CERN تستعد لاختبار المسرع الصغير الثوري
CERN تستعد لاختبار المسرع الصغير الثوري

فيديو: CERN تستعد لاختبار المسرع الصغير الثوري

فيديو: ЦЕРН. Точка взаимодействия 2022, ديسمبر
Anonim

يمكن للآلات التي "تتصفح" الجزيئات في المجالات الكهربائية أن تصل إلى طاقات عالية بسعر أقل.

CERN تستعد لاختبار المسرع الصغير الثوري
CERN تستعد لاختبار المسرع الصغير الثوري

منزل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) ، أكبر مسرع للجسيمات في العالم ، يحصل على آلة جديدة - وهذه المرة ، بيت القصيد هو إبقائها صغيرة.

في 18 سبتمبر ، وافق المجلس الذي يحكم CERN ، مختبر فيزياء الجسيمات الأول في أوروبا ، بالقرب من جنيف ، سويسرا ، على زيادة التمويل لتجربة مخطط لها تسمى Advanced Wakefield Experiment أو AWAKE. من المقرر تشغيله في العام المقبل ، سيعمل AWAKE على تسريع الجسيمات عن طريق "تصفحها" على موجات الشحنة الكهربائية المتولدة في البلازما أو الغاز المتأين. إنها طريقة يمكن أن تسمح للمسرعات المستقبلية بسبر المادة وقوى الطبيعة في طاقات أعلى من أي وقت مضى ، دون الزيادة المصاحبة المعتادة في حجم الأدوات وبالتالي التكلفة.

على الرغم من أن الخطط جارية لبناء آلات أكبر بمجرد وصول مصادم الهادرونات الكبير إلى نهاية عمره في الثلاثينيات من القرن الحالي ، يخشى الكثير من أن حجم المسرع يقترب من الحد الأقصى له وأن مثل هذه المقترحات قد تكون مكلفة للغاية في التنفيذ.

يقول نيك ووكر ، عالم فيزياء المسرعات في DESY ، مختبر الفيزياء عالية الطاقة الألماني في هامبورغ: "عندما تنظر إلى تقديرات التكلفة لهذه الآلات وحجم الآلات ، فإنك تدرك أنه ربما تكون هناك حاجة إلى نظام اختراق جديد".

تستخدم المصادمات التقليدية ، مثل LHC الذي يبلغ طوله 27 كيلومترًا ، الحقول الكهربائية لتحريك الجسيمات المشحونة عبر نفق ؛ تتحول الحقول من الموجب إلى السالب بتردد يعني أن الجسيمات يتم دفعها للأمام باستمرار ، وتكتسب الطاقة مع كل دفعة. لكن مثل هذه المصادمات تستخدم تجاويف ذات جدران معدنية تطلق شرارة إذا كان المجال الكهربائي قويًا جدًا. ونتيجة لذلك ، فإن الطريقة الوحيدة لزيادة سرعة الجسيمات ، وبالتالي الطاقة ، هي إطالة النفق.

صورة
صورة

يقول الفيزيائي ألين كالدويل من معهد ماكس بلانك للفيزياء في ميونيخ بألمانيا ، والذي سيقود تجربة AWAKE ، إن مسرعات حقل ويكفيلد البلازما ، التي تم اقتراحها لأول مرة في السبعينيات ، مصممة لكسر هذه الدورة. يرسلون نبضة من الجسيمات المشحونة أو ضوء الليزر عبر البلازما ، مما يؤدي إلى تأرجح الإلكترونات والأيونات الموجبة الشحنة في أعقابها. تشكل المناطق الناتجة من الشحنة السالبة والموجبة المتناوبة موجات تسرع المزيد من الجسيمات المشحونة. تُحقن هذه الجسيمات في الوقت المناسب تمامًا ، وتتصفح الموجات بفاعلية (انظر "تسارع ويكفيلد"). بشكل حاسم ، نظرًا لأن المجالات الكهربائية أقوى بكثير من تلك الموجودة في المصادم التقليدي ، يمكن أن يكون التسارع أكبر بمقدار 1000 مرة على نفس المسافة.

توجد مثل هذه المسرعات في نماذج أولية في العديد من المنشآت حول العالم ، لكن AWAKE ستكون المرة الأولى التي تختبر فيها CERN هذه التكنولوجيا. يقول مارك هوجان ، عالم فيزياء المسرعات في SLAC National: "CERN هو معمل فيزياء الطاقة العالية في العالم حاليًا ، وحقيقة أنها قررت أن هذا مجال مهم للمشاركة فيه هي نوع من التحقق من صحة هذا المجتمع". مختبر المسرع في مينلو بارك ، كاليفورنيا.

لدى المجموعات المختلفة طرقًا مختلفة لضبط تذبذب البلازما: يستخدم فريق هوجان في SLAC نبضات الإلكترونات ، على سبيل المثال. ستكون AWAKE أول من يستخدم نبضات البروتونات ، والتي لها بعض المزايا الكبيرة.

نظرًا لأن البروتونات لها كتلة أكبر من الإلكترونات ، فإن كل نبضة بروتون تخترق البلازما بشكل أكبر ، مما يؤدي إلى إنشاء سلسلة أطول من المناطق المشحونة ، والتي بدورها توفر تسارعًا أكبر لكل نبضة. تتوافق آلة البروتون أيضًا مع LHC ، الذي يسرع ويصطدم بالبروتونات.

في الوقت الحالي ، ستستخدم AWAKE حزم البروتونات التي تغذي LHC لاختبار ما إذا كان بإمكان البروتونات توليد المجالات الكهربائية اللازمة لتسريع الجسيمات في البلازما.

يهدف أحدث استثمار من CERN - بقيمة 2.6 مليون فرنك سويسري (تم تخصيصه للتجربة - إلى السماح لـ AWAKE باختبار المفهوم قبل نهاية عام 2018 ، حيث من المقرر أن تقوم CERN بإغلاق مسرعاتها من أجل الترقية. وسيعتمد النجاح على ما إذا كان يمكن تقطيع حزم البروتون هذه ، والتي تكون طويلة بالنسبة لما هو مطلوب لتكوين موجات بلازما ، بكفاءة إلى نبضات قصيرة.

في النهاية ، قد يكون من الممكن حقن البروتونات عالية الطاقة التي تم تسريعها بواسطة مصادم الهدرونات الكبير في آلة حقل بلازما من أجل مزيد من التسريع. يقدر هوجان أن آلة يبلغ طولها بضعة كيلومترات فقط يمكن أن تنتج إلكترونات بستة أضعاف تلك التي سيتم إنتاجها بواسطة المسرع التقليدي التالي المخطط له ، المصادم الخطي الدولي الذي يبلغ طوله 31 كيلومترًا.

على الرغم من هذا الوعد ، فإن مسرع البلازما لا يزال بعيدًا عن الاستخدام العملي لعقود من الزمن ، لأنه من أجل تحقيق أداء أفضل من المسرعات الحالية ، يجب أن يضاهيها أيضًا في الكفاءة - تزويد الجسيمات المركزة والمتسارعة بمعدلات عالية وكذلك طاقات عالية ، كما يقول والكر. ومع ذلك ، يضيف ، "في الوقت الحالي ، هذا هو الشيء الوحيد الذي أراه قد ينجح".

قد تكون التكنولوجيا مفيدة أيضًا في مكان آخر. يمكن للإلكترونات المتسارعة في ويكفيلد أن تدفع ليزرات الأشعة السينية الخالية من الإلكترون ، والتي تسبر المادة باستخدام رشقات ضوئية قوية قصيرة بما يكفي لالتقاط حركات الجزيئات. يبلغ طول هذه الكيلومترات حاليًا كيلومترات - ولكن استخدام تقنية ويكفيلد قد يسمح لها بالتناسب مع المختبرات أو أقبية المستشفى. يقول ووكر: "أعتقد أن هذا أكثر واقعية كتطبيق محتمل ، وأود أن أقول خطوة أولى إلزامية قبل الانغماس في محاولة تحقيق تجارب فيزياء عالية الطاقة."

شعبية حسب الموضوع