معجل جسيمات

"Atom smasher" and "Supercollider" redirect here. For other uses, see Atom smasher (توضيح).

The Tevatron (background circle), a synchrotron collider type particle accelerator at Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Batavia, Illinois, USA. Shut down in 2011, until 2007 it was the most powerful particle accelerator in the world, accelerating protons to an energy of over 1 TeV (tera electron volts). Beams of protons and antiprotons, circulating in opposite directions in the rear ring, collided at two magnetically induced intersection points.

Animation showing the operation of a linear accelerator, widely used in both physics research and cancer treatment.

معجل الجسيم هو جهاز يستخدم المجالات الكهرومغناطيسية لتعجيل جسيمات الشحنات الكهربائية إلى سرعات عالية ولتحديدها في أشعة موجهة. Small accelerators are used for fundamental research in particle physics. Accelerators are also used as synchrotron light sources for the study of condensed matter physics. Smaller particle accelerators are used in a wide variety of applications, including particle therapy for oncological purposes, radioisotope production for medical diagnostics, ion implanters for the manufacturing of semiconductors, and accelerator mass spectrometers for measurements of rare isotopes such as radiocarbon.

Large accelerators include the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory in New York, and the largest accelerator, the Large Hadron Collider near Geneva, Switzerland, operated by CERN. It is a collider accelerator, which can accelerate two beams of protons to an energy of 6.5 TeV and cause them to collide head-on, creating center-of-mass energies of 13 TeV. There are more than 30,000 accelerators in operation around the world.

يوجد نوعان من معجلات السرعة: electrostatic and electrodynamic (or electromagnetic) accelerators. Electrostatic particle accelerators use static electric fields to accelerate particles. The most common types are the Cockcroft–Walton generator and the Van de Graaff generator. A small-scale example of this class is the cathode-ray tube in an ordinary old television set. The achievable kinetic energy for particles in these devices is determined by the accelerating voltage, which is limited by electrical breakdown. Electrodynamic or electromagnetic accelerators, on the other hand, use changing electromagnetic fields (either magnetic induction or oscillating radio frequency fields) to accelerate particles. Since in these types the particles can pass through the same accelerating field multiple times, the output energy is not limited by the strength of the accelerating field. This class, which was first developed in the 1920s, is the basis for most modern large-scale accelerators.

Rolf Widerøe, Gustaf Ising, Leo Szilard, Max Steenbeck, and Ernest Lawrence are considered pioneers of this field, having conceived and built the first operational linear particle accelerator, the betatron, as well as the cyclotron. Because the target of the particle beams of early accelerators was usually the atoms of a piece of matter, with the goal being to create collisions with their nuclei in order to investigate nuclear structure, accelerators were commonly referred to as atom smashers in the 20th century. The term persists despite the fact that many modern accelerators create collisions between two subatomic particles, rather than a particle and an atomic nucleus.

 الاستخدامات

تقود خطوط الحزمة من معجل فان ديجراف إلى مختبرات متعددة في المدينة الجامعية جيسي كامبوس في باريس

معجل جسيمات بدائي وهو المسئول عن مضاعفة الجهد الفولتي. وتلك القطعة من المعجل ساهمت في تطوير القنبلة الذرية. بنتها فيليبس سنة 1937 في آيندهوفن وهو موجود حاليا في متحف العلوم الوطني في لندن.

معجل جسيمات مهجور في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت بإسرائيل.

يستفاد من حزم الجسيمات عالية الطاقة في كلا من بحوث العلوم الأساسية والتطبيقية. ويقوم العلماء بإجراء التفاعلات بين الجسيمات في أعلى مستويات الطاقة الممكنة وذلك بغرض أكتشاف جسيمات أولية جديدة ، وفهم بنية المادة و الكون والزمن . وتجرى التفاعلات عن طريق اصتدام جسيمات نعرفها مثل الإلكترونات أو البروتونات عند طاقة حركية للجسيمات تقدر بعدة مئات الميجا إلكترون فولت GeV ، كما وصل مصادم الهدرونات الكبير إلى إجراء تصادم البروتونات عند طاقة قدرها 7 تيرا إلكترون فولت ، أي أعلى 7000 مرة عن 1 جيجا إلكترون فولت.

ويحتاج الفيزيائيون إلى تسريع البروتونات إلى تلك السرعات العظيمة لغرضين  : أولهما : للتغلب على التنافر الذي يحدث بين بروتونين شحنتهما موجبة ، ثانيا :لأن زيادة طاقة البروتونين المتصادمين يمكن بها تخليق جسيمات كتلتها أكبر من كتلة البروتون ، إذ يتحول جزء من طاقة البروتونين عند التصادم إلى مادة (طبقا لتكافؤ المادة والطاقة الذي اكتشفه أينشتاين) . أي أن الأبناء الناتجين عن التفاعل يكونوا أكبر وزنا من آبائهم !. وثالثا : كلما زادت طاقة البروتونات عند التصادم كلما زاد احتمال تكسر البروتون وانطلاق مكوناته التي هي أنواع من الكواركات . حتى أن مكشاف مصادم فيرميلاب يقوم بتسريع البروتونات في دائرة وتسريع نقيض البروتونات - وهو شحنته سالبة - في دائرة أخرى في اتجاه عكسي ، ثم توجيه فيضي البروتونات ونقيض البروتونات للاصتدام ، ودراسة نواتج الاصتدام. وتبدأ دراسة النواتج بقياسها أولا أي استخدام عداد جسيمات.

والتفاعلات و التآثر بين أبسط أشكال الجسيمات هي: اللبتونات (مثل إلكترونات وبوزيترونات وكواركات المادة، أو فوتونات والغلوونات في نظرية المجال الكمي). وبما أنه لايمكن الحصول على كواركات معزولة بسبب حجز اللون إنگليزية: color confinement‏، لذا فإن أبسط التجارب المتاحة تنطوي على أولا: تفاعلات اللبتونات مع بعضها البعض، ثم ثانيا: اللبتونات مع النوكليونات المحتوية على الكواركات والغلوونات. لدراسة اصطدام الكواركات مع بعضها البعض، لجأ العلماء إلى اصطدام النويات والتي قد تكون ذا فائدة في الطاقة العالية نظرا لأنها الأساس لتفاعل جسمين المحتويين على الكواركات والغلوونات. لذا يميل علماءالجسيمات الأولية إلى استخدام الأجهزة لتوليد حزم من الإلكترونات والبوزيترونات والبروتونات ومضاد بروتونات، فتتفاعل مع بعضها البعض أو مع أبسط النويات (مثل نواة الهيدروجين أو ديوتريوم) عند أعلى طاقة ممكنة، بشكل عام مئات من الكترون فولت فما فوق. فقد يستخدم علماء الذرة والكونيات حزم من الذرات المجردة، والخالية من الإلكترونات لفحص بنية وتفاعل وخصائص النويات نفسها وكثافة المادة في كثافة ودرجات حرارة قصوى، مثل التي يعتقد بأنها قد حدثت باللحظة الأولى من الانفجار العظيم.

إضافة إلى كونه ذو أهمية أساسية، فقد تتحد الإلكترونات ذات الطاقة العالية إلى حزم فوتونات متماسكة عالية الطاقة وساطعة بالكامل ـ فوق بنفسجية وأشعة سينيةـ خلال إشعاع سنكروتروني، فالفوتونات لها استخدامات عديدة في دراسة تكوين الذرة وفي الكيمياء وفيزياء المواد المكثفة، وعلوم الأحياء، والتكنولوجيا. ومن الأمثلة المضافة في منشأة السنكترون الأوروبية (ESRF) والتي استخدمت في الآونة الأخيرة لاستخراج صور مفصلة ثلاثية الأبعاد عن الحشرات المحاصرة داخل الكهرمان. ومن ثم هناك طلب كبير على معجلات الإلكترون ذات طاقة الكترون فولت معتدلة وعالية الكثافة.

 معجلات طاقة منخفضة

المثال اليومي لمعجلات الجسيمات هو أنبوب الأشعة المهبطية الموجودة بأجهزة التلفزيون وأيضا مولدات الأشعة السينية. وتلك المعجلات ذات الطاقة المنخفضة تستخدم في العادة زوجا واحدا من الأقطاب الكهربية مع جهد تيار مستمر من عدة آلاف فولت بينهما. وفي مولدات الأشعة السينية، يكون الهدف الذي تصتدم به الإلكترونات المسرعة هو نفسه أحد الأقطاب.

ويسمى أحد المعجلات ذات الطاقة المنخفضة زارع الأيون ion implanter ، وهو يـُستخدم في صناعة الدارات المتكاملة .

 معجلات طاقة عالية

أنواع المعجلات ذات الجهد المستمر DC القادرة على تسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعة كافية يبدأ عندها التفاعل النووي هي مولدات كوكروفت-والتون أو مضاعفات الجهد الفولتي والتي تحول التيار المتردد إلى تيار مستمر عالي الفولتية، أو مولدات فان دي جراف التي تستخدم كهرباء ساكنة ، تقوم أحزمة مطاطية بتكوينها وتراكمها حتى طاقة 2 مليون فولت مثلا.

وتستخدم أضخم وأقوى معجلات الجسيمات مثل RHIC ومصادم الهادرونات الكبير (LHC) التابع لسرن (والذي بدأ بالعمل منذ منتصف نوفمبر 2009‏) وكذلك تيفاترون في تجارب فيزياء الجسيمات.

وتنتج تلك المعجلات أيضا فيضا من البروتونات السريعة ، تقترب سرعتها من سرعة الضوء مثل مصادم الهدرونات الكبير. وينتج بعضها الآخر عناصر غنية بالبروتونات بغرض استخدامها في الطب وهي تختلف عن العناصر الغنية بالنيوترونات والتي يمكن إنتاجها في المفاعلات النووية ، وقد بينت بعض الاكتشافات الجديدة طريقة لإنتاج الموليبدينوم-99 - والذي ينتج عادة في المفاعل النووي - عن طريق تسريع نظائر ثقيلة للهيدروجين, إلا أن تلك الطريقة الجديدة تستلزم أيضا أنتاج النظير الثقيل للهيدروجين تريتيوم في مفاعل نووي. ويوجد مثال لهذا المعجل المسمى LANSCE في مختبر لوس ألاموس الوطني في لوس ألاموس، نيومكسيكو Los Alamos Laboratory ب الولايات المتحدة الأمريكية.

 معجلات السرعة الخطية

في معجلات السرعة الخطية يتم تعجيل الجسيمات في خط مستقيم بحيث يكون الهدف في نهاية الخط. أشهر امثلة لمعجلات السرعة الخطية وأكثر انتشاراً هو أنبوب الأشعة المهبطية والمستخدم في أجهزة التلفاز التقليدية. أطول معجل سرعة خطي هو معجل ستانفورد الخطي إنگليزية: Stanford Linear Accelerator والبالغ طوله ثلاث كيلومترات.

 معجلات السرعة الدائرية

في المعجلات الدائرية يتم تسريع الجسيمات عفي مسار دائري عن طريق مغناطيسات كهربائية تحافظ على منحني دوران فيض الجسيمات المعجلة . و يتميز معجل السرعة الدورانية بإمكانية تعجيل الجسيمات بشكل مستمر ولمدة غير محددة في دائرة المعجل. أكبر معجل دائري حاليا هو مصادم الهدرونات الكبير الموجود على حدود فرنسا و سويسرا و يبلغ محيطه 27 كيلومتر وهو مبني بكامله تحت الأرض على عمق متوسط يبلغ 100 متر. وقد بدأ العمل فعليا عام 2010 والفيزيائيون شغوفون بما سيحصلون منه منن نتائج علمية جديدة قد تغير من فهمنا الحالي لطبيعة الكون .

• يرتبط بناء الكون ، نشأته ومصيره ارتباطا أساسيا بالجسيمات الأولية وخواصها المكونة للكون ، فالجسيمات الأولية هي اللبنات الأولية التي تكوّن الكون ، فمنها تتكون أخف الذرات وهو الهيدروجين ومنها تتكون جميع العناصر الموجودة في الكون ، ومنها الكربون و النيتروجين و الأكسجين و الهيدروجين وهي العناصر التي تكون المادة الحية ، والكائنات الحية ومنها الإنسان.

• لهذا يهتم الفيزيائيون والحكومات ببناء تلك المصادمات الضخمة ، وما تتكلفه من كلفة باهظة (تكلف مصادم الهدرونات الكبير حتى الآن نحو 3 مليار يورو) ، بغرض معرفة بناء الكون ، وموقع الإنسان فيه.

 أنواع من المعجلات

• سيكلوترون
• معجل خطي
• مسرع دوراني تزامني
• مصادم الهدرونات الكبير
• فيرميلاب
• لولب مركب للميونات
• مطياف زمن الطيران

 انظر أيضاً

• Accelerator physics
• Atom smasher (disambiguation)
• Compact Linear Collider
• Dielectric wall accelerator
• Future Circular Collider
• International Linear Collider
• KALI
• Linear particle accelerator
• List of accelerators in particle physics
• Momentum compaction
• Nuclear transmutation
• Rolf Widerøe
• Superconducting Super Collider
• مصادم الهدرونات الكبير
• تجربة أطلس
• تيفاترون
• مكشاف مصادم فيرميلاب

 وصلات خارجية

• Safety for Particle Accelerators
• Stanley Humphries (1999) Principles of Charged Particle Acceleration
• Particle Accelerators around the world
• Wolfgang K. H. Panofsky: The Evolution of Particle Accelerators & Colliders, (PDF), Stanford, 1997
• P.J. Bryant, A Brief History and Review of Accelerators (PDF), CERN, 1994.
• Heilbron, J.L.; Robert W. Seidel (1989). Lawrence and His Laboratory: A History of the Lawrence Berkeley Laboratory. Berkeley: University of California Press. ISBN 978-0-520-06426-3.
• David Kestenbaum, Massive Particle Accelerator Revving Up NPR's Morning Edition article on 9 April 2007
• Ragnar Hellborg, ed. (2005). Electrostatic Accelerators: Fundamentals and Applications. Springer. ISBN 978-3-540-23983-3.
• Annotated bibliography for particle accelerators from the Alsos Digital Library for Nuclear Issues Archived 2010-10-07 at the Wayback Machine
• Accelerators-for-Society.org, to know more about applications of accelerators for Research and Development, energy and environment, health and medicine, industry, material characterization.