up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله برخورد دهنده PDF
QR code - برخورد دهنده

برخورد دهنده

برخورد دهنده ي هادروني بزرگ (Large Hadron Collider )

برخورد دهنده هادروني بزرگ ( LHC ) بزرگ ترين و پر انرژي ترين شتاب دهنده پيچيده ذرات در جهان است که اين شتاب دهنده بر آن است که پرتوهاي خلاف جهت هم پروتون با انرژي جنبشي زياد را به يکديگر برخورد دهد. هدف اصلي آن تحقيق صحت و محدوديت مدل استاندارد ، تصوير نظريه ي کنوني فيزيک ذرات ، است. اين نظريه وجود دارد که برخورد دهنده حيات بوزون هاي هيگز را تائيد مي کند ، مشاهداتي که پيش بيني و حلقه هاي گمشده ي مدل استاندارد را تائيد مي کند و مي تواند توضيح دهد که چگونه ذرات ابتدائي مي توانند ويژگي هايي مانند جرم را حاصل کنند.
LHC توسط موسسه اوروپايي تحقيقات هسته اي ( CERN ) ساخته شد و در زير مرز فرانسه– سوئيس نزديک ژنو سوئيس قرار دارد.LHC با همکاري بيش از ۸۰۰۰ فيزيک دان از بيش از ۸۵ کشور جهان مشابه صد ها دانشگاه و آزمايش گاه سرمايه گذاري و ساخته شده است .LHC در حال عمل هست و اکنون در حال آماده شدن براي برخورد مي باشد. اولين پرتو ها در ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ در برخورد دهنده به گردش در آمدند و اولين برخورد هاي پرانرژي براي ۲۱ اکتبر که LHC به طور رسمي آشکار شد ، برنامه ريزي شده است.
هر چند پرسش هاي بسياري در مورد امنيت برخورد دهنده هادروني بزرگ در رسانه ها و دادگاه ها وجود دارد ، جامعه علمي از عدم امکان تهديد توسط برخورد هاي ذره اي LHC اطمينان خاطر دارند.
● طراحي:
LHC بزرگ ترين و پر انرژي ترين شتاب دهنده پيچيده ذرات در جهان است. برخورد دهنده در يک تونل دايره اي شکل با محيط ۲۷ کيلومتر و عمق بين ۵۰ تا ۱۷۵ متري زمين قرار دارد. عمق ۳.۸ متري در خط لوله بتوني که در سال ۱۹۸۳ تا ۱۹۸۸ ساخته شده به عنوان مکان برخورد بزرگ الکترون-پوزيترون در نظر گرفته شده است. LHC مرز سوئيس و فرانسه را در ۴ نقطه قطع مي کند ، اما اکثر آن در فرانسه قرار دارد. ساختمان روي سطح زمين تجهيزات فرعي مانند فشرده ساز ها ، تجهيزات تهويه ، الکترونيک هاي کنترل و دستگاه هاي خنک کننده را دارا مي باشد.
تونل برخورد دهنده داراي دو لوله هاي پرتوي مجاور موازي که در چهار نقطه تقسيم مي شود و هر کدام يک پرتو پروتوني را حمل مي کنند و در دو جهت مخالف حرکت مي کنند هستند. ۱۲۳۲ دوقطبي مغناطيسي پرتو را در مسير دايره اي خود نگه مي دارند ، در حالي که ۳۲۹ چهار قطبي معناطيسي به تمرکز پرتو کمک مي کنند تا شانس برخورد بين دو ذره را در ۴ نقطه اشتراکي که پرتو ها از آن عبور خواهند کرد ، بالا ببرند. در نهايت ۱۶۰۰ مغناطيس ابرهادي با وزني بالغ بر ۲۷ تن نصب شده است .نياز به تقريبا ۹۶ تن هليوم مايع براي نگه داشتن مغناطيس ها در دماي فعاليتشان در ۱.۹ درجه ي کلوين LHC را به بزرگترين تجهيزات برودتي در جهان در دماي هليوم مايع ساخت.
يک يا دو باز در روز در حالي که پروتون ها از ۴۵۰ گيگا الکترون ولت تا ۷ ترا الکترون ولت شتاب ميگرفتند ، مغناطيس دو قطبي هاي ابرهادي از ۰.۵۴ تا ۸.۳ تسلا افزايش مي يافت. هر پروتون ۷ الکترون ولت انرژي خواهد داشت و انرژي برخورد ۱۴ ترا الکترون ولت ( ۲.۲ ميکروژول ) خواهد داد. در اين انرژي پروتون ها ضريب لورنز حدود ۷۵۰۰ و سرعتي معادل ۹۹.۹۹۹۹۹۹ % سرعت نور خواهند داشت. کمتر از ۹۰ ميلي ثانيه طول مي کشد تا پروتون يک بار به دور حلقه مرکزي بچرخد – سرعتي معادل ۱۱۰۰۰ دور در ثانيه . پروتون ها سريع تر از پرتو هاي متوالي در ۲۸۰۸ دسته با يکديگر دسته بندي مي شوند بنابراين برخورد دو پرتو در مدت مجزا نه کمتر از ۲۵ نانو پانيه رخ خواهد داد. هنگامي که برخورد دهنده براي اولين بار انجام ماموريت مي کند ، با شاخه هاي کمتري عمل خواهد کرد که مدت ۷۵ نانو ثانيه اي خواهد داشت. شاخه ها سرانجام آنچنان زياد خواهند شد که دسته نهايي در مدت ۲۵ نانو ثانيه عبور خواهد کرد.
قبل از تزريق در شتاب دهنده اصلي ، ذرات در سيستم هاي متوالي که انرژي آن ها را به طور موثري افزايش خواهد داد آماده مي شوند.
اولين دستگاه شتاب دهنده ذرات طولي Linac۲ است که پروتون هاي ۵۰ مگا الکترون ولتي که تقويت کننده دستگاه تقويت ذرات باردار الکتروني (Proton Synchrotron Booster ) را تغذيه خواهد کرد ، توليد خواهد کرد. در آنجا پروتون ها به حد ۱.۴ گيگا الکترون ولتي مي رسند و به دستگاه تقويت ذرات باردار الکتروني (PS ) که پروتون ها را به ۲۶ الکترون ولت مي رساند تزريق خواهد شد . در انتها دستگاه فوق تقويت ذرات باردار الکتروني (SPS) براي افزايش انرژي آن ها تا ۴۵۰ گيگا الکترون ولت قبل از تزريق آن در حلقه مرکزي ( در دوره اي بيش از ۲۰ دقيقه ) مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين نقطه دسته هاي پروتوني انباشته مي شوند و به انرژي پيک خود ، ۷ ترا الکترون ولت ، ( در دوره اي بيش از ۲۰ دقيقه ) مي رسند و سرانجام براي مدت ۱۰ تا ۲۴ ساعت در حالي که برخورد ها در ۴ نقطه تقاطع رخ مي دهد ، ذخيره مي شوند.
LHC همچنين براي برخورد يون هاي سنگين سرب ( Pb ) با انرژي برخورد ۱۱۵۰ ترا الکترون ولت مورد استفاده قرار ميگيرد. يون هاي سرب ابتدا توسط شتاب دهنده خطي Linac۳ شتاب داده خواهند شد و حلقه تزريقي کم انرژي براي ذخيره سازي يون ها و واحد خنک کننده مورد استفاده قرار مي گيرد. يون ها پس از آن قبل از تزريق در حلقه LHC توسط PS و SPS شتاب داده خواهند شد در حالي که به انرژي ۲.۷۶ ترا الکترون ولتي براي هر نوکلئون خواهند رسيد.
● آشکار ساز ها :
۶ آشکار ساز بر روي LHC بنا شد که در غاز بزرگ زير زمين در نقاط تقاطع LHC قرار دارند. دو تا از آن ها ، آزمايش اطلس و مون سولنوئيد پيچيده ( CMS) بزرگ هستند و هدف عمومي آن ها آشکارسازي ذرات است. آزمايش تصادم يوني بزرگ ( ALICE) براي مطالعه خواص کوارک-گلون پلاسماي خرده برخورد هاي يون هاي سنگين طراحي شده است. سه تاي ديگر ، LHCb ، TOTEM و LHCf کوچکتر و تخصصي ترند. خلاصه ي BBC در مورد آشکار ساز ها اين گونه است :
▪ ATLAS- يکي از دو تايي که به نام آشکار سار با هدف عمومي ناميده مي شوند. Atlas به دنبال نشانه هايي از فيزيک جديد شامل اساس جرم و بعد هاي ديگر ميگردد .
▪ CMS- آشکار ساز با هدف عمومي ديگر که مانند ATLAS به جستجوي بوزون هاي هيگز و شواهدي بر ماده تاريک مي گردد.
▪ ALICE- به مطالعه فرم مايع مواد با نام کوارک-گلون پلاسما که مدت کوتاهي بعد از انفجار بزرگ وجود داشت مي پردازد.
▪ LHCb- مقدار ماده و پاد ماده خلق شده در انفجار بزرگ را برابر مي گيرد. اين آشکار ساز سعي در تحقيق در مورد پادماده گم شده دارد.
▪ اهداف:
در اين عمليات حدود ۷۰۰۰ دانشمند از ۸۰ کشور جهان به LHC دسترسي دارند. اين تئوري وجود دارد که برخورد دهنده بوزون هيگز گريزان ، آخرين ذره مشاهده نشده پيش بيني شده توسط مدل استاندارد، را توليد خواهد کرد. تحقيق در مورد وجود بوزون هاي هيگز مي تواند مکانيزم شکست متقارن الکترون هاي کم دوام را به واسطه ي ذرات مدل استانداردي که گفته مي شود جرم خود را توليد ميکنند ، آشکار کند .
علاوه بر بوزون هاي هيگز ، ممکن است ذرات جديدي که توسط توسعه ممکن مدل استاندارد پيش بيني شده بود ، توليد شوند. به طور کل ، فيزيک دانان اميدوارند که LHC مي تواند توانايي هاي آنها را در پاسخ دادن به اين سوالات بالا ببرد:
آيا مکانيزم هيگز براي توليد خرده جرم هاي ابتدائي در مدل استاندارد به درستي در طبيعت درک مي شود؟ اگر اين چنين باشد ، چه تعداد بوزون هاي هيگز در آن جا وجود دارند و جرم آن ها چقدر است؟
آيا الکترومغناطيس ، نيروي قوي هسته اي و نيروي ضعيف هسته اي وجوه متفاوتي از يک نيروي تک همان گونه که توسط تئوري هاي يکتاي قديمي متفاوت پيش بيني شده است ، آشکار مي شوند؟
چرا جاذبه از ۳ نيروي بنيادي ديگر ضعيف تر است؟
آيا ابرتقارن در طبيعت درک مي شود ؟ با اشاره به اين که ذرات مدل استاندارد شناخته شده يک جفت ابر متقارن دارند.
آيا اندازه گيري هاي دقيق جرم و تباهي هاي کوارک ها با مدل استاندارد به طور ثابتي همچنان سازگار است؟
چرا اشتباهي آشکار در تقارن بين ماده و پاد ماده وجود دارد؟
طبيعت ماده تاريک و انرژي تاريک چيست؟
آيا بعد هاي ديگري هم همچنان که در تئوري رشته اي با مدل هاي گوناگون پيش بيني شده ، وجود دارد و آيا مي توانيم آن ها را ببينيم؟
در ميان اکتشافاتي که LHC ممکن است انجام دهد ، تنها اکتشاف ذرات هيگز بحث برانگيز نيست اما اين اکتشاف به طور قطع ، پيش بيني نشده است. استفان هاوکينگ در مصاحبه ي BBC گفت : به نظر من اين هيجان انگيز تر است که ما هيگز ها را پيدا نکنيم. اين نشان ميدهد که چيزي اشتباه است و ما نياز به تفکر دوباره داريم. من صد دلار شرط بسته ام که ما هيگز ها را پيدا نمي کنيم. در مصاحبه اي اين چنيني هاوکينگ امکان اکتشاف ابر جفت ها را تذکر داد : هر چه که LHC کشف کند يا کشف نکند ، نتايج مي تواند چيزهاي زيادي را در مورد ساختار جهان به ما بگويد.
▪ به عنوان برخورد کننده يوني:
برنامه فيزيکي LHC بر اساس برخورد پروتون-پروتون استوار شده است. هرچند ، دوره هاي در حال اجراي کوتاه تر ، اساسا يک ماه در سال ، با برخورد هاي يون هاي سنگين در اين برنامه گنجانده شده است. در حالي که يون هاي سبک تر هم در نظر گرفته شده است ، برنامه اصلي با يون هاي سرب سر و کار دارد. اين مي تواند پيشرفتي براي برنامه تجربي که اکنون در برخورد کننده ي يوني نسبتا سنگين ( RHIC ) در حال اجراست ، باشد. هدف برنامه يون سنگين ايجاد پنجره اي جديد در درک ماده اي با نام کوارک-گلون پلاسما که در مراحل ابتدائي جهان شکل گرفت ، هست.
آزمايش هاي زمانبدي شده:
سپتامبر ۲۰۰۸ : اولين پرتو در برخورد دهنده در صبح ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ به گردش در آمد. CERN پروتون ها را به طور موفقيت آميزي به طور مرحله اي به درون تونل به حرکت درآورد ، ۳ کيلومتر در يک زمان. ذرات در جهت ساعتگرد به درون شتاب دهنده فرستاده شدند و در ساعت ۱۰:۲۸ زمان محلي به طور موفقيت آميز به دور آن رانده شدند. LHC اولين تست بزرگ خود را با موفقيت پشت سر گذاشت: پس از اينکه تعداد زيادي آزمايش انجام شد ، دو نقطه سفيد بر روي سفحه نمايش ظاهر شد که نشان ميداد پروتون ها تمام طول برخورد دهنده را طي کردند. هدايت جريان ذرات به دور مدار اوليه کمتر از يک ساعت طول کشيد موفقيت بعدي CERN فرستادن پرتويي از پروتون ها در خلاف جهت عقربه هاي ساعت در ساعت ۱۴:۵۹ بود.
اکتبر ۲۰۰۸ : اولين برخورد هاي پرانرژي براي ۲۱ اکتبر که LHC به طور رسمي آشکار شد ، برنامه ريزي شده است.
● پيشنهاد بهبودبخشي:
بعد از گذشت چندين سال از آغاز به کار، کم اهميت تر شدن آزمايشات مجدد در هر نوعي از آزمايش فيزيک ذرات باعث نابه ساماني آزمايشات فيزيک ذرات گرديد. هر سال که از عملکرد آن ميگذرد، به کشفيات کمتري نسبت به سال قبل از آن دست مي يابد. راهي که براي بهبود بخشي نابه ساماني هاي آزمايشات مجدد وجود دارد اين است که آزمايش را يا از طريق تقويت انرژي و يا از طريق تقويت تابش، بهبود بخشيم.. ترفيع درخشش LHC که با نام ابر LHC شناخته مي شود براي ساخته شدن در ۱۰ سال بعد از عمليات LHC پيشنهاد داده شد. راه مطلوب درخشش ترفيع LHC در افزايش پرتوي کنوني ( يعني افزايش پروتون هاي پرتو ) و اصلاح دو ناحيه پر درخشش برخورد ، ATLAS و CMS ، است. براي بدست آوردن اين پيشرفت ها ، انرژي پرتو در نقطه اي که آن ها به ابر LHC تزريق مي شوند بايد تا ۱ تراالکترون ولت افزايش يابد. اين عمل به بهبود بخشي سيستم قبل تزريق نياز دارد که هزينه هاي تغييرات مورد نياز در دستگاه فوق تقويت ذرات باردار الکتروني بسيار سنگين تمام خواهد شد.
● هزينه ها :
هزينه ي کلي اين طرح در حدود ۳.۲ تا ۴.۴ بيليون يورو پيش بيني شده بود. ساخت LHC در سال ۱۹۹۵ با هزينه ي ۲.۶ بيليون فرانک سوئيس به علاوه ۲۱۰ ميليون فرانک بابت هزينه ي تحقيقات تصويب شد. هرچند ، هزينه ها از حد گذشت. در تجديد دوباره در ۲۰۰۱ تا ۴۸۰ ميليون فرانک براي شتاب دهنده و ۵۰ ميليون فرانک براي تحقيقات تخمين زده شد در حالي که بودجه CERN کم شد و اتمام کار به جاي سال ۲۰۰۵ در آوريل سال ۲۰۰۷ صورت گرفت. مغناطيس ابرهادي براي ۱۸۰ ميليون فرانک افزايش قيمت مسئول بود. همچنين در آن وقتي که غار زيرزميني را براي سولنويد مون فشرده مي ساختند ، در قسمت هاي ناقصي که توسط آزمايشگاه هاي مشخص ملي آرگون و فرميلاب به CERN قرض داده شده بود ، با سختي هاي مهندسي روبه رو مي شدند. ديويد کينگ ، افسر علمي رئيس سابق اتحاديه کينگ دام ، LHC را براي تخصيص اولويت بالاتري به سرمايه در برابر مشکلات عمده ي زمين – تغييرات دمايي قانون مند اما همچنان رشد جمعيت و فقر در آمريکا – انتقاد کرد.
● منابع محاسبه :
شبکه محاسباتي LHC براي نگه داشتن مقادير زيادي داده توليد شده توسط برخورد دهنده بزرگ هادروني ، ساخته شده است. اين شبکه از لينک کابل نوري فيبري خصوصي و بخش پرسرعت موجود در ابنترنت عمومي با هم متحد شد که امکان انتقال داده ها از CERN به موسسات آکادميک سراسر جهان را فراهم مي آورد.
اين طرح محاسباتي پخش شده براي حمايت ساخت و اندازه گيري LHC آغاز شد. اين طرح از پايگاه BONIC براي اندازه گيري چگونگي حرکت ذرات در تونل ، استفاده ميکند. با اين اطلاعات ، دانشمندان قادر خواهند شد تا اندازه مغناطيس مورد نياز براي بدست آوردن مداري پويا از پرتو درون حلقه را اندازه گيري کنند.
● موضوع امنيت :
▪ امنيت برخورد ذره ها : هرچند که برخي افراد و دانشمندان در مورد امنيت آزمايش برنامه ريزي شده در رسانه ها و دادگاه ها سوال مي کنند ، جامعه ي علمي بر نبود پايه اي براي هرگونه تهديد ممکن در برخورد ذره اي LHC توافق دارند.
▪ امنيت عمليات : اندازه LHC بر اساس يک رقابت مهندسي خاص با موضوع عملياتي واحد در مورد انرژي زياد ذخيره شده در ميدان مغناطيسي و پرتو ها ، شکل گرفت. در هنگام انجام عمليات ، انرژي کل ذخيره شده در ميدان مغناطيسي به ۱۰ گيگا ژول ( معادل ۲.۴ تن TNT ) و انرژي کل حمل شده بر دو پرتو به ۷۲۴ مگا ژول رسيد.
از دست دادن ده ميليونيم ((۱۰−۷ پرتو براي خاموش کردن مغناطيس ابرهادي کاي است. در حالي که پرتو زائد بايد انرژي معادل بمب هوا-زمين را به خود جذب کند.اگر به اين بينديشيم که چه ماده ي کوچکي اين انرژي هاي بي اندازه را حمل مي کند ، بسيار تاثيرگذار است : در وضعيت هاي عملياتي بسيار جزئي ( ۲۸۰۸ دسته براي هر پرتو و ۱.۱۵×۱۰۱۱ پروتون در هر دسته ) لوله هاي پرتو ۱.۰×۱۰-۹ گرم هيدرژن دريافت مي کنند که در وضعيت استاندارد از نظر دما و فشار مي تواند حجمي معادل دانه اي ماسه داشته باشد.
▪ تصادفات ساختاري و عقب افتادگي ها : در ۲۵ اکتبر ۲۰۰۵ يک تکنيسين زماني که بار جرثقيل تصادفا بر روي او افتاد ، در تونل LHC جان باخت .در ۲۷ مارس ۲۰۰۷ يک پشتيبان مغناطيس برودتي در حين آزمايش فشار که با گروه مغناطيسي سه گانه ( تمرکز چهارقطبي) دروني LHC توليد شده توسط فرميلاي و کک ( KEK) درگير بود ، شکست. هيچ کسي زخمي نشد.مدير فرميلاب ، پير اودون ، اظهار داشت : در اين موقعيت ما به خاطر از دست دادن توازن بسيار ساده نيروها ، متحر شديم. اين خطا در طراحي اصلي ظاهر شد و در چهار دوره مهندسي در اين سال ها باقي ماند. تجزيه نشان داد که طراحي آن - که تا آنجا که ممکن بود براي نصب بهتر نازک طراحي شده بود – به اندازه اي که در برابر نيروهاي تجمع يافته در آزمايش فشار مقاومت کند ، نبود. جزئياتي که CERN با آن موافق بود ، در اعلاميه اي از فرميلاب درج شده است. پس از تعمير و تقويت دوباره هشت گروه يکسان استفاده شده توسط LHC زمان آغازکار به تاخير افتاد و براي هفته ها بعد در نوامبر ۲۰۰۷ برنامه ريزي شد.
● در فرهنگ عمومي :
برخورد دهنده بزرگ هادروني در اهريمن و فرشتگان اثر دن براون بدين گونه شرح داده شد که از پادماده هاي خطرناک توليد شده در LHC براي جنگ با واتيکان ها استفاده شد. CERN صفحه اي با عنوان واقعيت يا افسانه؟ انتشار داد که درباره ي دقت مجسم سازي کتاب LHC ، CERN و فيزيک ذرات به طور جامع سخن مي گويد. نسخه ويديويي کتاب يم فيلم به اندازه فوت روي سايت براي يکي از آزمايشات LHC دارند; کارگردان ، ران هاوارد ، با کارشناسان CERN ملاقات کرد تا علم را به ش دقيقي وارد فيلم سازد.
اثر کارمند CERN ، کاترين مک الپين ، با نام رپ بزرگ هادرون براي دو ميليون تصوير يو- تيوب در ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ بهتر بود.
شبکه ۴ راديو BBC روز آغاز به کار LHC را در ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ با نام روز انفجار بزرگ به خاطر سپردند. اضافه بر اين رخداد ها ، پخش قسمت راديويي سريال تلويزيوني تراچ وود ( Torchwood ) با درگير سختن نقشه هاي LHC بود که طلب گمشده نام گرفت. مدير ارتباطات CERN ، جيمز گيلي ، بيان کرد : واقعيات CERN شباهت کمي به متن تراچ وود جوزف ليدستر دارد.

دستيابي به انرژي بالا يكي از آرزوهاي فيزيكدانان ، شيميدانان ، دانشمندان طب و ... و حتي با وجود امكان دست رسي به انرژي بالا هنوز هم تلاشها براي فراهم آ ...

دستيابي به انرژي بالا يکي از آرزوهاي فيزيکدانان ، شيميدانان ، دانشمندان طب و ... و حتي با وجود امکان دست رسي به انرژي بالا هنوز هم تلاشها براي فراهم آ ...

دستيابي به انرژي بالا يكي از آرزوهاي فيزيكدانان ، شيميدانان ، دانشمندان طب و ... و حتي با وجود امكان دست رسي به انرژي بالا هنوز هم تلاشها براي فراهم آ ...

دستيابي به انرژي بالا يكي از آرزوهاي فيزيكدانان ، شيميدانان ، دانشمندان طب و ... و حتي با وجود امكان دست رسي به انرژي بالا هنوز هم تلاشها براي فراهم آ ...

Cernيک لابراتورار اروپايي براي ذرات فيزيک است. در اين لابراتوار بزرگترين وعميق ترين آزمايشات و تحقيقات از سال ۱۹۵۴ برروي ذرات فيزيکي انجام مي گرفته اس ...

● سرعت واکنش سرعت واکنش ، عبارت از تغيير غلظت هر يک از مواد اوليه يا مواد حاصل نسبت به زمان انجام واکنش است. ● نگاه سرعت يک واکنش ، روند تبديل مواد وا ...

ماده معمول سيارات ماده تاريك ممكن است از چيزهاي معمولي مثل جنس سيارات تشكيل شده باشد، ولي سياراتي مثل زمين به اندازه كافي جرم ندارند، پس ممكن است ژوپي ...

نيلز بور (۱۹۶۲-۱۸۸۵)، از بنيانگذاران فيزيك كوانتوم، در مورد چيزي كه بنيان گذارده است، جمله اي دارد به اين مضمون كه اگر كسي بگويد فيزيك كوانتوم را فهمي ...

دانلود نسخه PDF - برخورد دهنده