شتاب دهنده
شتاب‌دهنده (accelerator)
در فیزیک، ابزاری برای افزایش سرعت و انرژی ذرات باردار، مانند پروتون‌ها و الکترون‌ها، به‌حدی که بتوان از این ذرات در صنعت، پزشکی، و فیزیک محض استفاده کرد. از ذرات شتاب‌یافته با انرژی کم می‌توان برای ایجاد تصویر در صفحۀ تلویزیون (لامپ پرتو کاتدی[۱])، و تولید پرتوهای ایکس، برای ازبین‌بردن یاخته‌های توموری، یا کشتن باکتری‌ها استفاده کرد. وقتی ذرات پرانرژی به ذرات دیگر برخورد می‌کنند، پاره‌ذره‌های ایجادشده ماهیت نیروهای بنیادی[۲] بین‌ذرات را آشکار می‌کنند. در شتاب‌دهنده‌های اولیه‌ای که براساس مولدهای وان دِ خراف[۳] ساخته می‌شدند، از ولتاژهای زیاد استفاده می‌شد که میدان‌های الکتریکی قوی و بدون تغییر ایجاد می‌کرد. ذرات باردار ضمن عبور از این میدان الکتریکی شتاب می‌گرفتند. اما از آن‌جا که ولتاژ تولیدی مولد محدود است، این شتاب‌دهنده‌ها جای خود را به دستگاه‌هایی دادند که در آن‌ها ذرات از درون حوزۀ میدان‌های الکتریکی متناوب گذر می‌کنند و پی‌درپی برای شتاب‌گرفتن تحت فشار قرار می‌گیرند. اولین شتاب‌دهنده از این نوع شتاب‌دهندۀ خطی[۴] یا لیناک[۵] بود. لیناک متشکل از یک رشته لوله‌های فلزی، با نام لوله‌های رانش[۶] است که ذرات از درون آن‌ها می‌گذرند. این ذرات در شکاف‌های بین لوله‌های رانش، براثر میدان الکتریکی، شتاب می‌گیرند. راه دیگر برای استفادۀ مکرر از میدان الکتریکی، خم‌کردن مسیر ذرّه به‌شکل دایره است، به‌نحوی که ذرات مکرراً از همان میدان الکتریکی بگذرند. اولین شتاب‌دهنده از این دست سیکلوترون[۷] بود که برای اولین‌بار ارنست لارنس[۸]، فیزیک‌دان امریکایی، آن را در اوایل دهۀ ۱۹۳۰ طرح کرد. یکی از پرقدرت‌ترین شتاب‌دهنده‌های جهان دستگاهی با قطر ۲ کیلومتر است که در آزمایشگاه فِرمی[۹]، در نزدیکی شهر باتاویا[۱۰]، در ایالت ایلینوی[۱۱] امریکا قرار دارد. در این دستگاه، که به تواترون[۱۲] معروف است، پروتون و پادپروتون[۱۳]ها پس از شتاب‌دهی تا انرژی‌های هزار میلیارد الکترون ولت (TeV۱) به‌هم برخورد می‌کنند. نام تواترون برگرفته از TeV است. بزرگ‌ترین شتاب‌دهندۀ موجود برخورددهندۀ بزرگ الکترون ـ پوزیترون[۱۴] در سرن[۱۵]، واقع در نزدیکی ژنو[۱۶] است که از ۱۹۸۹ تا ۲۰۰۰ دایر شد. محیط آن ۲۷ کیلومتر است و الکترون و پوزیترون[۱۷]ها، قبل از برخورد با هم، حول آن شتاب می‌گیرند. طولانی‌ترین لیناک جهان دستگاه برخورددهندۀ باریکۀ ذرات، با نام برخورددهنده خطی استنفورد[۱۸]، در کالیفرنیا[۱۹]ست که در آن الکترون و پوزیترونها در امتداد مسیر مستقیمی به طول ۳.۲ کیلومتر شتاب می‌گیرند و سپس برای برخورد رودررو با دیگر ذرات، مانند پروتون و نوترون، هدایت می‌شوند. این‌گونه آزمایش‌ها ابزاری برای نشان‌دادن این واقعیت بوده‌اند که پروتون و نوترون از ذرات بنیادی[۲۰] کوچک‌تری با نام کوارک[۲۱]ها ساخته شده‌اند. هر سیکلوترون متشکل از یک الکترومغناطیس با دو سازۀ نیم‌دایره‌ای مجَوَف فلزی با نام دی[۲۲]هاست که بین قطب‌های الکترومغناطیس سوار شده‌اند. ذراتی مانند پروتون، از مرکز دستگاه وارد می‌شوند و در مسیری مارپیچ حرکت می‌کنند و میدان الکتریکی نوسان‌کننده‌ای، هربار که ذرات از شکاف‌های بین دی‌ها گذر می‌کنند، به آن‌ها شتاب می‌دهد. سیکلوترون قادر است ذرات را به انرژی‌هایی بیشتر از ۲۵میلیون الکترون ولت شتاب دهد. برای ایجاد انرژی‌های زیادتر، به فناوری‌های تازه‌ای نیاز است. در سینکروترون[۲۳]، الکترومغناطیس‌ها حرکت ذرات را در مسیری دایره‌ای با شعاع ثابت هدایت می‌کنند. برای نگاه‌داشتن ذرات در مسیر درست، شدت الکترومغناطیس‌ها را تغییر می‌دهند. میدان‌های الکتریکی ذرات را در نقاطی حول مسیر شتاب می‌دهند. شتاب‌دهنده‌های اولیه باریکۀ ذرات را بر روی هدف ساکنی هدایت می‌کردند، اما شتاب‌دهنده‌های بزرگ جدید معمولاً باریکۀ ذراتی را به‌هم برخورد می‌دهند که در جهات مخالف یکدیگر حرکت می‌کنند. این آرایش انرژی مؤثر برخورد را دوبرابر می‌کند.
- ↑ cathode-ray tube
- ↑ fundamental forces
- ↑ Van de Graaff Generators
- ↑ linear accelerator
- ↑ linac
- ↑ drift tubes
- ↑ cyclotron
- ↑ Ernest Lawrence
- ↑ Fermilab
- ↑ Batavia
- ↑ Illinois
- ↑ Tevatron
- ↑ antiproton
- ↑ Large Electron Positron Collider
- ↑ Cern
- ↑ Geneva
- ↑ positron
- ↑ Stanford Linear Collider
- ↑ California
- ↑ elementary particles
- ↑ quark
- ↑ dee
- ↑ synchrotron