کوچکترین شتاب دهنده ذرات جهان ۵۴ میلیون بار کوچکتر از برخورد دهنده بزرگ هادرون است و کار می کند.
دانشمندان اولین شتاب دهنده الکترونی نانوفوتونیک جهان را ساخته اند، دستگاهی کوچک که می تواند با استفاده از پالس های لیزری کوچک، ذرات دارای بار منفی را شتاب دهد. این شتاب دهنده کوچک که به اندازه یک سکه است، می تواند کاربردهای مختلفی از جمله استفاده در درمان های پزشکی داشته باشد.
شتاب دهنده الکترونی نانوفوتونیک از یک میکروچیپ با یک لوله شتاب کوچک تشکیل شده است که تنها چند میلی متر طول دارد. این دستگاه که در تصویر کنار یک دای دیده می شود، اخیرا برای اولین بار فعال شده است. این دستاورد امکان استفاده از چنین شتاب دهنده های کوچکی را در کاربردهای پزشکی و به طور بالقوه در داخل بیماران فراهم می کند.
این شتاب دهنده که شتاب دهنده الکترونی نانوفوتونیک (NEA)نامیده می شود، با هدایت پرتوه ای کوچک لیزر به هزاران ستون منفرد در یک لوله خلا کوچک روی میکروچیپ عمل می کند. لوله شتاب اصلی بسیار کوتاه است و تنها ۰.۰۲ اینچ (۰.۵ میلی متر)اندازه دارد که در تضاد کامل با حلقه ۱۶.۸ مایلی (۲۷ کیلومتری)برخورددهنده بزرگ هادرونی سرن (LHC)، بزرگ ترین شتاب دهنده ذرات جهان است.
تونل داخلی NEA تنها ۲۲۵ نانومتر عرض دارد که بسیار کوچک تر از موی انسان است که ۸۰ تا ۱۰۰ هزار نانومتر ضخامت دارد. در مطالعه اخیر، محققان دانشگاه فردریش – الکساندر ارلانگن – نورنبرگ (FAU)آلمان با استفاده از NEA انرژی الکترون های شتاب یافته را با موفقیت افزایش دادند.
این مطالعه که در مجله Nature منتشر شده است، از افزایش انرژی الکترون از ۲۸.۴ کیلو الکترون ولت به ۴۰.۷ کیلو الکترون ولت خبر می دهد که نشان دهنده افزایش ۴۳ درصدی است. این اولین فعال سازی موفقیت آمیز یک شتاب دهنده الکترونی نانوفوتونیکی است که در سال ۲۰۱۵ پیشنهاد شد. در حالی که محققان دانشگاه استنفورد نیز به این موضوع دست یافته اند، نتایج آن ها هنوز در دست بررسی است.
میدان مغناطیسی NEA با شلیک پرتوه ای نور به ستون های موجود در لوله خلا، انرژی را به شکلی متفاوت از LHC تقویت می کند. میدان انرژی حاصل از برخورددهنده ها ضعیف تر است و الکترون های شتاب یافته انرژی بسیار کمتری نسبت به الکترون های برخورددهنده های بزرگ دارند. با این حال، محققان معتقدند که بهبود در طراحی، مانند استفاده از مواد جایگزین یا انباشت چندین لوله، می تواند شتاب ذرات را افزایش دهد.
هدف نهایی استفاده از انرژی ساطع شده از الکترون های شتاب یافته در درمان های پزشکی هدفمند است که به طور بالقوه جایگزین اشکال مضر رادیوتراپی مورد استفاده برای درمان سرطان می شود. این چشم انداز شامل قرار دادن یک شتاب دهنده ذرات بر روی آندوسکوپ برای تجویز مستقیم رادیوتراپی به مناطق آسیب دیده درون بدن است. علی رغم پیشرفت، این اپلیکیشن همچنان یک چشم انداز دور از دسترس است.
سوالات
سرن و بوزون هیگز چیست؟
به گفته سرن، بوزون هیگز که اغلب “ذره خدا” نامیده می شود، ذره کوچکی است که ۱۲۵ میلیارد الکترون ولت وزن دارد که ۱۳۰ برابر سنگین تر از پروتون است. هیچ بار الکتریکی و اسپین صفر ندارد که نشان دهنده مفهوم مکانیک کوانتومی مشابه تکانه زاویه ای است. بوزون هیگز در میان ذرات بنیادی منحصر به فرد است زیرا اسپین ندارد.
برخورد دهنده هادرون چگونه کار می کند؟
برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC)قدرتمندترین شتاب دهنده در سطح جهان است که ذراتی مانند پروتون ها، بلوک های سازنده تمام مواد شناخته شده را تقویت می کند. این ذرات تقریبا با سرعت نور شتاب می گیرند و سپس با پروتون های دیگر برخورد می کنند. این برخوردها منجر به ایجاد ذرات عظیمی مانند بوزون هیگز یا کوارک بالایی می شوند.
برخورددهنده ذرات چگونه کار می کند؟
شتاب دهنده های ذرات خاصی که به عنوان برخورد دهنده شناخته می شوند، ماشین های ویژه ای هستند که می توانند با استفاده از ذرات باردار مانند پروتون ها یا الکترون ها اتم ها را از هم جدا کنند. در ابتدا، شتاب دهنده از الکتریسیته برای پیش راندن ذرات باردار در طول یک مسیر استفاده می کند و سرعت آن ها را افزایش می دهد.
آیا LHC هنوز هم مفید است؟
اگرچه دانشمندان نامزدهای متعددی برای ماده تاریک دارند، ذرات مرموزی که بیشتر جهان را تشکیل می دهند، LHC همچنان ابزاری ارزشمند برای تحقیقات مداوم است. حتی اگر ذره خاص ماده تاریک شناسایی نشده باشد، LHC برای حل این معمای علمی مهم حیاتی است.
آیا سرن اکنون روشن شده است؟
این فرآیند در ۱۳ فوریه ۲۰۲۳ آغاز شد، زمانی که Linac۴ راه اندازی پرتو را آغاز کرد، یک دوره کوتاه تنظیم دستگاه قبل از شروع عملیات کامل در ۱۷ فوریه. فعالیت های سرن در حال حاضر در جریان است.
چرا سرن متوقف شد؟
در دسامبر ۲۰۱۸، برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن، واقع در نزدیکی ژنو سوئیس، برای بهبود و به روزرسانی موقتا تعطیل شد. پس از بیش از سه سال وقفه برنامه ریزی شده، حالا LHC آماده است تا دور سوم فعالیت خود را که با نام Run ۳ شناخته می شود، ازسر بگیرد.
در سال ۲۰۲۳ در سرن چه گذشت؟
نسخه مه / ژوئن ۲۰۲۳ سرن کوریر پیشرفت های قابل توجهی را گزارش کرد، از جمله اعلام اولین نوترینوهای برخورد دهنده، اندازه گیری های بهبود یافته جرم W، محدودیت های جدید در نوترینوهای مایورانا، محدودیت های فزاینده دقیق در خواص ماده تاریک، و یافته های قابل توجه دیگری که در رویداد رنه د موریند ارائه شد.
تعاریف
شتاب دهنده الکترونی نانوفوتونیک (NEA):
دستگاهی کوچک که با استفاده از پالس های لیزری کوچک، ذرات دارای بار منفی را شتاب می دهد. این ماده به اندازه یک سکه است و کاربردهای بالقوه ای در زمینه های مختلف از جمله پزشکی دارد.
بوزون هیگز:
که اغلب به آن “ذره خدا” گفته می شود، بوزون هیگز یک ذره بنیادی کوچک با جرم ۱۲۵ میلیارد الکترون ولت است. این ذره ۱۳۰ برابر بزرگ تر از یک پروتون است، بار الکتریکی صفر دارد و اسپین ندارد و آن را در میان ذرات بنیادی منحصر به فرد می کند.
برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC):
قدرتمندترین شتاب دهنده ذرات در سطح جهان، واقع در سرن در نزدیکی ژنو سوئیس این ماده ذراتی مانند پروتون ها را تا نزدیکی سرعت نور شتاب می دهد و باعث برخورد ذرات دیگری مانند بوزون هیگز می شود.
برخورد دهنده ذرات:
یک ماشین ویژه که به عنوان یک برخورد دهنده نیز شناخته می شود و می تواند اتم ها را با استفاده از ذرات باردار مانند پروتون ها یا الکترون ها از هم جدا کند. این برخوردها ذرات مختلفی را برای مطالعه علمی تولید می کنند.
ماده تاریک:
ذرات مرموزی که بخش قابل توجهی از جهان را تشکیل می دهند. جستجو برای ماده تاریک شامل شناسایی ذرات خاص است و LHC یک ابزار حیاتی در این تحقیق است.
Linac4
یک جز در سرن که راه اندازی پرتو را آغاز می کند، یک فرآیند تنظیم دستگاه قبل از عملیات کامل. این بخشی از سیستم شتاب ذرات است.
Run ۳ (در سرن):
این برنامه به دنبال یک وقفه برنامه ریزی شده برای بهبود و به روز رسانی امکانات است.
colliders:
شتاب دهنده های ذرات تخصصی، مانند LHC، قادر به خرد کردن اتم ها با استفاده از ذرات باردار مانند پروتون ها یا الکترون ها هستند.
Rencontres de Moriond
رویدادی که در آن اعلامیه ها و سخنرانی های مهمی در ارتباط با فیزیک ذرات انجام می شود. در سال ۲۰۲۳، شامل اولین نوترینوهای برخورد دهنده، اندازه گیری های بهبود یافته جرم W، محدودیت های جدید در نوترینوهای مایورانا و محدودیت هایی در خواص ماده تاریک بود.
منابع
