ذوالفقار دانشی| مجموعه‌ی شتاب‌دهنده‌های سرن از ماشین‌های بزرگی تشکیل شده است که به‌مرور زمان ساخته شده‌اند و هر یک، انرژی بالاتری نسبت به مدل قبلی دارد. هر ماشین (شتاب‌دهنده) پرتوهای پروتون را به انرژی مشخصی می‌رساند و به ماشین بعدی تزریق می‌کند تا پرتوها به انرژی بالاتری برسند. البته هر یک از دیگر ماشین‌های این مجموعه ابزارهای سنجش خاص خود را دارند که برای آزمایش‌های ذرات بنیادی در انرژی‌های پایین‌تر استفاده می‌شوند. ‌فیزیک‌دانان با استفاده از این شتاب‌دهنده‌ها، ذراتی مانند پروتون را به انرژی‌های بسیار بالا می‌رسانند و سپس آن‌ها را به هم می‌کوبند تا ذرات ریزتری را که درون آن‌ها پنهان شده، آشکار کنند. در حال حاضر، این تنها روشی است که می‌توان شرایط آغازین عالم را روی زمین شبیه‌سازی کرد. در ادامه با پروفسورها همراه شوید.

سفر پروتون‌ها در این مجموعه‌ی شتاب‌دهنده بسیار شگفت‌انگیز و البته از نظر زمانی کوتاه است. اتم‌های هیدروژن از یک بطری حاوی هیدروژن اتمی خارج می‌شوند. پژوهشگران سپس الکترون‌ها را از اتم جدا می‌کنند تا فقط هسته‌ی هیدروژن که همان ذره‌ی پروتون است، باقی بماند.
پروتون‌ها سپس در شتاب‌دهنده‌ی خطی «Linac2» به انرژی MeV ۵۰ می‌رسند و به تقویت‌کننده یا بوستر PS (معروف به PSB) تزریق می‌شوند. در PSB پروتون‌ها تا انرژی GeV ۱. ۴  شتاب می‌گیرند و سپس به «سینکروترون پروتون» (PS) تزریق می‌شوند تا به انرژی GeV ۲۵ برسند. پس از آن، نوبت به شتاب‌گرفتن در «ابرسینکروترون پروتون» (SPS) می‌رسد تا پروتون‌ها را به انرژی GeV ۴۵۰ برساند. در این مرحله پروتون‌ها برای ورود به حلقه‌ی برخورددهنده‌ی بزرگ «هادرون» (LHC) آماده شده‌اند. چهار دقیقه و ۲۰ ثانیه طول می‌کشد تا هر حلقه‌ی ال‌اچ‌سی از پروتون‌های پرانرژی پر شود. ۲۰ دقیقه‌ی بعد، این ذرات به انرژی TeV ۷ می‌رسند.
حلقه‌ی شتاب‌دهنده‌ی ال‌اچ‌سی، ذرات پروتون را درون دو لوله‌ی خلأ (فشار در آن‌ها ۱۰ به توان ۳- اتمسفر است) شتاب می‌دهد، یکی در جهت ساعت‌گرد و دیگری پادساعت‌گرد. مجموعه‌ای پیشرفته از سیستم‌های خنک‌کننده شامل نیتروژن مایع و هلیم مایع، آهنرباهای ابررسانای اطراف لوله‌های خلأ را تا ۱.۹ کلوین (۲۷۱.۲۵- درجه‌ی سانتی‌گراد) سرد می‌کنند تا ابررساناها بی‌هیچ مشکلی بتوانند میدان مغناطیسی ۸.۳۳ تسلایی را برای نگاه داشتن پروتون‌های پرانرژی درون حلقه‌ی ۲۷ کیلومتری ال‌اچ‌سی تولید کنند. در هر مرحله، حدود ۲۰۰هزار میلیارد ذره‌ی پروتون (با وزن فقط دو نانوگرم) که درون ال‌اچ‌سی شتاب می‌گیرند، به سرعت ۰.۹۹۹۹۹۹۹۹۱ سرعت‌نور می‌رسند و در هر ثانیه بیش‌از ۱۱هزار بار محیط ال‌اچ‌سی را دور می‌زنند.
در شش نقطه از حلقه‌ی ال‌اچ‌سی، پرتوهای پروتونی که در دو مسیر ساعت‌گرد و پادساعت‌گرد، خلاف جهت یکدیگر دوران می‌کردند، به یکدیگر برخورد می‌کنند. انرژی این برخوردهای پروتونی در نهایت به ۱۴TeV خواهد رسید و آشکارسازهای عظیم ال‌اچ‌سی در هر ثانیه، جزئیات دقیق ۴۰ میلیون برخورد را اندازه‌گیری و ثبت می‌کنند.

برخورد یون‌های سرب

مجموعه‌ی شتاب‌دهنده‌های سرن علاوه بر پروتون، یون‌های سرب را هم شتاب می‌دهند. برای این‌کار ابتدا نمونه‌ای از سرب با خلوص بسیار بالا را تا دمای ۵۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد حرارت می‌دهند و با عبور جریان الکترون‌ها از درون بخار سرب، آن را یونیزه می‌کنند. یون‌های متفاوتی از سرب در این فرایند تولید می‌شوند که یون +Pb29 بیشترین فراوانی را دارد. پژوهشگران این یون خاص را از دیگر یون‌ها جدا می‌کنند و تا دستیابی به انرژی MeV/u ۴.۲ (مگاالکترون‌ولت به ازای هر نوکلئون در هسته) شتاب می‌دهند. سپس این مجموعه از درون ورقی کربنی عبور داده می‌شود تا با جذب الکترون‌های بیشتر، آن‌ها را به یون‌های پرانرژی +Pb54 تبدیل کند. این یون‌ها سپس انباشته می‌شوند و در حلقه‌ی یونی کم‌انرژی (LEIR) تا انرژی MeV/u ۷۲ شتاب می‌گیرند. با این انرژی اولیه، آن‌ها روانه‌ی PS می‌شوند تا به انرژی GeV/u ۵.۹ برسند. یون‌های سرب سپس از درون ورق کربنی دیگری عبور داده می‌شوند تا تمام الکترون‌هایشان را از دست بدهند و به یون +Pb82 تبدیل شوند. حال این یون‌ها به SPS تزریق می‌شوند و پس از دستیابی به انرژی GeV/u ۱۷۷ آماده‌ی ورود به ال‌اچ‌سی می‌شوند، جایی‌که تا انرژی خیره‌کننده‌ی TeV/u ۲.۷۶ شتاب می‌گیرند. در نهایت انرژی برخورد ذرات سرب به یکدیگر به TeV ۱۱۵۰ خواهد رسید.

آشکارسازهای ال‌اچ‌سی

شش آشکارساز بزرگ درون ال‌اچ‌سی نصب شده‌اند که عبارتند از: «آزمایش بزرگ برخورددهنده‌ی یون» (ALICE)، «ATLAS»، «سیم‌پیچ فشرده‌ی میون» (CMS)، «برخورددهنده‌ی بزرگ هادرون-زیبایی» (LHCb)، «برخورددهنده‌ی بزرگ هادرون-رو به جلو» (LHCf) و «آزمایش TOTEM» که مخفف عبارت «اندازه‌گیری سطح‌مقطع پراکندگی و کشسانی کامل» است. در مجموع ۱۵۰میلیون حسگر در این شش آشکارساز نصب شده است که اطلاعات گردآوری‌شده را ۴۰میلیون بار در هر ثانیه مخابره می‌کنند. حجم داده‌های ارسالی ۷۰۰ مگابایت بر ثانیه است.

 

برخورد دهنده ال اچ اسی

 

اطلس

«ATLAS» آشکارسازی همه‌کاره است که برای بررسی وسیع‌ترین حوزه‌های ممکن از پدیده‌های فیزیکی دنیای ریزمقیاس طراحی شده است؛ از جست‌وجوی ذراتی مانند بوزون هیگز گرفته تا یافتن نشانه‌هایی از ابرتقارن و حتی ابعاد اضافی در عالم. مهم‌ترین ویژگی آشکارساز اطلس، سیستم مغناطیس دونات‌شکل آن است که از هشت سیم‌پیچ آهنربای ابررسانا به طول ۲۵ متر تشکیل شده است و در الگویی استوانه‌ای، اطراف لوله‌ی خلأ حامل پروتون‌های پرانرژی آرایش یافته‌اند. اطلس، حجیم‌ترین آشکارساز/برخورددهنده‌ی ساخته‌شده در جهان است و در هر ثانیه ۳۲۰ مگابایت اطلاعات مخابره می‌کند.

آلیس

«آلیس» برای تحلیل برخورد یون‌های سرب طراحی و ساخته شده است. این آشکارساز به بررسی ویژگی‌های «پلاسمای کوارک-گلوئون» خواهد پرداخت، حالتی از ماده که در آن، کوارک‌ها و گلوئون‌ها تحت شرایط چگالی و دمای بسیار بالا قرار می‌گیرند و نمی‌توانند درون ذرات هادرون (مانند پروتون یا نوترون) پنهان بمانند. گمان بر این است که این حالت از ماده در نخستین لحظات پیدایش عالم و پیش‌از پدیدار شدن ذرات پروتون و نوترون بر عالم حاکم بوده است. آلیس در هر ثانیه ۱۰۰ مگابایت اطلاعات تولید می‌کند.

TOTEM

«آزمایش توتم» به اندازه‌گیری ابعاد مؤثر سطح‌مقطع پروتون در ال‌اچ‌سی می‌پردازد. این آشکارساز در نزدیکی نقطه‌ی برخورد CMS مستقر می‌شود و برای بررسی برخوردهای کشسان (الاستیک) پروتون‌ها با یکدیگر، می‌بایست ذراتی را آشکار کند که در فاصله‌ی فوق‌العاده نزدیک از مسیر پرتوهای پروتون پراکنده می‌شوند.

سی‌ام‌اس

«سی‌ام‌اس» هم مانند اطلس، آشکارسازی همه‌کاره است که البته از طراحی و روش آشکارسازی متفاوتی بهره می‌برد. محوریت این آشکارساز، سیم‌پیچ ابررسانای عظیمی است که میدان مغناطیسی‌ای با چگالی شار مغناطیسی چهار تسلا (تقریبا ۱۰۰ هزار بار قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین) ایجاد می‌کند. با وزن ۱۲۵۰۰ تن، سی‌ام‌اس سنگین‌ترین آشکارساز ال‌اچ‌سی است و در هر ثانیه ۲۲۰ مگابایت اطلاعات تولید می‌کند.

ال‌اچ‌سی‌بی

«LHCb» برای بررسی عدم تقارن‌های ناچیز بین ماده و پادماده در برهمکنش‌های ذرات B (حاوی کوارک b یا زیبایی) طراحی شده است. کشفیات این آزمایش می‌تواند ما را در پاسخ به پرسش‌های مهمی یاری رساند، مثلا این‌که «چرا جهان ما از ماده‌ای که می‌بینیم، ساخته شده است» یا «پادمادهی جهان که علی‌الاصول باید به میزانی برابر با ماده‌ی معمولی وجود داشته باشد، کجاست؟». این آشکارساز در هر ثانیه ۵۰ مگابایت اطلاعات گردآوری می‌کند.

ال‌اچ‌سی‌اف

«LHCf» آزمایش کوچکی است که در فاصله‌ی ۱۴۰ متری نقطه‌ی برخورد آزمایش اطلس مستقر شده است و به بررسی ذراتی می‌پردازد که فاصله‌ی نزدیکی با جهت پرتوها در برخورد پروتون-پروتون دارند. این آشکارساز به آزمایش مدل‌هایی می‌پردازد که انرژی اصلی پرتوهای کیهانی فوق‌العاده پرانرژی را توصیف می‌کنند.

 

نوشتن دیدگاه

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.