سرن
فيزيكدان هاي ذرات بيشتر كشور هاي اروپا و ساير نقاط جهان به يك عمل متهورانه ي مشترك فوق العاده پيوسته اند تا پاسخ هايي براي سوالاتي كه ما را در مورد مه بانگ و منشا ماده به چالش كشيده اند، بيابند.
پايگاه آنها در سرن – آزمايشگاه اروپايي فيزيك ذرات – واقع در حومه ي ژنو، بر روي مرز فرانسه و سوييس قرار دارد. سرن نمونه اي از يك همكاري اروپايي خوب نه تنها در زمينه ي دانش، بلكه در هر زمينه ي ديگري است. تاسيس آن به سال ١٩٥٤ بر مي گردد؛ زماني كه بسياري از فيزيك دان هاي اروپايي شروع به درك اين مساله نموده بودند كه همكاري هاي مشترك تنها راه پيش رو براي انجام پروژه هايي به پيچيدگي ساختن يك شتابدهنده ي بزرگ ذرات است.
طرحي از سطح مقطع برخورد دهنده ي L.E.P با كوهها ي آلپ در پس زمينه؛ منطقه ي ژنو در ميان؛ و منطقه ي تحقيقاتي زير زمينيL.E.P در پيش زمينه ي تصوير.
كشور هاي موسس عبارت بودند از: آلمان، ايتاليا، بلژيك، دانمارك، سوئد، سوييس، فرانسه، نروژ، هلند، يوگسلاوي و يونان. از ١٩٥٤ به اين طرف، سرن در حدي توسعه يافته است كه اكنون شامل تعداد زيادي شتابدهنده است كه پذيراي مجموعه اي ٦٠٠٠ نفري از فيزيكدانان از سرتاسر جهان مي باشد. تعداد كشورهاي عضو اكنون به ١٩ رسيده كه اتريش، اسپانيا، جمهوري اسلواكي، پرتغال، جمهوري چك، فنلاند، لهستان و مجارستان به ليست اعضا اضافه و يوگسلاوي از آن خارج شده است. فيريك داناني از برخي كشورهاي غير عضو مانند ژاپن، امريكا و فدراسيون روسيه نيز با تدارك برخي تجهيزات، در تحقيقات شركت مي كنند.
در سرن از زمان آغاز به كار تاكنون، شتابدهنده هاي متعددي از جمله LEP – برخورد دهنده ي عظيم الكترون، پوزيترون – در ١٩٨٩ در بخش مركزي آن ساخته شده است كه بزرگترين شتابدهنده ي جهان است.
كشور هاي عضو CERN: آلمان، اتريش، اسپانيا، جمهوري اسلواكي، انگلستان، ايتاليا، بلژيك، پرتغال، جمهوري چك، دانمارك، سوئد، سوييس، فرانسه، فنلاند، لهستان، مجارستان، نروژ، هلند و يونان.
برخورد دهنده ي عظيم الكترون – پوزيترون
حلقه ي ٢٧ كيلومتري مدفون در عمق ١٠٠ متري زمين CERN كه از ساختمان هاي سطح زمين قابل دسترسي است.
LEP دسته اي از الكترون ها با دسته اي از پوزيترون ها را در حالي كه اين دو دسته در حال پرواز در جهت هاي مخالف در سرعت هايي نزديك به سرعت نور اند، در جايي در طول يك حلقه با محيط٢٧ كيلومتر، برخورد مي دهد. زماني كه اين دسته ها با هم برخورد مي كنند، برخي از الكترون ها و پوزيترون ها عمل نابودي زوج انجام داده و انفجار هاي پر انرژي را – در كسر هايي از ثانيه – كه شبيه سازي هايي از جهان آغازين هستند، موجب مي شوند ؛ البته در مقياسي كوچك. اين انرژي بي درنگ دوباره به سيلي از ذرات زير اتمي تبديل مي شود. چهار آشكارساز عظيم ، رد پا هاي اين ذرات به دست آمده را ثبت و به فيزيكدانان اجازه مي دهند تا نيم نگاهي به رفتار ماده در انرژي هاي بالا داشته باشند.
LEP دستگاهي به شكل دايره اي به مساحتي نزديك به مساحت لندن در زير زمين و فرزند بلا فصل دستگاه لاورنس و ليوينگستون در ٦٠ سال قبل است. اين دستگاه، داراي حلقه اي از آهنربا ها جهت هدايت دسته هاي ذرات در مسيري دايره اي در داخل يك لوله ي باريك است و اين ذرات به طور پيوسته از ناحيه هايي كه هر كدام به تنهايي شتاب اندكي به آنها مي دهند، مي گذرند. در LEP ، دو نوع ذره – چهار دسته از الكترو ن ها و چهار دسته از پوزيترون ها – در جهت هاي مخالف در داخل حلقه پرواز مي كنند. هر بار كه ذرات تحت شتاب، به بيشترين انرژي خود مي رسند ، مسير ذرات طوري عوض مي شود كه ناگهان در چهار نقطه اين مسير ها همديگر را قطع كنند؛ و بنا براين برخي از الكترون ها و پوزيترون ها مي توانند با هم برخورد نمايند. (با توجه به اينكه بيشتر ذرات هر جفت دسته كه به هم مي رسند، به اندازه ي كافي به هم نزديك نمي شوند كه نابودي زوج رخ دهد.) بنابراين در هر بار شتاب دادن به ذرات، LEP دسته هاي ذرات را محبوس مي كند تا ساعت ها به آنها شتاب بدهد، و در طول ٢٢ ميليونيم ثانيه آنها را برخورد دهد.
LEP بزرگترين شتابدهنده اي است كه تاكنون ساخته شده است. اين دستگاه در تونلي به پهناي ٨/٣ متر قرار دارد كه در مجموع حلقه اي با محيط ٢٧ كيلومتر مي سازد. تونل از مكان اوليه ي سرن – «مي رين» سوييس – آغاز مي شود؛ در گذر از زير حومه ي شهر هاي كشور فرانسه، از مرز عبور مي كند؛ به سوي دامنه هاي كوهستان «ژورا» پيش مي رود و از آنجا به سوي «مي رين » بر مي گردد. LEP شامل ٤٦٠٠ آهنربا است كه باريكه ي ذرات را هدايت مي كنند. نيز در دو مقطع، ذرات توسط امواج راديويي كه داخل ساختارهاي مسي توخالي – كه «كاواك» ناميده مي شوند- شتاب مي گيرند.
در يك شتابدهنده، آهنربا هاي انحراف و كانوني ساز، باريكه ي ذرات را هدايت مي كنند. كاواك هاي خلا فركانس بالاي ميكروويو، باريكه ها را در هنگام عبور از داخل خود، شتاب مي دهند. LEP به دليل بزرگي، نياز به هزاران از اين آهنربا ها دارد.
باريكه ي ذرات از حلقه ي آهنربا ها ي درون لوله ي باريكه – يك لوله ي ٢٧ كيلومتري از جنس آلومينيوم، كه بايد در خلا بسيار بالايي نگهداري شود تا برخورد هاي ذرات سرگردان موجب از مسير خارج شدن باريكه ي ذرات نشود - مي گذرند. اهميت حلقه ي بزرگ از اين جهت است كه ذرات را در مسيري با انحناي ملايم نگه مي دارد.
الكترون ها و پوزيترون ها در هنگام چرخش از خود انرژي الكترومغناطيسي ساطع مي كنند – اصلي فيزيكي كه هر ذره ي باردار شتابدار، از خود موج الكترومغناطيس ساطع مي نمايد- و اين اتلاف انرژي در هنگامي كه اين ذرات داراي انرژي جنبشي بيشتري باشند، يا مسير حركت آنها داراي انحناي بيشتري باشد، زياد تر خواهد شد. به اين دليل در انرژي هاي بالا، انحناي مسير در LEP بايد به كمترين مقدار ممكن برسد.
گامي به سوي LEP
الكترون ها و پوزيترون ها پس از سفري كوتاه در داخل شتابدهنده هاي كوچكتر كه در چندين مرحله موجب افزايش انرژي آنها مي شود، وارد LEP مي شوند. دو دستگاه از اين دستگاه ها، در اصل براي شتاب دادن به پروتون ها، تحت نظارت جان آدامز – مدير كل وقت سرن - ساخته شده بودند. از اين دو دستگاه، دستگاه كوچكتر در سال ١٩٥٩ ساخته شد و همچنان به عنوان جزء مركزي شبكه اي از دستگاه ها كه توانايي تامين باريكه ي پروتون، پادپروتون، هسته ي گوگرد يا هسته ي سرب را به همان خوبي تامين الكترون ها و پوزيترون ها دارند، در حال استفاده است.
نتيجه ي برخورد ذرات ماده و پادماده: آنها همديگر را نابود كرده و شرايطي مشابه شرايطي كه ممكن است در نخستين كسر هايي از ثانيه پس از مه بانگ بر جهان حاكم بوده، به وجود مي آورند.
آرايه اي از آشكار ساز ها
در نقطه اي كه دسته هاي الكترون و پوزيترون با هم روبرو مي شوند، چهار آشكارساز مركب، لوله ي باريكه ي LEP را احاطه مي كنند. هدف از بكارگيري هريك، آن است كه بيشترين ذرات توليد شده در نابودي زوج الكترون – پوزيترون را تا حد امكان آشكارسازي نمايند. بدين منظور، دستگاهي مورد نياز است، كه نقطه ي نابودي را احاطه نمايد. بعلاوه، فيزيكدانها نياز دارند بدانند جه نوع ذراتي پديد مي آيند و با چه انرژي هايي. بنابراين آنها از طيفي از آشكارساز ها بهره مي برند كه توانايي تعيين همزمان نوع ذرات مختلف را به همراه مقدار انرژيشان، داشته باشند. اين آشكار ساز ها به صورت لايه هايي در اطراف لوله ي باريكه جهت تشكيل يك مجموعه ي واحد در هر چهار نقطه ي رويارويي، پيچيده مي شوند.
نمايي از آشكارساز L٣ در LEP. در اين تصوير، درهاي آهنرباها باز شده اند تا فيزيكدان در داخل آشكارساز كار كند.
هر مجموعه آشكارساز، ساختاري عظيم را تشكيل مي دهد كه نوعا ١٠ تا ١٢ متر طول، عرض و ارتفاع– اندازه ي يك خانه ي بزرگ - و وزني در حدود چندين تن دارد. نيز هركدام از آنها آزمايشي جداگانه را بر عهده دارند؛ و با نامهاي اختصاري ALEPH، DELPHI، L٣و OPAL شناخته مي شوند. هر كدام از مجموعه آشكارسازها توسط تيمي ٢٠٠ تا ٣٠٠ نفره از فيزيكدانان از سراسر جهان و همكاراني از بسياري كشورهاي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد. نه تنها تمامي كشورهاي عضو سرن نمايندگاني در آزمايشها ي LEP دارند، بلكه شركت كنندگان ديگري از ساير كشورها همچون چين، فدراسيون روسيه ،ژاپن، رژيم اشغالگر قدس و ايالات متحده نيز در آنها مشاركت دارند.
آشكارساز سه لايه اي
مجموعه آشكارسازها همه از طراحي كلي يكسان، اما تفاوت هاي جزئي در ساختارها ي خود جهت تكميل كار هم، به دليل قدرتهاي متفاوتي كه دارند، برخوردار مي باشند. داخلي ترين لايه ي آشكارسازها يا آشكارساز هاي رد پا، كه در نزديكترين موقعيت نسبت به لوله ي باريكه قرار دارند، رد پا هاي ذرات باردار را آشكار مي كنند ( ذرات خنثي ردي به جا نمي گذارند) . يك آهنرباي الكتريكي ميدان مغناطيسي را براي خم كردن اين رد پا ها به كار مي برد؛ و بنابراين اندازه حركت خطي ذره مي تواند بعدا به وسيله ي ميزان اين خم شدن، مشخص شود.
آشكارساز DELPHI واقع در LEP ، دو افشانه (اسپري) از ذراتي كه به توسط كوارك و پادكوارك توليد شده به وسيله ي نابودي زوج الكترون – پوزيترون، به وجود آمده اند را آشكار كرده است.
در لايه ي بعد از آشكارساز هاي ردپا، لايه اي وجود دارد كه الكترون ها، پوزيترون ها و فوتون هايي كه در عبور از ماده ي چگالي همچون سرب به دام مي افتند را شناسايي مي كند. اين ماده – سرب - به وسيله ي آشكارسازها برگ برگ شده است تا ميزان انرژي كه ذره تا ايستادن كامل از دست مي دهد را محاسبه نمايد. هدف، ايجاد يك گرماسنج ( كالري متر) الكترومغناطيس است كه تمام انرژي الكترون ها، پوزيترون ها و فوتون ها را اندازه گيري نمايد. اين كار به تشخيص وجود پيون هاي خنثي، كه در لايه ي قبلي ردي از خود به جا نمي گذارند، اما به فوتون ها واپاشي مي كنند، مفيد خواهد بود. لايه ي سوم ، از آهن جهت تشكيل قسمت خارجي آهنرباي الكترومغناطيس استفاده مي كند. اين لايه، ذرات بسيار واكنش پذير، يعني هادرون ها – اين ها ذراتي شامل مزون ها و باريون ها هستند كه از كوارك ها و پادكوارك ها ساخته مي شوند- را متوقف كرده و انرژي آنها را اندازه گيري مي كند. اين لايه، از آنجا كه مجموع انرژي ذرات را اندازه گيري مي كند، يك گرماسنج هادروني را تشكيل مي دهد.
محفظه ي گرماسنج الكترومغناطيس آشكارساز OPAL ، كه شامل صدها بلوك شيشه ي سرب دار است.
دو نوع ذره از گرماسنج هادروني به خارج نفوذ مي كنند: موئون ها و نوترينو ها. خارجي ترين لايه ي مجموعه آشكارساز ها، رد پا هاي ذرات باردار نفوذ كننده ، خصوصا موئون ها را آشكار مي كند. تنها نوترينو ها از دستگاه بدون آشكارسازي مستقيم خارج مي شوند. البته فيزيكدان ها به طور غير مستقيم مي توانند وجود آنها را استنباط كنند. اين كار چنين انجام مي شود كه با دانستن انرژي كل حاصل از نابودي زوج الكترون - پوزيترون، و جمع كردن تمامي انرژي هاي ذرات آشكارسازي شده در قسمت هاي مختلف ، آنها با اعمال قانون پايستگي انرژي و اندازه حركت ( تكانه )، مي توانند ميزان انرژي از دست رفته توسط نوترينو ها و جهت حركت آنها را محاسبه كنند.
اهميت اجزاي الكتريكي
الكترونيك و محاسبات كامپيوتري، نقش كليدي در اينگونه آزمايش ها دارند. تمامي آشكارسازها از علائم الكتريكي استفاده مي كنند كه مدارهاي الكتريكي اين علائم را به اشكال قابل تفسير و ذخيره توسط كامپيوترها تبديل مي كنند. مدارهاي پيچيده تر ، جهت تجزيه و تحليل داده ها و تصميم گيري هاي سريع در مورد « مفيد» بودن اطلاعات به دست آمده، لازم هستند. اين نوع مدار ها، نقش راه انداز دارند كه زنجيره اي از اطلاعات كاملا پيچيده از آزمايش را جهت ثبت به رايانه مي فرستند. در آخر، رايانه جهت گرفتن اين داده ها و بازسازي آنچه روي داده بلافاصله پس از نابودي زوج، و به مجرد جاري شدن ذرات تازه ساخته شده از لوله ي باريكه به داخل دستگاه ، مورد نياز مي باشد. از طريق اين «رويداد» ها است كه فيزيكدانها عاقبت قادر به ساختن تصويري از وقايع فيزيكي كه در جريان است، مي باشند.
آشكارساز OPAL لايه هاي مختلفي كه هر كدام وظيفه ي مخصوص به خود را جهت تشكيل يك مجموعه ي آشكارساز كامل بر عهده دارند، در خود دارد.
١- راس آشكارساز كه واپاشي هاي لوله ي باريكه را آشكار مي كند.
٢- آشكارساز رد پا
٣- سيم پيچ آهنربا ي الكتريكي جهت خم كردن رد پا ها ي ذرات، براي اندازه گيري تكانه
٤- آشكارساز «زمان پرواز»، براي اندازه گيري سرعت
٥- گرماسنج الكترومغناطيس براي آشكارسازي الكترون ها و فوتون ها
٦- گرماسنج هادروني، براي آشكارسازي پروتون ها ، پيون ها و ...
٧- آشكارساز موئون
٨- آشكارساز هاي فوروارد، براي ذرات نزديك به لوله ي باريكه
آشكارساز ALEPH
سيم پيچ مغناطيسي ١٢ متري آشكارساز ALEPH
اين آشكارساز روي لوله ي باريكه ، درست روي نقطه ي نابودي زوج خورانده (فيت) مي شود و قسمت هاي اوليه ي رد هاي ذرات اسپري شده به بخش هاي بيروني را ثبت كرده و به فيزيكدانها در بازسازي دقيق تر رد پاي ذرات، كمك مي كند. اين آشكارساز از ساز و كار جديد زمان سنجي براي مكان يابي محل ردپا ها در طول آشكارساز استفاده مي كند.
نمايي از يك انتهاي آشكارساز ALEPH
لايه ي بعدي ALEPH، يك آشكارساز ردپاي بزرگ است و شامل يك محفظه ي پراز گاز، سيم و بالشتك هاي فلزي در دو انتها براي جمع آوري بار هاي الكتريكي كوچك كه به دنبال يك بار الكتريكي پرانرژي به وجود مي آيند مي باشد. تكنيك به كار رفته ، شامل يك پرتو ليزر براي آزاد كردن بار در محفظه و سپس شبيه سازي مسير عبور ذرات باردار است.
آشكارساز DELPHI
يكي از جديدترين قسمتهاي LEP، در آزمايش هاي DELPHI كه در آنها، از بزرگترين آهنرباي ابررسانا ي جهان استفاده مي شود قرار دارد. DELPHI همچنين شامل آشكارسازهاي كوچك سيليكوني براي تعيين محل دقيق قسمت هاي اوليه ي رد پاي ذرات اسپري شده به بخش هاي بيروني، و نيز شامل سيستم جامع تعيين ذرات ، مبتني بر شمارگر هاي چرنكوف مي باشد. براي تطبيق قسمت هاي مختلف DELPHI با هم، محفظه از حد معمول كوچكتر است، اما اين بدين معني نيست كه دقت آن در تعيين ردپا هاي ذرات كمتر از معمول است. لايه اي اضافي در خارج از شمارگر هاي چرنكوف براي افزايش دقت مسير يابي ها به حد ضخامت يك تار مو به كار رفته است.
آهنرباي ابررسانا ي DELPHI
خارجي ترين لايه ي DELPHI ، آشكارسازهاي موئون مي باشد. تشخيص موئون ها و مكان يابي دقيق رد آنها ويژگي مهم تمام آشكارسازي هاي DELPHI است. موئون ها زماني پديدار مي شوند كه ذراتي شامل كوارك هاي سنگين تر مانند كوارك هاي افسون و ته، به ذراتي سبك تر ، به وساطت نيروي ضعيف ، تبديل شوند. به عبارت ديگر، موئون ها علامت ذرات حاوي كوارك هاي افسون و ته مي باشند.
آشكارساز OPAL
يكي از دو سرپوش گرماسنج الكترومغناطيس OPAL. هر كدام از اين گرماسنج ها، حاوي ٥٦٦ بلوك شيشه ي سرب دار ، مجموعا به وزن ١٠ تن مي باشند.
در OPAL، دو گرماسنج الكترومغناطيس در دو انتهاي محفظه قرار دارند، كه هر كدام، از بلوك هاي بزرگ قالب بندي شده ي شيشه ي سرب دار صيقلي ، كه در آنها الكترون ها، پوزيترون ها و پروتون ها، جرقه هاي نوراني ايجاد مي كنند، تشكيل شده است. اين نور به واسطه ي تجهيزاتي به علائم الكتريكي تبديل مي شود.
لايه ي خارجي OPAL را آشكارسازهاي موئون تشكيل مي دهد؛ يك محفظه ي استوانه اي از آشكارساز ها كه توانايي مكان يابي ردپا ها را با دقت يك ميليمتر دارد.
داده هاي به دست آمده از LEP
پس از نخستين برخورد ميان الكترون و پوزيترون در سال ١٩٨٩، LEP داده هاي بسيار زيادي را پيش روي محققين قرار داد تا آنها را تجزيه و تحليل نمايند. نخستين نتايج حاصل از تجزيه و تحليل اين داده ها، اطلاعات بسيار ارزشمندي در مورد اينكه چند نوع نوترينو ي سبك را مي توان در ميان ذرات زير اتمي يافت بود .
بطور مثال، با تنظيم دقيق انرژي هاي ذرات شتاب يافته در LEP ، نابودي زوج هايي اتفاق مي افتد كه ذرات خنثاي Z - كه نمادي است براي نشان دادن بوزون هاي نيروي ]هسته اي[ ضعيف – را توليد مي نمايد. اين بوزون هاي نيروي ضعيف، بلافاصله به زوج هاي ديگر ماده – پادماده واپاشيده مي شوند ؛ و البته جرم اين ذرات جديدا تولد يافته، از جرم بوزوني كه آنها را به دنيا آورده كمتر است. اين جرم گمشده، همان جرم نوترينو – پاد نوترينو هايي است كه در اين واكنش به وجود مي آيند و بدون اينكه مستقيما قابل آشكارسازي باشند ، فرار مي كنند.
© کپی رایت توسط ::مقاله دات نت:: پایگاه مقالات ایرانیان کلیه حقوق مادی و معنوی مربوط و متعلق به این سایت و گردآورندگان و نويسندگان مقالات است.)
برداشت مقالات فقط با ذکر منبع امکان پذیر است.
