فرسان العلم الحديث الثلاثة... قدموا الكثير وسيقدموا الأكثر

قد يأخذ البحث في مجال الفيزياء عالية الطاقة عدة أشكال، ولكن تعتمد معظم التجارب في هذا المجال على المسرعات التي تقوم بتكوين الجسيمات وزيادة سرعتها حسب الطلب.

والتالي يعتبر مقدمةً حول ثلاثة أنواع مختلفة من مسرعات الجسيمات: السينكرترون والسيكلوترون والمسرعات الخطية التي تعرف اختصاراً بـ "linac".

السينكرترونات هي المسرعات الأعلى طاقةً في العالم، يتصدر مصادم الهيدرونات الكبير LHC القائمة بقدرته على تسريع الجسيمات لتصل إلى طاقة 6.5 تريليون إلكتروفولط قبل أن يقوم بمصادمتها بجسيماتٍ ذات طاقةٍ مساويةٍ تتحرك بالاتجاه المعاكس.

تتميز السينكرترونات بممرٍ مغلقٍ يقوم بتحريك الجسيمات حول حلقة، ويتم تشكيل المتغيرات الأخرى بواسطة أجزاء مستقيمة موجودة بين الانعطافات (بما يشابه حلبة سباق أو مثلث أو مسدس)، وعندما تدخل الجسيمات المسرع، تبدأ بالتحرك في مسار دائري مراراً وتكراراً ودائماً ضمن أنبوب مفرّغ. 

تزيد تجاويف الترددات الراديوية الموجودة على مسافاتٍ معينةٍ ضمن المسار الحلقي من سرعة الجسيمات. تشكل عدة أنواع من المغانط حقولاً كهرطيسية، والتي يمكن استخدامها في حني وتركيز حزم الجسيمات، تتشكل الحقول الكهرطيسية ببطء في أثناء تسارع الجسيمات. تقطع الجسيمات مسار مصادم الهدرونات الكبير LHC حوالي 14 مليون مرة في غضون 20 دقيقة، فهي بحاجة لأن تصل إلى مستوى الطاقة المطلوب.

يقوم الباحثون بإرسال حزم من الجسيمات المسَرَّعة واحدةً ضمن الأخرى لتشكيل تصادماتٍ في المواقع المحاطة بأجهزة رصد الجسيمات، ويحدث -بشكل نسبي- عدد قليل من التصادمات في كل مرة تلتقي فيها الحزم مع بعضها البعض.

ولأن الجسيمات تدور باستمرار ضمن السينكرترون، فإن الباحثين يستطيعون تمرير حزم الجسيمات ضمن بعضها البعض عدة مرات، مما يسمح بحدوث عددٍ كبيرٍ من التصادمات مع الوقت، وبالتالي المزيد من البيانات لدراسة هذه الظاهرة النادرة.

يقول مايك لامونت Mike Lamont رئيس عمليات مصادم الهدرونات الكبير LHC في سيرن CERN: "رصدت كلاً من أجهزة مصادم الهدرونات الكبير الحلقي المعروفة بـ ATLAS والميون الحلزوني المدمج المعروف بـ CMS، ما يقارب 400 مليون تصادم في الثانية العام الفائت، ولذلك فإن هذا التصميم مفيدٌ جداً".

تجعل الطاقة العالية للسينكرترونات منهم مناسبين لدراسة بنية كوننا، على سبيل المثال، تمكن علماء الفيزياء من مشاهدة الدليل على وجود جسيم هيغز Higgs boson ضمن تصادمات مصادم الهدرونات الكبير LHC، فقط لأنه تمكن من تسريع الجسيمات إلى مثل هذه الطاقة العالية وإنتاج معدل التصادمات العالي هذا.

يقوم مصادم الهدرونات الكبير مبدئياً بصدم البروتونات ببروتونات أخرى، ولكن بمقدوره أيضاً أن يقوم بتسريع أنوية ثقيلة مثل نواة الرصاص Pb، ويمكن تعديل سينكرترونات أخرى خصيصاً لتقوم بتسريع أنواع مختلفة من الجسيمات. 

يستطيع مصادم الأيونات الثقيلة النسبي RHIC الموجود في مختبر بروكهافن الوطني Brookhaven National Laboratory في نيويورك jsvdu Hd adx بدءاً بالبروتونات ونهايةً بنواة اليورانيوم. 

فبحسب عالمة الفيزياء أنجليكا دريز Angelika Drees في مصادم الأيونات الثقيلة النسبي، فإن هذا المصادم يحافظ على حزم الجسيمات مستقطَبةً باستخدام مغانط مصممة خصيصاً لهذا الغرض، بإمكانه أيضاً أن يصدم أيونات ثقيلة مثل اليورانيوم والذهب لتشكيل بلازما من الكواركات والغلونات (الغلونات جسيمات أولية تربط بين الكواركات)، وهي ذلك الحساء الحار للغاية الذي شكل الكون تماماً بعد الانفجار الكبير.

تعتبر السينكرترونات وليدة نوع آخر من المصادمات الدائرية تدعى بالسكلوترونات، والتي تقوم بتسريع الجسيمات ضمن مسار حلزوني يبدأ من مركزها.

كما هو الحال في السيكنرترونات، تستخدم السيكلوترونات مغانط كهربائية ضخمة لحنيِ حزمة الجسيمات في شكل دائرة. على أي حال، تستخدم السيكلوترونات مغناطيس واحد فقط مما يحد من الحجم الذي يمكن أن تصل إليه هذه المصادمات، وتستخدم إلكترود معدني يقوم بدفع الجسيمات للتحرك ضمن دوائر متزايدة الضخامة مشكّلةً مساراً حلزونياً.

تُستخدم السيكلوترونات غالباً لإنتاج كميةٍ كبيرةٍ من نوع محدد من الجسيمات مثل الميونات والنترونات، وهي أيضاً شائعة الاستخدام في مجال البحث الطبي كونها تمتلك مجال الطاقة والشدة المناسبَين لإنتاج النظائر الطبية. يقع أكبر سيكلوترون في العالم في مختبر كلية الميزون في جامعة British Columbia وتعرف اختصاراً بـ TRIUMF والواقعة في فانكوفر في كندا. 

يقوم علماء الفيزياء القائمون على سيكلترون TRIUMF بشكلٍ منتظمٍ بتسريع الجسيمات إلى ما يقارب 520 مليون إلكتروفولط، ويمكنهم سحب الجسيمات من أجزاء مختلفة من المسرع الخاص بهم من أجل التجارب التي تتطلب جسيماتٍ عند طاقاتٍ مختلفة، وبحسب ما يقول عالم الفيزياء إيوارت بلاكمور Ewart Blackmore الذي ساعد في تصميم وبناء المسرع TRIUMF، فإن هذا ما يجعله نوعاً من المسرعات القابلة للتكيف.

يقول بلاكمور Blackmore: "بالتأكيد نقوم باستخدام هذه المنشأة كل يوم عندما نكون بالعمل، حيث نقوم بإنتاج حزمٍ عالية الطاقة مرتفعة التيار من أجل إنتاج النظائر المستخدمة في الطب، حيث نقوم عند طاقات معينة باستخراج حزمة واحدة من أجل إنتاج جسيمات مثل البيونات والميونات المستخدمة في البحوث، وفي خط حزمة آخر نقوم باستخراج حزم من الأنوية المشعة لدراسة خصائصها".

المسرعات الخطية: باستقامة مباشرةً في الهدف

تعد المسرعات الخطية مفضلةً من أجل التطبيقات والتجارب الفيزيائية التي تتطلب حزماً ثابتةً وشديدة، يستضيف مختبر المسرع الوطني في مركز ستاندفورد للمسرع الخطي المعروف بـ SLAC، أطول مسرع خطي في العالم والبالغ طوله ميلين والذي بإمكانه في إحدى نقاطه أن يسرع الجسيمات حتى 50 مليار إلكتروفولط، يستخدم مختبر المسرع الوطني في فيرمي Fermi National Accelerator Laboratory مسرعاً خطياً أقصر لتسريع البروتونات قبل أن يرسلها إلى مسرع مختلف، وفي النهاية يتم تدفق الجسيمات ضمن هدف معدل خصيصاً لإنتاج الحزمة النيوترونية الأكثر شدةً في العالم.

في الوقت الذي تحتاج فيه المسرعات الدائرية إلى عدة لفاتٍ لتسريع الجسيمات إلى الطاقة المطلوبة، فإن المسرعات الخطية تقوم بإيصال الجسيمات إلى تلك السرعة من خلال طريق أقصر، حيث تبدأ الجسيمات الحركة من إحدى النهايتين بطاقة منخفضة، وتقوم الحقول الكهرطيسية الموجودة على طول المسرع بتسريع الجسيمات.