آنچه باید در مورد شتاب‌دهنده‌های ذرات بدانید

اولین شتاب‌دهنده در دهه‌ی ۱۹۳۰ توسط کاکرافت و والتون و با هدف دستیابی به انرژی‌های بالا در ذرات برای بررسی ساختار داخلی هسته‌ی اتم‌ها ساخته شد. این شتاب‌دهنده در ولتاژ ۲۰۰ هزار ولت کار می‌کرد و یک شتاب‌دهنده‌ی خطی بود. قرار بود از این وسیله برای بررسی پدیده‌ی تونل‌زنی گامو استفاده شود. این شتاب‌دهنده در بررسی اثر مورد نظر موفق نبود؛ بنا بر این نیاز‌مند ارتقا‌ء انرژی بود. بدین‌ ترتیب روند ساخت شتاب‌دهنده‌هایی با انرژِی بیش‌تر و بیش‌تر تا به امروز ادامه دارد.

کاکرافت و والتون به همراه فیزیکدان مشهور دیگری به نام ارنست رادرفورد در وسط

تاکنون از شتاب‌هنده‌ها برای بررسی جنبه‌های مختلف فیزیک ذرات بنیادی استفاده شده است. در یک شتاب‌دهنده از میدان‌ها‌ی الکتریکی برای شتاب دادن به پرتو ذرات و از میدان‌ها‌ی مغناطیسی برای حرکت ذرات در یک جهت مشخص استفاده می‌شود. شتاب‌دهنده‌ها می‌توانند به شکل حلقه (circular accelerator) باشند به این صورت که پرتوی از ذرات، دائما حلقه را دور می‌زنند. شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC)، از این نوع است. شتاب‌دهنده‌ها همچنین می‌توانند خطی (linear accelarator) باشند. معمولا نوع شتاب‌دهنده با توجه به هدف آزمایش تعیین می‌شود. در ادامه در مورد هر کدام از این شتاب‌دهنده‌ها توضیح خواهیم داد.

شتاب‌دهنده‌ها‌ی خطی ذرات برای ذرات و یون‌ها‌ی دارای بار الکتریکی، انرژی جنبشی فراهم می‌کنند. این کار با اعمال یک پتانسیل الکتریکی نوسانی در راستای خط راست بر ذرات مورد نظر انجام می‌شود.

منبع ذرات (ion source) با توجه به شکل یا نوع ذرات مورد استفاده طراحی می‌شود. برای مثال اگر بخواهیم از الکترون‌ها به‌عنوان ذرات شتاب‌دار استفاده کنیم، باید آن‌ها را از روش‌ها‌یی از جمله کاتد سرد، کاتد گرم، فوتو‌کاتد یا تابش رادیویی تأمین کرد. اگر بخواهیم از پروتون‌ها استفاده کنیم باید طراحی‌ها‌ی متفاوتی در منبع ذرات داشته باشیم. برای شلیک ذرات از منبع اصلی به داخل استوانه، یک منبع با ولتاژ بالا مورد نیاز است.

قسمت بعدی تشکیل‌دهنده‌ی شتاب‌دهنده‌ی خطی، یک استوانه‌ی خلأ است که هوای آن به‌وسیله‌ی پمپ تخلیه می‌شود و طول یک شتاب‌دهنده‌ی خطی با توجه به  آن تغییر می‌کند. اگر از شتاب‌دهنده برای تولید پرتو X به‌منظور کاربرد‌ها‌ی پزشکی استفاده شود، طول لوله بین ۰/۵ تا ۱/۵ متر انتخاب می‌شود. اگر از این استوانه برای یک شتاب‌دهنده‌ی غیر‌ خطی استفاده شود، طول لوله حدود ۱۰ متر انتخاب می‌شود. اگر از شتاب‌دهنده برای بررسی‌ها‌ی هسته‌ای و ذرات بنیادی استفاده شود، طول لوله به چندین هزار متر خواهد رسید.

الکترود‌ها‌ی استوانه‌ای‌شکل با طول‌ها‌ی متفاوت، از ابتدا تا انتها‌ی داخل لوله را تشکیل می‌دهند. طول هر‌کدام از الکترود‌ها‌ی استوانه‌ای به فرکانس و توان منبع ذرات و همچنین به نوع ذرات مورد نظر وابسته است؛ الکترود‌ها‌ی نزدیک منبع، کوتاه‌تر هستند و با دور شدن از منبع، طول الکترود‌ها زیاد‌تر می‌شود. جرم ذرات شتاب‌گیرنده در انتخاب طول الکترود‌ها تأثیر زیادی دارد. برای مثال جرم الکترون بسیار کم‌تر از جرم پروتون باست و برای شتاب‌ گرفتن به الکترود‌ها‌ی کوتاه‌تری نیازی دارد. با توجه به اینکه الکترون‌ها به‌راحتی می‌توانند از سطوح بار‌دار با ولتاژ بالا گسیل شوند، برای ولتاژ اعمال‌شده به دستگاه، محدودیت وجود دارد و اینطور نیست که برای غلبه بر مشکل جرم ذرات، تنها ولتاژ دستگاه را بالا ببریم. 

برای تأمین انرژی الکترود‌ها‌ی استوانه‌ای از منابع فرکانس رادیویی استفاده می‌شود. در یک شتاب‌دهنده‌ی ذرات با توان بالا، برای هر یک از الکترود‌ها، از یک منبع RF مستقل استفاده می‌شود. برای دستیابی به حداکثر توان دستگاه، لازم است منبع فراهم‌کننده‌ی ذرات در فرکانس و فاز مناسب برای نوع ذرات طراحی و تهیه شود. 

در دستگاه‌ها‌ی شتاب‌دهنده، هدفی که ذرات به سمت آن شلیک می‌شوند نیز اهمیت بسیار دارد. برای مثال اگر بخواهیم از الکترون‌ها برای تولید پرتو X استفاده کنیم، هدف مورد نظر، یک صفحه‌ی تنگستن خواهد بود که هر بار به‌وسیله‌ی آب، سرد می‌شود. ماده‌ی هدف با توجه به نوع کاربری دستگاه شتاب‌دهنده، متفاوت خواهد بود. در مواردی که هدف از شتاب دادن به ذرات، برخورد سر‌به‌سر آن‌ها با هم باشد، پرتو ذرات به‌وسیله‌ی میدان مغناطیسی، در راستای یک خط باریک هدایت می‌شوند. برای نگه‌داشتن ذرات در یک خط در مرکز الکترود، از لنز‌ها‌ی مغناطیسی یا الکتروستاتیک استفاده می‌شود. در شتاب‌دهنده‌ها‌ی خطی طویل، از سیستم خطی‌کننده‌ی خود‌کار برای این کار استفاده می‌شود.

اگر فرض کنیم ذرات مورد نظر، الکترون باشند، استوانه‌ی اول دارای پتانسیل مثبت خواهد بود و به همین دلیل الکترون‌ها به سمت استوانه‌ی اول رانده می‌شوند. به محض قرار گرفتن دسته‌ی الکترون‌ها درون استوانه‌ی اول، قطبش منبع RF مربوط به استوانه‌ی اول تغییر می‌کند. در این حالت، استوانه‌ی اول دارای بار منفی و استوانه‌ی دوم دارای بار مثبت می‌شود. الکترون‌ها از استوانه‌ی اول دفع و به‌سمت استوانه‌ی دوم کشیده می‌شوند. این فرآیند تغییر بار الکترود‌ها‌ی استوانه‌ای دائما تکرار می‌شود و به همین صورت، الکترون‌ها شتاب می‌گیرند و هر بار مسیر طولانی‌تری می‌پیمایند. به همین دلیل است که هرچه از منبع دور‌تر شویم، طول استوانه‌ها بلند‌تر می‌شود. اگر لازم باشد که ذرات به سرعت‌‌ها‌ی بسیار بالا برسند، طول شتاب‌دهنده‌ی خطی باید بسیار زیاد باشد.

هر‌کدام از الکترود‌ها مانند یک قفس فارادی عمل می‌کند و باعث می‌شود که دسته‌ی ذرات، بدون تغییر از آن خارج شود. طراحی فرکانس سیگنال و فاصله‌ی بین استوانه‌ها به‌ صورتی است که هم‌زمان با خارج شدن دسته‌ی ذرات از هر یک از استوانه‌ها، ولتاژ به بیشینه مقدار خود می‌رسد. این فرایند باعث تزریق انرژی به ذرات می‌شود و نمود آن از طریق افزایش سرعت انجام مشخص می‌شود. در سرعت‌ها‌ی نزدیک به سرعت نور، نرخ افزایش سرعت کاهش می‌یابد و تزریق انرژی به‌صورت افزایش جرم ذرات نمود پیدا می‌کند.

در حال حاضر بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌ی خطی جهان به نام SLAC در  آمریکا واقع است. این شتاب‌دهنده در سال ۱۹۶۲ شروع به کار کرده است. تاکنون ۶ نفر از دانشمندان SLAC موفق به کسب نوبل شده‌اند و بیش از ۱۰۰۰ مقاله‌ی علمی در سال از این آزمایشگاه منتشر می‌شود.

LHC بزرگ‌ترین و قدرت‌مند‌ترین شتاب‌دهنده‌ی ذراتی است که تا کنون ساخته شده و در مرز سوییس و فرانسه قرار دارد. یکی از مهم‌ترین دستاورد‌ها‌ی این شتاب‌دهنده‌ی غیر‌ خطی، کشف ذره‌ی هیگز یا به اصطلاح عام، «ذره‌ی خدا» در سال ۲۰۱۲ است. جالب است بدانید که توان LHC در سال ۲۰۱۲ نصف توان کنونی آن بود. از آن پس LHC مدتی برای 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 فیزیکدان‌ها‌ی ذرات تجربی و نظری برای کشف ناشناخته‌ها‌ی جهان در LHC مشغول کار هستند. حدود ۱۰۰ هزار رایانه در سراسر جهان برای کار روی داده‌ها‌ی آزمایشگاهی با یکدیگر در ارتباط هستند. جالب است بدانید که بزرگ‌ترین مرکز تحقیقاتی و سازه‌ی موجود در جهان برای بررسی بنیادی‌ترین اجزای طبیعت ساخته شده است و اینترنت جهانی که امروزه در دسترس اکثریت مردم جهان قرار دارد، در سرن برای به اشتراک‌گذاری داده‌ها‌ی آزمایشگاهی بین دانشمندان اختراع شده است.

شتاب‌دهنده‌ی مشابهی در ایالات متحده‌ی آمریکا در تگزاس ساخته شد؛ اما به‌دلیل وجود مشکلات تکنیکی موفق نبود و به‌ کار گرفته نشد.

در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی هفت آزمایش به‌صورت هم‌زمان اجرا می‌شود که در این آزمایش‌ها از آشکار‌ساز‌ها‌ی مجزا برای بررسی توده‌ی پروتون‌ها‌ی برخورد کننده استفاده می‌شود. هر‌کدام از آزمایش‌ها و آشکار‌ساز‌ها توسط گروهی از دانشمندان به‌صورت مجزا اداره و کنترل می‌شود.

بزرگ‌ترین آزمایش‌ها‌ی تشکیل‌دهنده‌ی LHC، به‌نام‌ها‌ی CMS و ATLAS برای اهداف گسترده‌ای طراحی شده‌اند و قسمت‌ها‌ی زیادی از فیزیک را تشکیل می‌دهند. این دو آزمایش تقریبا در تأیید تمامی کشف‌ها‌ی بنیادی اخیر نقش مؤثری داشته‌‌اند. آشکار‌ساز‌ها‌ی ALICE و LHCb برای بررسی پدیده‌ها‌ی خاصی طراحی شده‌اند. این چهار آشکار‌ساز در اعماق زمین و دور تا دور حلقه‌ی بزرگ شتاب‌دهنده‌ی LHC قرار گرفته‌اند. کوچک‌ترین آزمایش‌ها‌ی قابل ذکر، TOTEM و LHCf هستند و روی ذراتی تمرکز دارند که برخورد سر‌به‌سر انجام نمی‌دهند یا از یکدیگر رد می‌شوند. TOTEM شامل دو آشکار‌ساز است که در مقابل CMS قرار دارد و LHCf تنها یک آشکار‌ساز است که در فاصله‌ی ۱۴۰ متری نقطه‌ی مقابل ATLAS قرار دارد. MoEDAL هفتمین آشکار‌ساز این دستگاه بزرگ است که در نزدیکی LHCb قرار دارد و برای آشکار‌سازی ذرات فرضی به‌ نام تک قطبی مغناطیسی طراحی شده است.

قسمت‌ها‌ی اصلی LHC‌ شامل ATLAS، CMS، LHCb و ALICE 

LHC‌ از یک تونل بزرگ ۱۷ مایلی تشکیل شده است. در این تونل بزرگ، لوله‌ها‌یی قرار دارند که هوای آن‌ها کاملا تخلیه شده است و دو دسته از پروتون‌ها در این تونل بزرگ، شتاب می‌گیرند و از روبه‌رو با یکدیگر برخورد می‌کنند. مسیر دسته‌ی پروتون‌ها به‌وسیله‌ی مگنت‌ها‌ی ابررسانایی هدایت می‌شود که در دمایی پایین‌تر از دمای فضای خالی کیهان نگه داشته می‌شوند. به‌ هنگام برخورد، سرعت پروتون‌ها بسیار نزدیک به سرعت نور خواهد بود. دسته‌ی پروتون‌ها در هر ثانیه، ۱۱,۲۴۵ بار مسیر ۱۷ مایلی را دور می‌زند. 

دو دسته‌ی پروتون از هر چهار آشکار‌ساز اصلی می‌گذرند و در هر ثانیه ۸۰۰ ذره با یکدیگر برخورد می‌کنند. در هر یک از برخورد‌ها، انرژی ذرات برخورد‌کننده به ۱۳ تراالکترون ولت (13 TeV)‌ می‌رسد. این میزان انرژی در یک لحظه در یک نقطه‌ی بسیار کوچک از فضا متمرکز می‌شود و شرایط انفجار بزرگ آفرینش کیهان را شبیه‌سازی می‌کند.

با توجه به فرمول معروف انشتین: E=mc2، انرژی می‌تواند به جرم تبدیل شود و بالعکس. بنابر این انرژی دو پروتون برخوردکننده می‌تواند با هم جمع شود و ذرات سنگین جدیدی مثل کوارک سر (سنگین‌ترین ذره‌ی بنیادی کشف‌شده) و دیگر ذرات بنیادی طبیعت را به‌ وجود بیاورد. این ذرات به دلیل جرم زیادشان بسیار ناپایدار هستند و سریعا به ذرات سبک‌تر و پایدار‌تر دیگری واپاشی می‌کنند.

زمانی که ذرات ثانویه‌ی تشکیل‌شده از نقطه‌ی برخورد دور می‌شوند، مشخصات آن‌ها از جمله انرژی و تکانه، توسط آشکار‌ساز‌ها اندازه‌گیری می‌شود. فیزیک‌دان‌ها از این اطلاعات برای تعیین نوع ذرات به‌وجود‌آمده در هر فرآیند استفاده می‌کنند. هر مشاهده‌ی غیر‌ عادی و ناهنجار، می‌تواند کشف جدیدی باشد؛ پس بررسی داده‌ها کاری بسیار دقیق و دشوار است.

محفظه‌ی آشکار‌ساز به لایه‌ها‌ی پیاز شباهت دارد و هر لایه برای آشکار‌سازی نوعی از ذرات با بار، انرژی و دیگر مشخصات متفاوت است

ATLAS بزرگ‌ترین آشکار‌ساز LHC است که مساحت آن به ۲۸,۷۵۰ متر‌مربع می‌رسد و برای طیف گسترده‌ای از آزمایش‌ها طراحی و ساخته شده است. زمانی که ذرات با یکدیگر برخورد می‌کنند، داخلی‌ترین آشکار‌ساز، تکانه‌ی ذرات را اندازه‌گیری و گزارش می‌کند. کالری‌متر، انرژی ذرات را اندازه‌گیری می‌کند. آشکار‌ساز میون، میون‌ها‌ی حاصل از فرایند را آشکار‌ و مسیر آن‌ها را مشخص می‌کند و سیستم مغناطیسی دستگاه، باعث خم شدن مسیر ذرات بار‌دار می‌شود. نرخ داده‌گیری دستگاه، ۵۰ میلیارد شبیه‌سازی است و سیستم می‌تواند داده‌ها را گزینش کند؛ یعنی از برخی از داده‌ها صرف‌ نظر می‌کند.

آشکار‌ساز ATLAS

فیزیک‌دان‌ها‌ی ذرات بنیادی به دو گروه تقسیم می‌شوند، فیزیک‌دان‌ها‌ی تجربی که ماشین‌ها و دستگاه‌ها‌ی بزرگ می‌سازند، آزمایش انجام می‌دهند، داده‌ها را تحلیل می‌کنند و سعی در کشف پدیده‌ها‌ و ذرات جدید دارند. گروه دیگر، فیزیک‌دان‌ها‌ی نظری هستند که سعی در توضیح تمامی پدیده‌ها‌ی مشاهده‌شده در آزمایشگاه و طبیعت دارند. بدون وجود نظریه‌پردازان، آزمایشگر‌ها در تاریکی مطلق به سر می‌برند و بدون وجود آزمایشگر‌ها، نظریه‌پردازان هیچ‌گاه حقیقت را نخواهند فهمید.

اکنون مدل اساسی توصیف‌کننده‌ی ذرات بنیادی، مدل استاندارد ذرات است. اما مشکل بزرگی در قلب این تئوری وجود دارد. سؤالاتی بنیادی هنوز هم بدون پاسخ مانده‌اند و مدل استاندارد پاسخ قطعی برای آن‌ها ندارد.

چرا جهان، پهناور است؟

چرا گرانش از نیرو‌ها‌ی دیگر طبیعت بسیار ضعیف‌تر است؟

جواب مدل استاندارد برای این قبیل سؤالات، قطعی و دقیق نیست و به همین دلیل فیزیکدان‌ها فکر می‌کنند که مدل استاندارد کامل نیست. در حال حاضر LHC در حال جست‌و جو‌ی ذرات ابرتقارن است که بر مبنای آن‌ها می‌توان مدل فرا‌گیر‌تر و جامع‌تر را جایگزین مدل استاندارد کنونی کرد. مدل استاندارد شامل ۶۱ ذره‌ی بنیادی است و ذره‌ی هیگز، سال‌ها عنصر گم‌شده‌ی این مدل بود که با پیدا شدن آن در سال ۲۰۱۲، پازل مدل استاندارد تکمیل شد و تاکنون مورد استفاده‌ی فیزیکدانان است.

علت علاقه‌مندی ما به ذرات بنیادی و بررسی آن‌ها این است که پس از انفجار بزرگ آفرینش، تنها مواد موجود، ذرات آزاد بوده‌اند. برخورد دادن ذرات به یکدیگر و مشاهده‌ی ساختار درونی آن‌ها، لحظه‌ای شبیه به لحظه‌ی انفجار بزرگ به‌ وجود می‌آورد و به ما امکان بررسی چگونگی آغاز خلقت را می‌دهد. هدف اصلی فیزیکدانان از ساخت این دستگاه بزرگ، فهم قوانین بنیادی طبیعت است. در هر صورت انسان از کنجکاوی خود تبعیت می‌کند و فهم چگونگی خلقت برای انسان کنجکاو، اهممیت بسیار دارد. علاوه بر فیزیک ذرات بنیادی، از شتاب‌دهنده‌ها در صنعت و پزشکی نیز استفاده می‌شود.