مسرع الجسيمات هو جهاز يقوم بتسريع الجسيمات الأولية، مثل الإلكترونات أو البروتونات، إلى طاقات عالية جدًا، على المستوى الأساسي، تنتج مسرعات الجسيمات حزمًا من الجسيمات المشحونة التي يمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من الأغراض البحثية.
ما هو مسرع الجسيمات
- مسرّع الجسيمات، بأبسط المصطلحات، هو آلة كبيرة تُستخدم لإجراء تجارب فيزيائية تتضمن جسيمات دون ذرية عالية الطاقة.
- بالنسبة للعقول الأكثر ميلًا تقنيًا، فهو جهاز يقوم بتسريع الجسيمات المشحونة بدرجة قريبة من سرعة الضوء، باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية، ويحتوي على هذه الجسيمات السريعة في حزم محددة جيدًا.
- بعض أشهر مسرعات الجسيمات تشمل مصادم هادرون الكبير (اثنان مختلفان يعملان في الوضع الأيوني ووضع البروتون)، ومصادم الأيونات الثقيلة النسبي، تيفاترون.
- على عكس ما يعتقده الكثير من الناس، فإن مصادم الهدرونات الكبير ليس هو مسرع الجسيمات الوحيد في العالم، هناك في الواقع المئات من مسرعات الجسيمات التي تعمل في جميع أنحاء الكوكب والتي تخدم أغراضًا مختلفة، بما في ذلك البحث العلمي والطب وحتى الأمن الدولي.
- يوجد نوعان أساسيان من مسرعات الجسيمات: المعجلات الخطية والمسرعات الدائرية، تدفع المسرعات الخطية الجسيمات على طول خط شعاع خطي أو مستقيم، بينما تدفع المسرعات الدائرية الجسيمات حول مسار دائري
- تُستخدم المسرعات الخطية في تجارب الهدف الثابت، بينما يمكن استخدام المسرعات الدائرية في تجارب الشعاع المتصادم وتجارب الهدف الثابت.
اقرأ أيضا: ما هو تكاثف بوز-أينشتاين
آلية عمل مسرع الجسيمات
- تأتي مسرعات الجسيمات في نوعين أساسيين: مسرعات خطية ودائرية، على الرغم من الاختلافات في التصميم وطريقة التشغيل، تظل الوظيفة الأساسية كما هي.
- يوفر مصدر الجسيمات (مثل نوى الهيدروجين)، الجسيمات المرغوبة (مثل البروتون والإلكترون وما إلى ذلك) التي يرغب الباحثون في تسريعها.
- ثم يتم تسريع الجسيم من خلال فراغ داخل أنبوب شعاع معدني باستخدام مجالات كهربائية قوية جدًا، بمجرد أن يبدأ الجسيم في التحرك، توجه المغناطيسات الكهربائية القوية وتحافظ على تركيز حزمة الجسيمات في الأنبوب المعدني، والذي يصطدم في النهاية بشعاع آخر قادم من الاتجاه المعاكس أو هدف ثابت.
- لاحظ أن الفراغ داخل الأنبوب المعدني مهم للغاية، لأنك عندما تتعامل مع جسيمات دون ذرية تسافر بالقرب من سرعة الضوء، فأنت تريد التأكد من عدم وجود أي شيء – ولا حتى جزيئات الهواء – يمكن أن يعيق مسارها.
- لوضع المفهوم في منظور، ضع في اعتبارك أنه أثناء المشي يومًا ما، تحطمت حجرتان متطابقتان على الأرض أمامك مباشرة، كونك شخصًا فضوليًا، فأنت تأخذ الحجارة إلى منزلك وتحاول اكتشاف ما بداخلها ،ومع ذلك، فإن الحجارة قوية جدًا بحيث لا يمكنك فتحها لرؤية ما بداخلها.
- كملاذ أخير، يمكنك ضرب الحجارة ضد بعضها البعض بأقصى قوة ممكنة، والنتيجة هي تتكسر الحجارة وتتطاير قطعها الداخلية.
- يحدث شيء مشابه جدًا لذلك في معجل الجسيمات، حيث يتم تحطيم الجسيمات دون الذرية (الصغيرة جدًا والقوية للغاية)، معًا في أنبوب لمعرفة ما بداخلها (على سبيل المثال، البيونات والباريونات والميزونات وما إلى ذلك)، الفرق بالطبع، هو أن هذه الجسيمات تتسارع إلى ما يقرب من سرعة الضوء ويتم تحطيمها معًا ملايين المرات.
- تم اكتشاف جسيم هيغز-بوزون، في مصادم الهدرونات الكبير من خلال نفس العملية بعد حدوث تريليونات من الاصطدامات داخل الأنبوب.
اقرأ أيضا: ما هو ثابت بلانك
أهمية معجل الجسيمات
من صورها وكيفية عملها، قد يبدو أن مسرعات الجسيمات ليست ذات صلة إلا بالفيزيائيين، ولكن مسرعات الجسيمات مفيدة جدًا في الواقع للمجتمع البشري، والتي يجعلها مرغوبة للغاية.
1. تساعد مسرعات الجسيمات، من خلال إنتاج النظائر المشعة، في تشخيص ملايين الأمراض لدى الأشخاص حول العالم.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم النظائر المشعة أيضًا لقتل الأنسجة الخبيثة داخل الجسم (مثل السرطان)، باستخدام مسرعات خطية تعمل بالميكروويف.
2. مسرعات الجسيمات لها عدد من التطبيقات في القطاع الصناعي أيضًا، إنها تساعد على إغلاق علبة الحليب بإحكام، كما أنها تساعد في صنع رقائق تسمح لجهاز الكمبيوتر أن يكون أسرع بشكل مذهل من الطرز القديمة.
3. كما أنها تواصل إحداث ثورة في السوق الاستهلاكية، من خلال المساهمة في اكتشافات رائدة على المستوى دون الذري لأكثر الأشياء شيوعًا التي تحيط بنا.
4. تنبع كل هذه الفوائد لمسرعات الجسيمات، من حقيقة أنها يمكن أن تساعدنا في كشف غموض وقوة المواد والجسيمات، من خلال تجاوز ما تمكنا من تحقيقه حتى الآن، فلقد ساعدتنا على فهم المزيد عن كوننا، وكذلك القوانين الأساسية التي تشكل نسيج وجودنا ذاته.
5. بشكل عام، ما نعرفه هو أن مسرعات الجسيمات هامة جدًا ولديها إمكانات هائلة لتغيير العالم، لكننا لم نكتشف كل الطرق التي يمكن من خلالها الاستفادة منها.
6. كما أن أحد الأدوار الافتراضية العديدة التي يمكن أن يلعبها مسرع الجسيمات هو دور آلة الزمن، وفقًا لستيفن هوكينج نفسه، أحد السلطات الرائدة في العالم فيما يتعلق بمفهوم السفر عبر الزمن.
أنواع معجل الجسيمات
هناك فئتان أساسيتان من المعجلات: المسرعات الكهروستاتيكية والمسرعات الكهروديناميكية (أو الكهرومغناطيسية).
- تستخدم مسرعات الجسيمات الكهروستاتيكية المجالات الكهربائية الساكنة لتسريع الجسيمات، وأكثر الأنواع الشائعة هي مولد كوكروفت-والتون و فان دي غراف .
ومن الأمثلة الصغيرة على هذه الفئة، أنبوب أشعة الكاثود في جهاز تلفزيون قديم عادي، يتم تحديد الطاقة الحركية التي يمكن تحقيقها للجسيمات في هذه الأجهزة من خلال الجهد المتسارع، والذي يحده الانهيار الكهربائي. - أما المسرعات الكهروديناميكية أو الكهرومغناطيسية، فهي تستخدم المسرعات الكهرومغناطيسية المتغيرة، (إما الحث المغناطيسي أو حقول تردد الراديو المتذبذبة ) لتسريع الجسيمات.
نظرًا لأن الجسيمات في هذه الأنواع يمكن أن تمر عبر نفس المجال المتسارع عدة مرات، فإن طاقة الخرج لا تقتصر على قوة المجال المتسارع، هذه الفئة، التي تم تطويرها لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي، هي الأساس لمعظم المسرعات الكبيرة الحجم الحديثة.
نظرًا لأن الهدف من حزم الجسيمات للمسرعات المبكرة كان عادةً ذرات قطعة من المادة، بهدف خلق تصادمات مع نواتها من أجل فحص البنية النووية، كان يشار إلى المسرعات عادةً باسم محطمات الذرة في القرن العشرين.
واستمر المصطلح على الرغم من حقيقة أن العديد من المسرعات الحديثة تخلق تصادمات بين جسيمين دون ذريين، بدلاً من جسيم ونواة ذرية.
المراجع
