بسم الله الرحمن الرحیم
شتاب دهنده ها
(سرگذشت ذرات)
نام درس:مقدمه ای بر تکنولوژی هسته ای
شتابدهنده ها دو مشکل را برای فیزیکدانان حل کرده اند. اول چون همه ذرات شبیه موج رفتار می کنند فیزیکدانان از شتابدهنده ها برای افزایش مومنتوم یک ذره استفاده می کنند.بدین ترتیب طول موج آنها را به اندازه کافی کم می کنند تا بتوانند از آن برای کاویدن درون اتمها استفاده کنند. دوم انرژی ذرات سریع برای ساختن ذرات سنگین که فیزیکدانان می خواهند آن را مطالعه کنند استفاده می شود. شتابدهنده ها چگونه کار می کنند؟ اساسا یک شتابدهنده ذره را می گیرد وآن را بوسیله میدان الکترومغناطیسی سرعت می دهد و و ذره را محکم به یک هدف و یا دیگر ذرات می زند. اطراف نقطه برخورد آشکارسازهایی وجود دارد که اتفاقات بسیاری را ضبط می کند. پرسش : فیزیکدانان چگونه ذراتی که می خواهند مطالعه کنند را بدست می آورند؟
شتابدهنده ها:
الکترونها : گرم کردن یک فلز باعث می شود الکترونها از سطح آن بیرون انداخته شوند. تلویزیون شبیه یک لامپ پرتو کاتودی از این مکانیزم استفاده می کند. پروتونها : آنها به آسانی به وسیله یونیده کردن اتم هیدروژن فراهم می شود. پادذره ها : برای بدست آوردن پادذرات ابتدا ذرات پرانرژی را به هدفی می زنیم. سپس زوجهای ذرات و پادذرات از فوتونهای مجازی و گلئونها ساخته خواهند شد. میدانهای مغناطیسی می توانند برای جدا کردن آنها از هم استفاده شوند.
چگونه ذرات را برای شتاب دادن فراهم کنیم؟
تهیه کردن ذرات نسبتا آسان است. فیزیکدانان الکترونها را به وسیله گرم کردن فلزات می گیرند و پروتونها بوسیله کندن الکترون از هیدروژن بدست می آید. شتابدهنده ها ذرات باردار را به وسیله میدانهای بزرگ الکتریکی که ذرات را جذب و یا دفع می کند شتاب می دهند. در یک شتابدهنده خطی میدان ،از موجهای الکترومغتاطیسی متحرک بوجود می آید. وقتی یک موج الکترومغناطیسی به دسته ای از ذرات برخورد می کند آنهایی که عقب تر هستند بیشترین پیشروی را دارندو آنهایی که جلوترند کمترین پیشروی را. در این طرح ذرات شبیه یک دسته موج سوار بر جلوی موج الکترومغتاطیسی سوار می شوند. صفحه بعد این روند را در یک انیمیشن قابل فهم نمایش می دهد.
شتابدادن ذرات:
انیمیشن شتاب دادن به ذرات:
راههای بسیار مختلفی برای طراحی کردن شتابدهنده ها وجود دارد که هر یک دارای مزایا و معایبی است . در اینجا لیستی از طراحی های شتابدهنده های بزرگ انتخاب شده است. شتابدهنده ها می توانند بر اساس نوع برخورد ها، به دو دسته تقسیم شوند: هدف ثابت : پرتاب ذرات به یک هدف ثابت. باریکه های برخورد کننده : دو پرتو از ذرات با یکدیگر برخورد داده می شوند. شتابدهنده ها در یکی از دو نوع زیر طراحی می شوند: خطی ها : شتابدهنده های خطی که در آن ذره از یک انتها وارد می شود و از انتهای دیگر خارج می شود. سینکروترونها : شتابدهنده هایی که صورت دایره ساخنه می شوند. که در آنها ذرات می چرخند و می چرخند و می چرخند… .
طراحی شتابدهنده:
در یک آزمایش هدف ثابت ذره بارداری همانند الکترون و یا پروتون به وسیله میدان الکتریکی شتاب داده می شودو با یک هدف برخورد می کند که می تواند جامد،مایع و یا گاز باشد. آشکارساز بار ، مومنتوم ، جرم و غیره… ذرات محصول را معلوم می کند. یک مثال این مراحل آزمایش رادرفورد با ورقه طلا است. که در آن منبع رادیواکتیوی ذرات آلفای پر انرژی را تامین می کند.که با هدف ثابت ورقه طلا برخورد می کند. آشکارساز نیز صفحه ای از سولفیدروی بود.
آزمایش های هدف ثابت:
در یک آزمایش باریکه برخورد کننده، دو باریکه از ذرات با انرژی بالا با یکدیگر برخورد می کنند. سودمندی این روش در آن است که هر دو باریکه انرژی جنبشی قابل توجه ای دارند. همچنین در برخورد بین آنها در مقایسه با برخورد هدف ثابت ( با یک باریکه) با انرژی مساوی، احتمال بیشتری برای ایجاد ذرات سنگین وجود دارد . چونکه ما به مطالعه ذراتی با اندازه حرکت زیاد می پردازیم این ذرات طول موج کوتاهی دارند و باعث اکتشافات بهتری می شوند.
آزمایشهای باریکه برخورد کننده:
همه شتابدهنده ها یا خطی هستند یا دایره ای . تفاوت در این است که ذره شبیه گلوله ای از یک تفنگ شلیک می شود( شتابدهنده خطی ) و یا ذره در یک چرخش بسیار سریع می چرخدو در هر بار چرخش ضربه کوچکی را دریافت می کند( شتابدهنده دایره ای ). هر دو نوع ذرات را بوسیله هل دادن آنها با یک میدان الکتریکی شتاب می دهند. شتابدهنده های خطی ، برای آزمایشهای هدف ثابت استفاده می شوند.همچنین به عنوان تزریق کننده شتابدهنده های دایره ای و یا برخورد دهنده های خطی. هدف ثابت: تذریق کننده به شتابدهنده دایره ای: برخورددهنده خطی:
شتابدهنده خطی و دایره ای:
باریکه های حاصل از شتابدهنده دایره ای ( سینکروترون) می تواند برای آزمایشهای برخورد باریکه و یا با خارج کردن از حلقه برای آزمایشهای هدف ثابت نیز استفاده شود. باریکه های برخورد کننده: خارج ساختن برای برخورد به هدف ثابت: ذرات در یک شتابدهنده دایره ای در یک مسیر دایره ای می چرخند زیرا آهنربا های بزرگ مسیر آن را به اندازه کافی خم می کنند تا در داخل شتابدهنده قرار گیرند.
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای:
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
شتابدهنده خطی و دایره ای :
نگه داشتن هر شیئ متحرکی در یک دایره به نیروی ثابتی که به سمت مرکز دایره به شیئ وارد می شود نیاز دارد. در یک شتابدهنده دایره ای ، میدان الکتریکی به ذرات باردار شتاب می دهد در حالی که آهنربا های بزرگ نیروی جانب مرکز لازم برای خم کردن مسیر ذرات در یک دایره را فراهم می آورند.(در شکل چپ سرعت ذرات بوسیله بردار سفید نشان داده شده است در حالی که نیروی جانب مرکز ایجاد شده بوسیله آهنربا ها با بردار زرد نشان داده شده است.) وجود میدان مغناطیسی، انرژی ذرات را زیاد یا کم نمی کند . میدان مغناطیسی، فقط مسیرهای ذرات را در طول قوس شتابدهنده خم می کند. آهنرباها همچنین برای هدایت کردن باریکه های ذرات باردار به سمت هدفها و متمرکز کردن باریکه ها استفاده می شود، همانند کانونی کردن نور توسط عدسیهای نوری. پرسش : اگر میدان مغناطیسی الکنرون را در جهت عقربه های ساعت منحرف کند، پوزیترون در کدام جهت حرکت می کند؟
چگونه یک ذره در یک دایره حرکت می کند؟
مزیت شتابدهنده دایره ای بیشتر از شتابدهنده خطی است زیرا ذرات در یک شتابدهنده دایره ای (سینکروترون)زمان زیادی را می چرخند و در هر بار چرخش چندین ضربه انرژی را دریافت می کنند. بنابر این سینکروترونها می توانند ذرات با انرژی بسیار بالا را بدون زیاد شدن دما فراهم کنند. علاوه بر این چونکه ذرات تعداد دفعات بیشتری می چرخند شانس بیشتری برای برخورد کردن در مکانهایی که باربکه ها به یکدیگر می رسند دارند.از طرف دیگر ساختن شتابدهنده های خطی بسیار ساده تر از شتابدهنده های دایره ای است زیرا آنها به میدانهای مغناطیسی بزرگ برای اینکه ذرات را در یک دایره نگه دارد، نیازی ندارند.همچنین شتابدهنده های دایره ای ، به شعاع خیلی بزرگی برای رساندن ذرات تا انرژی های به اندازه کافی بالا نیازدارند، بنابر این ساختن آنها گران است.
مزیتهای انواع شتابدهنده :
چیز دیگری که فیزیکدانان باید آن را در نظر بگیرند این است که وقتی ذره باردار شتاب داده می شود، پیوسته انرژی، تابش می کند. در انرژیهای بالا،تابش اتلافی برای شتابدهنده دایره ای بیشتر از شتابدهنده خطی است. به علاوه تابش اتلافی برای شتابدهی الکترونها که سبک هستند از پروتونهای سنگینتر بسیار بدتر است. الکترونها و آنتی الکترونها (پوزیترونها) می توانند فقط در شتابدهنده های خطی یا در شتابدهنده های دایره ای که شعاع بزرگی دارند به انرژی های بالا برسند. پرسش:آیا می توان شیئ را شتاب داد در حالی که سرعت آن ثابت است؟
مزیتهای طراحی های شتابدهنده :
ما از شما دعوت می کنیم که در نقشه های شتابدهنده های بزرگ جستجو کنید بنحوی که شما به درستی بتوانید تفاوت های طرحهای شتابدهنده ها را تصدیق کنید: : مرکز شتابدهنده خطی استنفورد در کالیفرنیا، کوارک افسون (مشترکا با شتابدهنده بروکهاون) ولپتون تاو را کشف کرد و اکنون شتابدهنده ای به کار انداخته اند که شمار زیادی از مزون های تولید می کند. : شتابدهنده آزمایشگاه ملی فرمی در ایلینویز، جایی که کوارک های بالا و پایین و نوترینو تاو کشف شدند. : آزمایشگاه فیزیک ذرات اروپا ، در مرز سوئیس و فرانسه جایی که ذرات و کشف شدند. : آزمایشگاه ملی برکهاون ، در نیویورک که هم زمان با شتابدهنده استنفورد کوارک افسون را کشف کرد. : حلقه انبارشی الکترون-پوزیترون در نیویورک که به مطالعه جزئیات کوارک می پردازد. : در آلمان واقع شده است گلوئون ها در اینجا کشف شدند. : شتابدهنده انرژی بالا سازمان پژوهشی ژاپن در حال حاضر این شتابدهنده برای تولید کردن تعداد زیاد مزون های بکار می رود : مجموعه فیزیک انرژی بالا در جمهوری خلق چین که به مطالعه جزئیات لپتون تاو و کوارک افسون می پردازد.
SLAC
B
Fermilab
CERN
w
Z
BNL
CESR
bottom
DESY
KEK
B
IHEP
شتابدهنده های بزرگ :
:slac
مکان Slac:
SLAC (Stanford) (50 GeV)
:fermilab
1929
Ernest Lawrence
(1901 – 1958)
اهن ربای ابر رسانای برخورد دهنده هادران:
CERN:
CERN:
CERN:
Brookhaven-RHIC
HERA, DESY, Hamburg, Germany:
Kekb in tsukuba,japan:
: CESR
رویداد:
همان طور که رادرفورد از سوافیدروی برای آشکار کردن ذرات آلفای غیر مرئی استفاده کرد وسپس از این اطلاعات برای مشخص کردن مسیر ذرات آلفا نیز استفاده کرد ، فیزیک جدید نیز برای استنباط وجود ذرات باید به محصولات واپاشی ذرات توجه کند. فیزیکدانان آشکارساز های ترکیبی چندگانه را برای جستجو کردن ذرات مختلف و محصولات واپاشی طراحی کرده اند که جنبه های مختلفی از یک رویداد را نشان می دهد. هر قسمت از یک آشکارساز مدرن برای اندازه گیری انرژی ها و اندازه حرکت ذرات و یا مشاهده انواع مختلف ذرات استفاده می شود.هنگامی که همه این اجزا برای آشکار کردن یک رویداد با یکدیگر کار می کنند، ذرات منفرد برای تحلیل کردن از گروه های دیگر جدا می شود.پس از هر رویداد کامپیوتر ها مقدار زیادی از اطلاعات حاصل از آشکارسازها را جمع آوری و تفسیر می کنندو نتایج را برای مقایسه به فیزیکدانان نشان می دهند.
آشکارسازها:
فیزیکدانان درباره رویدادهایی که در خلال و پس از برخورد ذرات اتفاق می افتد کنجکاو هستند. به این دلیل آنها آشکارسازهایی را در نواحیی که ذرات حاصل از یک رویداد پاشیده خواهند شد قرار می دهند. آشکارسازها بنابر نوع برخوردی که تحلیل می کنند به روشهای مختلفی ساخته می شوند. هدف ثابت : با یک آزمایش هدف ثابت ذرات ایجاد شده عموما به سمت جلو پرت می شوند بنابر این آشکارسازهای مخروطی شکل و جریان کم قرار داده می شود. باریکه های برخورد کننده: در طول آزمایش باریکه برخورد کننده ، ذرات در همه جهات تابش می کنند ،بنابراین آشکارساز کروی یا معمولا استوانه ای است.
آشکارسازها:
آشکارسازهای مدرن از قطعات بسیار متفاوتی از تجهیزاتی که حالتهای مختلف یک رویداد را آزمایش می کند تشکیل شده است. ترکیبات زیاد به نحوی در آشکارسازها چیده شده اند تا فیزیکدانان بیشترین اطلاعات را از ذرات بوجود آمده از یک رویداد بدست آورند. این یک طرحواره ای از یک آشکارساز نوعی است.
آشکارسازهای مدرن:
آشکارسازهای مدرن:
علت اینکه آشکارسازها به اجزاء بسیار تقسیم می شوند آن است که هر جزء خصوصیات دستهایی از ذرات ویژه را مشخص می کند. این ترکیبات چنان انباشته شده اند که همه ذرات از میان لایه های مختلف متوالی خواهند گذشت. یک ذره تا با آشکار ساز اندرکنش نکند- در یک واکنش قابل اندازه گیری ویا در واپاشی ذرات آشکار پذیر –آشکار نخواهد شد. اندرکنش ذرات مختلف با ترکیبات متفاوت یک آشکارساز:
*نوترینوها در این شکل نمایش داده نشده اند زیرا آنها به ندرت با ماده اندرکنش می کنندو تنها می توان به وسیله ماده و انرژی گم شده آنها را آشکارسازی کرد. همان طور که می دانید پایون یک مزون باردار است*
ترکیبات یک آشکارساز نوعی:
چند نکته مهم : 1- ذرات باردار مانند الکترونها و پروتونها در اتاقک رد و گرما سنج الکترومغناطیسی آشکار می شود. 2- ذرات خنثی شبیه نوترونها و فوتونها در اتاقک رد اثر نمی گذارند ، آنها تنها وقتی آشکار می شوند که با آشکارساز اندرکنش می کنند . فوتونها بوسیله گرماسنج میادن الکترومغناطیسی آشکار می شود. در حالی که نوترونها بوسیله انرژی که در گرماسنج هادرونی می گذارند آشکار می شود. 3- هر نوع ذره علامت مخصوص خودش را در آشکارساز دارد . برای مثال اگر فیزیکدان یک ذره را تنها در گرماسنج الکترومغناطیسی آشکار کند پس او نسبتا مطمئن می شود که یک فوتون را مشاهده کرده است. یک الکترون و پوزیترون وقتی ایجاد می شوند که یک ذره و پادذره اش به صورت شاخ به شاخ –عمود بر این صفحه- برخورد کنند. چه قانون بقایی به نظر می رسد که نقض شده است؟
ترکیبات یک آشکارساز نوعی:
یک کار مهم آشکارساز اندازه گیری بار و تکانه ذره است. به این خاطر قسمت داخلی آشکارساز ،مخصوصا ابزار آشکار کنند ه رد را در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می دهند.علامتهای ذرات باردار می تواند به آسانی از مسیرهایشان خوانده شود. به طوری که ذرات مثبت و منفی در یک میدان مغناطیسی یکسان در مسیرهای مخالف هم انحنا می گیرند. تکانه ذرات می تواند محاسبه شود زیرا مسیرهای ذرات با تکانه بیشتر کمتر از آنهایی که تکانه کمتری دارند خم می شود. زیرا ذره با تکانه بزرگتر زمان کمتری را در میدان مغناطیسی خواهد گذراند ویا لختی بیشتری از ذره با تکانه کمتر دارد وبنابراین در میدان مغناطیسی کمتر خم می شود. پرسش : مسیر ذرات خنثی در میدان مغناطیسی در چه جهتی خم می شود؟
اندازه گیری بار و تکانه:
برای دادن یک ایده به شما از مسیری که ذرات در داخل یک آشکارساز بدست می آورند، نمایی از مقطع عرضی از یک آشکارساز را نمایش داده ایم.توجه کنید که لوله باریکه های برخورد کننده بسمت بیرون است.به، مکانهای مختلفی که ذرات متنوع آشکار خواهند شد توجه کنید. فیزیکدانان می توانند نوع ذره را بر اساس اینکه در کجای آشکارساز آشکار شده است بفهمند.
مقطع عرضی آشکارساز:
برای دادن یک ایده به شما از مسیری که ذرات در داخل یک آشکارساز بدست می آورند، نمایی از مقطع عرضی از یک آشکارساز را نمایش داده ایم.توجه کنید که لوله باریکه های برخورد کننده بسمت بیرون است.به، مکانهای مختلفی که ذرات متنوع آشکار خواهند شد توجه کنید. فیزیکدانان می توانند نوع ذره را بر اساس اینکه در کجای آشکارساز آشکار شده است بفهمند.
مقطع عرضی آشکارساز:
FERMIlab:
اشکارسازD_Zero
آشکارسازها میلیونها نکته اطلاعاتی را درخلال رویدادهای برخورد ثبت می کنند.به این دلیل لازم است که اجازه بدهیم تا کامپیوتر این داده ها را بررسی کند ومسیر واپاشی هایی که زیاد محتمل است را مشخص کند. وهمچنین بی نظمی موجود در رفتاری که انتظارمی رفت . این یک شبیه سازی کامپیوتری از رویداد برخورد یک پروتون وآتی پروتون است، که یک جفت الکترون وپوزیترون ایجادکرده است وهمچنین بسیاری ذرات دیگر را . این حادثه ویژه وبسیاری دیگر شبیه آن مدرکی برای وجود بوزون ،.که یکی از ذرات حامل برای برخوردی که کوارکهای را تولید می کند، فراهم می نماید. ازمیان تحلیلهای رویدادهایی شبیه اینها است که فیزیکدانان مدرکی برای مدل استاندارد پیداکرده اند.
Z
top
شبیه سازی کامپیوتری:
در این تصاویر باریکه های الکترون وپوزیترون عمود برصفحه هستند و با یکدیگر برخورد می کنندوسپس نابودمی شوند. کوارکها وپادکوارکهای تولیدشده برای ایجادکردن مزونها وباریونها بایکدیگرترکیب می شوند، که اثرآنها مشاهده می شود. درطرف چپ سه دسته تولیدشده بوسیله یک کوارک وپادکوارکش ویک گلئون مدرکی ایجادمی کند برای وجودگلئونها .درسمت راست دودسته ازذرات پشت به پشت که بوسیله یک کوارک وحرکت مخالف پادکوارکش تولید شده است نشان داده شده اند.
یک رویداد کوارک –گلئون:
شتاب دهنده های پزشکی:
شتاب دهنده های پزشکی:
شتابدهنده سیکلوترون:
تااکنون شما تکنیکهایی را دیده اید که برای امتحان کردن دلایل آزمایشگاهی که مدل استاندارد را تایید میکنند بکار می روند. بطور خلاصه فیزیکدانان ازشتابدهنده ها برای دیدن ساختار داخلی ذرات استفاده می کنند. آشکارسازها اطلاعاتی راکه بوسیله کامپیوترها و سپس افراد تفسیر میشوند جمع آوری میکند.
پایان:
منابع و وب سایت برای اطلاعات بیشتر:
http://www.bnl.gov-brokhaven( N.lab)
http://ww.slac.stanford.edu (stanford)
http://www.fnal.gov (FERMIlab)
http://www.cern.ch (CERN)
http://www.wikipedia.com
انرژی هسته ای-نویسنده:ریموند ال مورای-ترجمه:دکتر نایینی.