2
0
0
آنچه باید در مورد شتابدهندههای ذرات بدانید
زوميت
بروزرسانی
زوميت/ شتابدهندههاي ذرات از جمله برخورددهندهي بزرگ هادروني، عظيمترين آزمايشگاههاي ساختهي دست بشر هستند. دليل ساخت اين دستگاهها و کارکرد آنها جالب توجه است.
اولين شتابدهنده در دههي ۱۹۳۰ توسط کاکرافت و والتون و با هدف دستيابي به انرژيهاي بالا در ذرات براي بررسي ساختار داخلي هستهي اتمها ساخته شد. اين شتابدهنده در ولتاژ ۲۰۰ هزار ولت کار ميکرد و يک شتابدهندهي خطي بود. قرار بود از اين وسيله براي بررسي پديدهي تونلزني گامو استفاده شود. اين شتابدهنده در بررسي اثر مورد نظر موفق نبود؛ بنا بر اين نيازمند ارتقاء انرژي بود. بدين ترتيب روند ساخت شتابدهندههايي با انرژِي بيشتر و بيشتر تا به امروز ادامه دارد.
تاکنون از شتابهندهها براي بررسي جنبههاي مختلف فيزيک ذرات بنيادي استفاده شده است. در يک شتابدهنده از ميدانهاي الکتريکي براي شتاب دادن به پرتو ذرات و از ميدانهاي مغناطيسي براي حرکت ذرات در يک جهت مشخص استفاده ميشود. شتابدهندهها ميتوانند به شکل حلقه (circular accelerator) باشند به اين صورت که پرتوي از ذرات، دائما حلقه را دور ميزنند. شتابدهندهي بزرگ هادروني (LHC)، از اين نوع است. شتابدهندهها همچنين ميتوانند خطي (linear accelarator) باشند. معمولا نوع شتابدهنده با توجه به هدف آزمايش تعيين ميشود. در ادامه در مورد هر کدام از اين شتابدهندهها توضيح خواهيم داد.
شتابدهندههاي خطي (LINAC)
شتابدهندههاي خطي ذرات براي ذرات و يونهاي داراي بار الکتريکي، انرژي جنبشي فراهم ميکنند. اين کار با اعمال يک پتانسيل الکتريکي نوساني در راستاي خط راست بر ذرات مورد نظر انجام ميشود.
قسمتهاي مختلف LINAC و کارکرد آنها
منبع ذرات (ion source) با توجه به شکل يا نوع ذرات مورد استفاده طراحي ميشود. براي مثال اگر بخواهيم از الکترونها بهعنوان ذرات شتابدار استفاده کنيم، بايد آنها را از روشهايي از جمله کاتد سرد، کاتد گرم، فوتوکاتد يا تابش راديويي تأمين کرد. اگر بخواهيم از پروتونها استفاده کنيم بايد طراحيهاي متفاوتي در منبع ذرات داشته باشيم. براي شليک ذرات از منبع اصلي به داخل استوانه، يک منبع با ولتاژ بالا مورد نياز است.
قسمت بعدي تشکيلدهندهي شتابدهندهي خطي، يک استوانهي خلأ است که هواي آن بهوسيلهي پمپ تخليه ميشود و طول يک شتابدهندهي خطي با توجه به آن تغيير ميکند. اگر از شتابدهنده براي توليد پرتو X بهمنظور کاربردهاي پزشکي استفاده شود، طول لوله بين ۰/۵ تا ۱/۵ متر انتخاب ميشود. اگر از اين استوانه براي يک شتابدهندهي غير خطي استفاده شود، طول لوله حدود ۱۰ متر انتخاب ميشود. اگر از شتابدهنده براي بررسيهاي هستهاي و ذرات بنيادي استفاده شود، طول لوله به چندين هزار متر خواهد رسيد.
الکترودهاي استوانهايشکل با طولهاي متفاوت، از ابتدا تا انتهاي داخل لوله را تشکيل ميدهند. طول هرکدام از الکترودهاي استوانهاي به فرکانس و توان منبع ذرات و همچنين به نوع ذرات مورد نظر وابسته است؛ الکترودهاي نزديک منبع، کوتاهتر هستند و با دور شدن از منبع، طول الکترودها زيادتر ميشود. جرم ذرات شتابگيرنده در انتخاب طول الکترودها تأثير زيادي دارد. براي مثال جرم الکترون بسيار کمتر از جرم پروتون باست و براي شتاب گرفتن به الکترودهاي کوتاهتري نيازي دارد. با توجه به اينکه الکترونها بهراحتي ميتوانند از سطوح باردار با ولتاژ بالا گسيل شوند، براي ولتاژ اعمالشده به دستگاه، محدوديت وجود دارد و اينطور نيست که براي غلبه بر مشکل جرم ذرات، تنها ولتاژ دستگاه را بالا ببريم.
براي تأمين انرژي الکترودهاي استوانهاي از منابع فرکانس راديويي استفاده ميشود. در يک شتابدهندهي ذرات با توان بالا، براي هر يک از الکترودها، از يک منبع RF مستقل استفاده ميشود. براي دستيابي به حداکثر توان دستگاه، لازم است منبع فراهمکنندهي ذرات در فرکانس و فاز مناسب براي نوع ذرات طراحي و تهيه شود.
در دستگاههاي شتابدهنده، هدفي که ذرات به سمت آن شليک ميشوند نيز اهميت بسيار دارد. براي مثال اگر بخواهيم از الکترونها براي توليد پرتو X استفاده کنيم، هدف مورد نظر، يک صفحهي تنگستن خواهد بود که هر بار بهوسيلهي آب، سرد ميشود. مادهي هدف با توجه به نوع کاربري دستگاه شتابدهنده، متفاوت خواهد بود. در مواردي که هدف از شتاب دادن به ذرات، برخورد سربهسر آنها با هم باشد، پرتو ذرات بهوسيلهي ميدان مغناطيسي، در راستاي يک خط باريک هدايت ميشوند. براي نگهداشتن ذرات در يک خط در مرکز الکترود، از لنزهاي مغناطيسي يا الکتروستاتيک استفاده ميشود. در شتابدهندههاي خطي طويل، از سيستم خطيکنندهي خودکار براي اين کار استفاده ميشود.
چگونگي عملکرد دستگاه
اگر فرض کنيم ذرات مورد نظر، الکترون باشند، استوانهي اول داراي پتانسيل مثبت خواهد بود و به همين دليل الکترونها به سمت استوانهي اول رانده ميشوند. به محض قرار گرفتن دستهي الکترونها درون استوانهي اول، قطبش منبع RF مربوط به استوانهي اول تغيير ميکند. در اين حالت، استوانهي اول داراي بار منفي و استوانهي دوم داراي بار مثبت ميشود. الکترونها از استوانهي اول دفع و بهسمت استوانهي دوم کشيده ميشوند. اين فرآيند تغيير بار الکترودهاي استوانهاي دائما تکرار ميشود و به همين صورت، الکترونها شتاب ميگيرند و هر بار مسير طولانيتري ميپيمايند. به همين دليل است که هرچه از منبع دورتر شويم، طول استوانهها بلندتر ميشود. اگر لازم باشد که ذرات به سرعتهاي بسيار بالا برسند، طول شتابدهندهي خطي بايد بسيار زياد باشد.
هرکدام از الکترودها مانند يک قفس فارادي عمل ميکند و باعث ميشود که دستهي ذرات، بدون تغيير از آن خارج شود. طراحي فرکانس سيگنال و فاصلهي بين استوانهها به صورتي است که همزمان با خارج شدن دستهي ذرات از هر يک از استوانهها، ولتاژ به بيشينه مقدار خود ميرسد. اين فرايند باعث تزريق انرژي به ذرات ميشود و نمود آن از طريق افزايش سرعت انجام مشخص ميشود. در سرعتهاي نزديک به سرعت نور، نرخ افزايش سرعت کاهش مييابد و تزريق انرژي بهصورت افزايش جرم ذرات نمود پيدا ميکند.
برخورد دهندهي بزرگ هادروني (LHC)
LHC بزرگترين و قدرتمندترين شتابدهندهي ذراتي است که تا کنون ساخته شده و در مرز سوييس و فرانسه قرار دارد. يکي از مهمترين دستاوردهاي اين شتابدهندهي غير خطي، کشف ذرهي هيگز يا به اصطلاح عام، «ذرهي خدا» در سال ۲۰۱۲ است. جالب است بدانيد که توان LHC در سال ۲۰۱۲ نصف توان کنوني آن بود. از آن پس LHC مدتي براي ارتقاء دستگاهها خاموش بود و سپس دوباره با توان دو برابر به کار گرفته شد. هم اکنون ۱۲ هزار دانشمند از سراسر جهان از جمله فيزيکدانهاي ذرات تجربي و نظري براي کشف ناشناختههاي جهان در LHC مشغول کار هستند. حدود ۱۰۰ هزار رايانه در سراسر جهان براي کار روي دادههاي آزمايشگاهي با يکديگر در ارتباط هستند. جالب است بدانيد که بزرگترين مرکز تحقيقاتي و سازهي موجود در جهان براي بررسي بنياديترين اجزاي طبيعت ساخته شده است و اينترنت جهاني که امروزه در دسترس اکثريت مردم جهان قرار دارد، در سرن براي به اشتراکگذاري دادههاي آزمايشگاهي بين دانشمندان اختراع شده است.
شتابدهندهي مشابهي در ايالات متحدهي آمريکا در تگزاس ساخته شد؛ اما بهدليل وجود مشکلات تکنيکي موفق نبود و به کار گرفته نشد.
نحوهي عملکرد دستگاه
در شتابدهندهي بزرگ هادروني هفت آزمايش بهصورت همزمان اجرا ميشود که در اين آزمايشها از آشکارسازهاي مجزا براي بررسي تودهي پروتونهاي برخورد کننده استفاده ميشود. هرکدام از آزمايشها و آشکارسازها توسط گروهي از دانشمندان بهصورت مجزا اداره و کنترل ميشود.
بزرگترين آزمايشهاي تشکيلدهندهي LHC، بهنامهاي CMS و ATLAS براي اهداف گستردهاي طراحي شدهاند و قسمتهاي زيادي از فيزيک را تشکيل ميدهند. اين دو آزمايش تقريبا در تأييد تمامي کشفهاي بنيادي اخير نقش مؤثري داشتهاند. آشکارسازهاي ALICE و LHCb براي بررسي پديدههاي خاصي طراحي شدهاند. اين چهار آشکارساز در اعماق زمين و دور تا دور حلقهي بزرگ شتابدهندهي LHC قرار گرفتهاند. کوچکترين آزمايشهاي قابل ذکر، TOTEM و LHCf هستند و روي ذراتي تمرکز دارند که برخورد سربهسر انجام نميدهند يا از يکديگر رد ميشوند. TOTEM شامل دو آشکارساز است که در مقابل CMS قرار دارد و LHCf تنها يک آشکارساز است که در فاصلهي ۱۴۰ متري نقطهي مقابل ATLAS قرار دارد. MoEDAL هفتمين آشکارساز اين دستگاه بزرگ است که در نزديکي LHCb قرار دارد و براي آشکارسازي ذرات فرضي به نام تک قطبي مغناطيسي طراحي شده است.
۱. شتابدهي
LHC از يک تونل بزرگ ۱۷ مايلي تشکيل شده است. در اين تونل بزرگ، لولههايي قرار دارند که هواي آنها کاملا تخليه شده است و دو دسته از پروتونها در اين تونل بزرگ، شتاب ميگيرند و از روبهرو با يکديگر برخورد ميکنند. مسير دستهي پروتونها بهوسيلهي مگنتهاي ابررسانايي هدايت ميشود که در دمايي پايينتر از دماي فضاي خالي کيهان نگه داشته ميشوند. به هنگام برخورد، سرعت پروتونها بسيار نزديک به سرعت نور خواهد بود. دستهي پروتونها در هر ثانيه، ۱۱,۲۴۵ بار مسير ۱۷ مايلي را دور ميزند.
۲. برخورد
دو دستهي پروتون از هر چهار آشکارساز اصلي ميگذرند و در هر ثانيه ۸۰۰ ذره با يکديگر برخورد ميکنند. در هر يک از برخوردها، انرژي ذرات برخوردکننده به ۱۳ تراالکترون ولت (13 TeV) ميرسد. اين ميزان انرژي در يک لحظه در يک نقطهي بسيار کوچک از فضا متمرکز ميشود و شرايط انفجار بزرگ آفرينش کيهان را شبيهسازي ميکند.
۳. ساخت
با توجه به فرمول معروف انشتين: E=mc2، انرژي ميتواند به جرم تبديل شود و بالعکس. بنابر اين انرژي دو پروتون برخوردکننده ميتواند با هم جمع شود و ذرات سنگين جديدي مثل کوارک سر (سنگينترين ذرهي بنيادي کشفشده) و ديگر ذرات بنيادي طبيعت را به وجود بياورد. اين ذرات به دليل جرم زيادشان بسيار ناپايدار هستند و سريعا به ذرات سبکتر و پايدارتر ديگري واپاشي ميکنند.
۴. آشکارسازي
زماني که ذرات ثانويهي تشکيلشده از نقطهي برخورد دور ميشوند، مشخصات آنها از جمله انرژي و تکانه، توسط آشکارسازها اندازهگيري ميشود. فيزيکدانها از اين اطلاعات براي تعيين نوع ذرات بهوجودآمده در هر فرآيند استفاده ميکنند. هر مشاهدهي غير عادي و ناهنجار، ميتواند کشف جديدي باشد؛ پس بررسي دادهها کاري بسيار دقيق و دشوار است.
آشکارساز ATLAS
ATLAS بزرگترين آشکارساز LHC است که مساحت آن به ۲۸,۷۵۰ مترمربع ميرسد و براي طيف گستردهاي از آزمايشها طراحي و ساخته شده است. زماني که ذرات با يکديگر برخورد ميکنند، داخليترين آشکارساز، تکانهي ذرات را اندازهگيري و گزارش ميکند. کالريمتر، انرژي ذرات را اندازهگيري ميکند. آشکارساز ميون، ميونهاي حاصل از فرايند را آشکار و مسير آنها را مشخص ميکند و سيستم مغناطيسي دستگاه، باعث خم شدن مسير ذرات باردار ميشود. نرخ دادهگيري دستگاه، ۵۰ ميليارد شبيهسازي است و سيستم ميتواند دادهها را گزينش کند؛ يعني از برخي از دادهها صرف نظر ميکند.
نگاهي مختصر به فيزيک ذرات بنيادي
فيزيکدانهاي ذرات بنيادي به دو گروه تقسيم ميشوند، فيزيکدانهاي تجربي که ماشينها و دستگاههاي بزرگ ميسازند، آزمايش انجام ميدهند، دادهها را تحليل ميکنند و سعي در کشف پديدهها و ذرات جديد دارند. گروه ديگر، فيزيکدانهاي نظري هستند که سعي در توضيح تمامي پديدههاي مشاهدهشده در آزمايشگاه و طبيعت دارند. بدون وجود نظريهپردازان، آزمايشگرها در تاريکي مطلق به سر ميبرند و بدون وجود آزمايشگرها، نظريهپردازان هيچگاه حقيقت را نخواهند فهميد.
اکنون مدل اساسي توصيفکنندهي ذرات بنيادي، مدل استاندارد ذرات است. اما مشکل بزرگي در قلب اين تئوري وجود دارد. سؤالاتي بنيادي هنوز هم بدون پاسخ ماندهاند و مدل استاندارد پاسخ قطعي براي آنها ندارد.
چرا جهان، پهناور است؟
چرا گرانش از نيروهاي ديگر طبيعت بسيار ضعيفتر است؟
جواب مدل استاندارد براي اين قبيل سؤالات، قطعي و دقيق نيست و به همين دليل فيزيکدانها فکر ميکنند که مدل استاندارد کامل نيست. در حال حاضر LHC در حال جستو جوي ذرات ابرتقارن است که بر مبناي آنها ميتوان مدل فراگيرتر و جامعتر را جايگزين مدل استاندارد کنوني کرد. مدل استاندارد شامل ۶۱ ذرهي بنيادي است و ذرهي هيگز، سالها عنصر گمشدهي اين مدل بود که با پيدا شدن آن در سال ۲۰۱۲، پازل مدل استاندارد تکميل شد و تاکنون مورد استفادهي فيزيکدانان است.
چرا ذرات بنيادي را بررسي ميکنيم؟
علت علاقهمندي ما به ذرات بنيادي و بررسي آنها اين است که پس از انفجار بزرگ آفرينش، تنها مواد موجود، ذرات آزاد بودهاند. برخورد دادن ذرات به يکديگر و مشاهدهي ساختار دروني آنها، لحظهاي شبيه به لحظهي انفجار بزرگ به وجود ميآورد و به ما امکان بررسي چگونگي آغاز خلقت را ميدهد. هدف اصلي فيزيکدانان از ساخت اين دستگاه بزرگ، فهم قوانين بنيادي طبيعت است. در هر صورت انسان از کنجکاوي خود تبعيت ميکند و فهم چگونگي خلقت براي انسان کنجکاو، اهمميت بسيار دارد. علاوه بر فيزيک ذرات بنيادي، از شتابدهندهها در صنعت و پزشکي نيز استفاده ميشود.
همراهان عزيز، آخرين خبر را بر روي بسترهاي زير دنبال کنيد:
آخرين خبر در تلگرام
https://t.me/akharinkhabar
آخرين خبر در ويسپي
http://wispi.me/channel/akharinkhabar
آخرين خبر در سروش
http://sapp.ir/akharinkhabar
آخرين خبر در گپ
https://gap.im/akharinkhabar
اخبار بیشتر درباره
اخبار مرتبط
5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
اخبار بیشتر درباره
پس از این بخوانید
زمین از منظر ۲ سیاره
نخستین داروی معکوس کردن عوارض پیری تزریق شد
ساخت باند هوشمندی که فقط در حضور باکتریهای مضر، آنتیبیوتیک آزاد میکند
راز ناپدید شدن کشتیها در «مثلث برمودا»
رباتی که از اختاپوس تقلید میکند؛ بازویی نرم با حس لامسه
بعضی افراد به ورزش حساسیت دارند!
حتی ژنهایی که از والدین به ارث نمیبریم، بر زندگی ما تاثیر میگذارند!
شکار و شکارچی در دنیای میکروسکوپی
ابداع «چشم مصنوعی» برای بهبود بینایی رباتها و خودروهای خودران
