مقدمه

براي كاوش در مورد ساختار هسته (فيزيك هسته‌اي) يا هادرون‌ها (فيزيك ذرات) نياز به پرتابه‌هايي است كه با طول موج آن‌ها به كوچكي شعاع مؤثر هسته‌ها يا هادرون‌ها باشد. اين امر مستلزم حداقل تكانه (رجوع به فيزيك 1 دانشگاهي) و بنابراين يك حداقل انرژي براي پرتابه‌ها است. اغلب آزمايش‌ها با استفاده از باريكه‌ي ذراتي صورت مي‌گيرند كه توسط دستگاه‌هايي به نام شتاب‌دهنده توليد مي‌شوند. اين امر داراي اين ارجحيت بزرگ است كه پرتابه‌ها از يك نوع هستند و انرژي آن‌ها توسط آزمايش‌گر قابل كنترل است. بدين‌ طريق، باريكه‌هاي تقريباً تك انرژي توليد مي‌شوند كه براي بررسي وابستگي برهمكنش‌ها به انرژي، مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

(البته با اين همه‌، هنوز آزمايش‌هاي مهمي بدون استفاده از شتاب‌دهنده‌ها صورت مي‌گيرد. به عنوان مثال، برخي از آزمايش‌ها در مورد نوسان نوترينوها وجود دارد كه با استفاده از رآكتورهاي هسته‌اي يا تابش كيهاني صورت مي‌گيرند كه شرح آن خارج از اين مبحث است. در واقع پرتوهاي كيهاني هنوز به عنوان چشمه‌ برخي از ذرات بسيار پرانرژي محسوب مي‌شوند.)

باريكه‌ي ذرات پس از توليد به سمت هدف هدايت مي‌شود و در برخورد با هدف، برهمكنش مطلوب انجام مي‌گيرد. در آزمايش‌هاي هدف ثابت،‌ هدف در آزمايشگاه ثابت و ساكن است. آزمايش‌هاي فيزيك هسته‌اي تقريباً همگي از اين نوع مي‌باشند و اغلب آزمايش‌هاي فيزيك ذرات نيز از همين نوع‌ هستند.

در فيزيك ذرات براي توليد ذرات جديد و ناپايدار، نياز به انرژي بالا مي‌باشد و به همين دليل، آزمايش‌هاي هدف ثابت، چندان مطلوب نيستند و بهتر است كه هم ذرات هدف و هم پرتابه نسبت به آزمايشگاه در حال حركت باشند. در اين آزمايش‌ها، انرژي مركز جرم (رجوع به فيزيك 1 دانشگاهي)، حائز اهميت است. زيرا گوياي انرژي تأمين شده براي خلق ذرات جديد مي‌باشند. در دستگاه مرجع آزمايشگاه، حداقل برخي از ذرات نهايي بايستي در حال حركت باشند تا پايستگي تكانه حفظ شود. در نتيجه بخشي از انرژي باريكه‌ي اوليه بايستي به صورت انرژي جنبشي ذرات نهايي درآيد و نمي‌تواند صرف توليد ذرات شود. در مقابل در دستگاه، مركز جرم تكانه كل صفر است و علي‌الحصول تمام انرژي براي توليد ذرات در دسترس مي‌باشد. در انرژي‌هاي بالا، بخش كوچكي از انرژي باريكه براي توليد ذرات در دسترس خواهد بود و بخش عمده آن صرف انتقال انرژي جنبشي به هدف خواهد شد.

در يك شتاب‌دهنده‌ي  “برخورد باريكه”، دو باريكه‌‌ي ذرات، تقريباً در جهت‌هاي مخالف حركت مي‌كنند و زاويه‌ي برخورد آن‌ها صفر يا نزديك به صفر است. اگر براي راحتي كار فرض كنيم كه ذرات دو باريكه داراي جرم و انرژي آزمايشگاهي EL  (بخوانيد اي ال) يكسان هستند و زاويه‌ي برخورد آن‌ها صفر است، در اين صورت انرژي مركز جرم برابر خواهد بود با:

ECM = 2EL

اين انرژي به طور خطي با انرژي ذرات شتاب داده شده، متناسب است و بنابراين نسبت به حالت هدف ثابت، به ميزان قابل توجهي بيشتر است. آزمايش‌هاي برخورد بين باريكه‌ها بايستي پايدار باشند كه اين سبب مي‌شود برهمكنش‌هاي قابل مطالعه محدود باشند و آهنگ برخورد در ناحيه‌ي برهمكنش كوچك‌تر از حالت آزمايش‌هاي هدف‌-ثابت باشد. زيرا چگالي ذرات باريكه‌ بايستي كمتر از چگالي مربوط به يك هدف جامد يا مايع باشد.

نهايتاً جزئيات ذرات توليد شده (براي مثال تكانه‌ي آنها) از طريق مشاهده‌ برهمكنش‌ آنان با ماده آشكارسازها استنباط مي‌شود. اين آشكارسازها در كنار ناحيه‌ برهمكنش‌ قرار داده مي‌شوند. انواع زيادي از آشكارسازها براي اين منظور به كار مي‌روند. برخي از اين آشكارسازها داراي ويژگي‌هاي اختصاصي هستند و برخي ديگر چند منظوره‌ مي‌باشند. در آزمايش‌هاي نوين به ويژه آزمايش‌هاي مربوط به ذرات بنيادي، به طور همزمان از چند نوع آشكارساز استفاده مي‌شود.

در ادامه ما به معرفي و توصيف انواع شتاب‌دهنده‌ها و باريكه‌هايي كه مي‌توانند توليد كنند، به طور خلاصه خواهيم پرداخت و چگونگي توليد باريكه‌هاي خنثي و ناپايدار را نيز شرح مي‌دهيم. سپس به تشريح نحوه‌ي برهمكنش‌ ذرات با ماده پرداخته و نهايتاً نحوه‌ي به‌كارگيري اين فرآيندها در ساخت انواع آشكارسازهاي ذرات را مرور خواهيم كرد.

ادامه دارد ….

منبع:  كتاب مقدمه‌اي بر فيزيك هسته‌اي و ذرات بنيادي نوشته‌ي بي‌.آر.مارتين، ترجمه‌ي نعمت‌اله رياضي و عبداله‌ محمدي، نشر دانشگاه شيراز