فیزیکدانان چگونه سرعت ذرات را به ۹۹.۹۹٪ سرعت نور می رسانند؟

احتمالا با کلیت شتاب ذرات از طریق برخورد با شتاب دهنده‌ی غول آسای "برخورددهنده هادرونی بزرگ" (LHC) آشنایی دارید. دانشمندان با استفاده از این شتاب دهنده توانستند تا ذرات بوزون هیگز را شناسایی کنند.

با این حال LHC تنها شتاب دهنده‌ی موجود نیست. بیش از ۳۰/۰۰۰ شتاب دهنده‌ی دیگر در دنیا وجود دارد که از آن‌ها برای انجام کارهای بی شماری استفاده می‌شود.

بعضی از این تجهیزات، مانند LHC سرعت ذرات را نزدیک به سرعت نور می‌رسانند تا با در هم شکستن آن‌ها در اثر برخورد به یکدیگر، اجزای اصلی جهان هستی را شناسایی کنند. بعضی دیگر هم برای کاربردهایی چون چسباندن کارتن‌های شیر و پاکت‌های چیبس سیب زمینی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آزمایشگاه ملی بروکهاون در نیویورک مقر یکی از پیشرفته‌ترین شتاب‌ دهنده‌های ذرات در جهان است که NSLS II نام دارد.

NSLS II امکان انجام مطالعه در طیف وسیعی از علوم مختلف را در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد. این مطالعات می‌تواند در زمینه‌های مختلفی چون درمان‌های دارویی، ساخت تراشه‌های پیشرفته‌تر برای رایانه یا تجزیه و تحلیل تمام مولکول‌های بدن و خاک زیر پای شما به کار رود.

وقتی دانشمندان ذرات را با سرعت دیوانه‌واری در NSLS شتاب می‌دهند، آن‌ها را مجبور به تولید انرژی می‌کنند تا بتوانند بعضی آرایه‌ها را به منظور انجام آزمایش‌های متفاوت دستکاری کنند.

الکترون‌هایی که نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند انرژی خود را به شکل اشعه‌ی ایکس آزاد می‌کنند. اشعه X تولید شده در NSLS II به شدت روشن است. به طوری که مقدار روشنایی این اشعه یک میلیارد بار از اشعه‌ی ایکس مورد استفاده در تجهیزات مطب‌های دندانپزشکی بیشتر است. با تمرکز دانشمندان بر روی نقطه‌ی کوچکی از این اشعه، امکان کاوش یک ماده در مقیاس اتمی فراهم می‌شود.

در ادامه توضیح خواهیم داد که NSLS II چگونه سرعت ذرات را به ۹۹.۹۹٪ سرعت نور می‌رساند. نخست این که، تفنگ الکترونی، پرتوهای الکترون را تولید کرده و آن‌ها را وارد شتاب دهنده‌ی خطی می‌کند.

در شتاب دهنده‌ی خطی، از میدان‌های الکترومغناطیس و فرکانس رادیویی مایکروویو استفاده می‌شود تا الکترون‌ها شتاب پیدا کنند و اطمینان حاصل شود که در طی سفر خود در محیط خلاء به یکدیگر برخورد نکرده و سرعت آن‌ها کند نمی‌شود.

در مرحله‌ی بعد، الکترون‌ها وارد یک "حلقه‌ی تقویت کننده" می‌شوند. در این حلقه آهن رباها و میدان‌های فرکانس رادیویی به آن‌ها شتاب می‌دهند تا به سرعتی معادل ۹۹.۹٪ سرعت نور برسند.

پس از آن به حلقه‌ای به نام "حلقه‌ی ذخیره"، تزریق می‌شوند. در حلقه‌های ذخیره سازی، الکترون‌ها توسط مجموعه‌ای از آهن‌رباها هدایت می‌شوند.

آهن‌رباهای آبی‌رنگ، مسیر حرکت الکترون‌ها را خم می‌کنند. آهن رباهای زردرنگ روی مسیر الکترون‌ها تمرکز می‌کنند و آهن رباهای قرمز و نارنجی هم، الکترون‌های دورافتاده را به مسیر دیگر الکترون‌ها نزدیک می‌کنند.

در این میان آهن‌رباهای کوچک‌تر نقش اصلاح کننده داشته و سعی در نگه داشتن اشعه‌ی الکترونی در یک مسیر خطی دارند.

در حلقه‌ی ذخیره سازی یک دستگاه درج (insertion device) وجود دارد که ساختاری مغناطیسی داشته و با تکان دادن پرتوی الکترونی، آن را از دستگاه عبور می‌دهد و به این ترتیب پرتوی به شدت روشن و متمرکزی ایجاد می‌کند.

در اطراف حلقه‌ی ذخیره سازی الکترون انرژی از دست داده و از سرعت ان کم می‌شود. انرژی از دست رفته را می‌توان به اشکال مختلفی از تابش الکترومغناطیسی چون اشعه ایکس مشاهده کرد که توسط پرتوهای موجود در خطوط مستقیم و مماس بر حلقه، هدایت می‌شود. در پایان، اشعه‌ی ایکس آزاد شده بر روی هر ماده‌ی مورد آزمایشی فرود می‌آید تا نمونه تحت کاوش قرار گیرد.

طیف سنجی پرتوی اشعه‌ی ایکس، روشی است که به دانشمندان کمک می‌کند تا با برانگیخته کردن الکترون‌های یک اتم، ترکیب شیمیایی مواد را آنالیز کنند.

محیط پیرامون NSLS-II نزدیک به نیم مایل است. از این رو خیلی از کارکنان با استفاده از سه‌چرخه در ان اطراف جابه جا می‌شوند.

NSLS II هنوز در مراحل اولیه‌ی توسعه‌ی خود قرار دارد و از سال ۲۰۱۴ توانسته است جایگزین نسخه‌ی قبلی خود یعنی NSLS شود. پس از تکمیل کار، این شتاب دهنده قادر خواهد بود تا حدود ۷۰ پرتوی مختلف را در خود جای دهد.