگاه در تابستان 1989 در ژنو راه اندازی شد. آزمایشهای انجام شده در آنجا ، در تعیین سقف مستحکمی برای تعداد نوترینوها و تعیین دقیقتر جرم ذره تبادلی Z موفق بوده اند. احتمالا ً این آخرین برخورددهنده دایره ای الکترون ـ پوزیترون خواهد بود که ساخته شده است ، زیرا برای افزایش انرژی به میزان زیاد به ماشین بسیار بزرگتری نیاز خواهیم داشت ، و می دانیم که طول مسیر پیرامونLEP هم اکنون بالغ بر 27 کیلومتر است. برخورددهنده های الکترون ـ پوزیترون با انرژیهای زیادتر ممکن است با ماشینهایی مانند SLC ، که در آنها از دو شتابدهنده خطی با باریکه های ذره ای شاخ به شاخ استفاده می شود ، قابل حصول باشد. یکی از این انواع برخورددهنده شاخ به شاخ ممکن است تا اواخر دهه جاری ، در روسیه ساخته شود. قرار است که انرژیهای برخوردها در این شتابدهنده حداقل ده برابر LEP باشد. ابر برخورددهنده ابررسانا (SSC) که در تگزاس ساخته خواهد شد ، یک برخورددهنده پروتون ـ پروتون است که در طول مسیر پیرامون دایره ای آن بیش از 80 کیلومتر است. انتظار می رود که از آزمایشهایی که در SSC و LHC (برخورددهنده بزرگ هادرون در سرن ، ژنو) انجام حواهد شد ، مقدار زیادی اطلاعات جالب در مورد ساختار فیزیکی ذرات به دست آید. این آزمایشگاه ها قرار است که در حدود سالهای پایانی این قرن آغاز به کار کنند.

یکی از امتیازات بزرگ برخورددهنده ها عبارت است از مقدار زیاد انرژی قابل حصول در برخورد ها. اتومبیلی را در نظر بگیرید که با سرعت 50 کیلومتر در ساعت در حرکت است و با اتومبیل ساکنی برخورد می کند. خسارت ناشی از این برخورد را برآورد کنید. حال تصور کنید دو اتومبیل که هر دو با سرعت 50 کیلومتر در ساعت حرکت می کنند با هم به صورت شاخ به شاخ برخورد کنند ، خسارت ناشی از این برخورد مسلما ً بیشتر از حالت قبلی است. همین اصول را می توان در مورد شتابدهنده های با هدف ثابت و برخورددهنده ها به کار برد. در برخورددهنده انرژی خیلی بیشتری برای تولید ذرات جدید در اختیار خواهید داشت ؛ بعلاوه دو برابر کردن انرژی باریکه در برخورد دهنده ، انرژی قابل حصول برای تولید ذرات جدید را دو برابر خواهد کرد ، که در کورد ابزارهای با هدف ثابت چنین نیست.

جدول زیر برخی از شتابدهنده های ساخته شده را نشان می دهد ؛

امتیاز شما به این مطلب