شتاب‌‌دهنده‌ها و آشکارسازهای ذرات – قسمت اول

مقدمه

برای کاوش در مورد ساختار هسته (فیزیک هسته‌ای) یا هادرون‌ها (فیزیک ذرات) نیاز به پرتابه‌هایی است که با طول موج آن‌ها به کوچکی شعاع مؤثر هسته‌ها یا هادرون‌ها باشد. این امر مستلزم حداقل تکانه (رجوع به فیزیک ۱ دانشگاهی) و بنابراین یک حداقل انرژی برای پرتابه‌ها است. اغلب آزمایش‌ها با استفاده از باریکه‌ی ذراتی صورت می‌گیرند که توسط دستگاه‌هایی به نام شتاب‌دهنده تولید می‌شوند. این امر دارای این ارجحیت بزرگ است که پرتابه‌ها از یک نوع هستند و انرژی آن‌ها توسط آزمایش‌گر قابل کنترل است. بدین‌ طریق، باریکه‌های تقریباً تک انرژی تولید می‌شوند که برای بررسی وابستگی برهمکنش‌ها به انرژی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

(البته با این همه‌، هنوز آزمایش‌های مهمی بدون استفاده از شتاب‌دهنده‌ها صورت می‌گیرد. به عنوان مثال، برخی از آزمایش‌ها در مورد نوسان نوترینوها وجود دارد که با استفاده از رآکتورهای هسته‌ای یا تابش کیهانی صورت می‌گیرند که شرح آن خارج از این مبحث است. در واقع پرتوهای کیهانی هنوز به عنوان چشمه‌ برخی از ذرات بسیار پرانرژی محسوب می‌شوند.)

باریکه‌ی ذرات پس از تولید به سمت هدف هدایت می‌شود و در برخورد با هدف، برهمکنش مطلوب انجام می‌گیرد. در آزمایش‌های هدف ثابت،‌ هدف در آزمایشگاه ثابت و ساکن است. آزمایش‌های فیزیک هسته‌ای تقریباً همگی از این نوع می‌باشند و اغلب آزمایش‌های فیزیک ذرات نیز از همین نوع‌ هستند.

_65863872_65863871

در فیزیک ذرات برای تولید ذرات جدید و ناپایدار، نیاز به انرژی بالا می‌باشد و به همین دلیل، آزمایش‌های هدف ثابت، چندان مطلوب نیستند و بهتر است که هم ذرات هدف و هم پرتابه نسبت به آزمایشگاه در حال حرکت باشند. در این آزمایش‌ها، انرژی مرکز جرم (رجوع به فیزیک ۱ دانشگاهی)، حائز اهمیت است. زیرا گویای انرژی تأمین شده برای خلق ذرات جدید می‌باشند. در دستگاه مرجع آزمایشگاه، حداقل برخی از ذرات نهایی بایستی در حال حرکت باشند تا پایستگی تکانه حفظ شود. در نتیجه بخشی از انرژی باریکه‌ی اولیه بایستی به صورت انرژی جنبشی ذرات نهایی درآید و نمی‌تواند صرف تولید ذرات شود. در مقابل در دستگاه، مرکز جرم تکانه کل صفر است و علی‌الحصول تمام انرژی برای تولید ذرات در دسترس می‌باشد. در انرژی‌های بالا، بخش کوچکی از انرژی باریکه برای تولید ذرات در دسترس خواهد بود و بخش عمده آن صرف انتقال انرژی جنبشی به هدف خواهد شد.

در یک شتاب‌دهنده‌ی  “برخورد باریکه”، دو باریکه‌‌ی ذرات، تقریباً در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند و زاویه‌ی برخورد آن‌ها صفر یا نزدیک به صفر است. اگر برای راحتی کار فرض کنیم که ذرات دو باریکه دارای جرم و انرژی آزمایشگاهی EL  (بخوانید ای ال) یکسان هستند و زاویه‌ی برخورد آن‌ها صفر است، در این صورت انرژی مرکز جرم برابر خواهد بود با:

ECM = 2EL

این انرژی به طور خطی با انرژی ذرات شتاب داده شده، متناسب است و بنابراین نسبت به حالت هدف ثابت، به میزان قابل توجهی بیشتر است. آزمایش‌های برخورد بین باریکه‌ها بایستی پایدار باشند که این سبب می‌شود برهمکنش‌های قابل مطالعه محدود باشند و آهنگ برخورد در ناحیه‌ی برهمکنش کوچک‌تر از حالت آزمایش‌های هدف‌-ثابت باشد. زیرا چگالی ذرات باریکه‌ بایستی کمتر از چگالی مربوط به یک هدف جامد یا مایع باشد.

نهایتاً جزئیات ذرات تولید شده (برای مثال تکانه‌ی آنها) از طریق مشاهده‌ برهمکنش‌ آنان با ماده آشکارسازها استنباط می‌شود. این آشکارسازها در کنار ناحیه‌ برهمکنش‌ قرار داده می‌شوند. انواع زیادی از آشکارسازها برای این منظور به کار می‌روند. برخی از این آشکارسازها دارای ویژگی‌های اختصاصی هستند و برخی دیگر چند منظوره‌ می‌باشند. در آزمایش‌های نوین به ویژه آزمایش‌های مربوط به ذرات بنیادی، به طور همزمان از چند نوع آشکارساز استفاده می‌شود.

در ادامه ما به معرفی و توصیف انواع شتاب‌دهنده‌ها و باریکه‌هایی که می‌توانند تولید کنند، به طور خلاصه خواهیم پرداخت و چگونگی تولید باریکه‌های خنثی و ناپایدار را نیز شرح می‌دهیم. سپس به تشریح نحوه‌ی برهمکنش‌ ذرات با ماده پرداخته و نهایتاً نحوه‌ی به‌کارگیری این فرآیندها در ساخت انواع آشکارسازهای ذرات را مرور خواهیم کرد.

ادامه دارد ….

منبع:  کتاب مقدمه‌ای بر فیزیک هسته‌ای و ذرات بنیادی نوشته‌ی بی‌.آر.مارتین، ترجمه‌ی نعمت‌اله ریاضی و عبداله‌ محمدی، نشر دانشگاه شیراز

image_pdfimage_print
(5 نفر , میانگین : 3٫40 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=1265
اسماعیل جوکار

اسماعیل جوکار

نویسنده این مطلب: اسماعیل جوکار، دانشجوی مقطع کارشناسی فیزیک، علاقمند به فیزیک، نجوم و کیهان شناسی می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *