یک شتاب دهنده جدید ذرات در ایالات متحده تا سال ۲۰۳۱ در “لانگ آیلند” نیویورک و در مکان قبلی این برخورد دهنده الکترون-یون ساخته خواهد شد.
ساینسیو – به نقل از ایسنا، کار برای ساخت شتاب دهنده ذرات جدید در “آزمایشگاه ملی انرژی بروکهون”(BNL) در آپتون لانگ آیلند آغاز شده است.
این تأسیسات جدید، ستون فقرات پروژه برخورد دهنده الکترون-یون را تشکیل می‌دهد، ابتکاری برای یادگیری اسرار الکترون.
مقامات مختلفی از نیویورک و وزارت انرژی آمریکا از جمله سناتور “چاک شومر” این خبر را مایه خوشحالی دانسته اند.
پروژه برخورد دهنده الکترون-یون تلاش خواهد کرد تا الکترون‌ها و پروتون‌ها را به هم برخورد دهد تا تصاویری از ساختار داخلی آنها را به تصویر بکشد. مقامات “آزمایشگاه ملی انرژی بروکهون”(BNL) آن را به عنوان “یک دستگاه سی‌تی اسکن برای اتم‌ها” توصیف می‌کنند تا نگاهی بهتر به عناصر سازنده پدیده‌های “گلوئون‌ها”(Gluons) و “کوارک‌ها”(Quarks) داشته باشند. یعنی به طور مشخص، نیرویی که یک هسته اتمی و الکترون‌هایی را که آن را احاطه کرده‌اند، به هم متصل می‌کند که به عنوان یکی از قوی‌ترین نیروها در طبیعت محسوب می‌شود.
“کوارک” یک ذره بنیادی و یکی از اجزای پایه‌ای تشکیل‌دهنده ماده است. کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام “هادرون” را پدید آورند که پایدارترین آنها پروتون و نوترون، اجزای تشکیل‌دهنده هسته اتم هستند. به خاطر پدیده‌ای که به “حبس رنگ” معروف است، کوارک‌ها هیچ‌گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند و مستقیماً قابل مشاهده نیستند. آنها را فقط می‌توان درون هادرون‌هایی مانند باریون‌ها که نمونه‌های آنها پروتون و نوترون هستند و مزون‌ها یافت. به همین دلیل بیشتر دانش ما از کوارک‌ها از مشاهدات خود هادرون‌ها نتیجه‌گیری شده است.
کوارک‌ها ویژگی‌های ذاتی گوناگونی دارند که بار الکتریکی، بار رنگ، اسپین و جرم از جمله این ویژگی‌ها می‌باشند. کوارک تنها ذره بنیادی از مدل استاندارد فیزیک ذرات است که هر چهار برهمکنش بنیادی را تجربه می‌کند. به این برهمکنش‌ها نیروهای بنیادی(الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف، گرانش) نیز گفته می‌شود. همچنین کوارک تنها ذره‌ای است که بار الکتریکی‌اش مضرب صحیحی از بار بنیادی نیست.
شش گونه مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به هر یک از آنها یک مزه می‌گویند: بالا، پایین، افسون، شگفت، سر و ته. کوارک‌های بالا و پایین کوچکترین جرم را در بین کوارک‌ها دارند. کوارک‌های سنگین‌تر طی یک فرآیند واپاشی ذره به سرعت به کوارک‌های بالا و پایین تبدیل می‌شوند، یعنی تبدیل شدن از حالت جرم بیشتر به حالت جرم کمتر. به همین علت کوارک‌های بالا و پایین عموماً پایدار می‌باشند و رایج‌ترین کوارک‌ها در جهان می‌باشند، در حالی که کوارک‌های دیگر فقط در برخوردهای پرانرژی(مانند پرتوهای کیهانی و شتاب‌دهنده‌های ذرات) تولید می‌شوند. به ازای هر مزه کوارک یک پادذره متناظر به نام “پادکوارک” وجود دارد که تنها تفاوت آن با کوارک متناظرش این است که برخی از ویژگی‌های آن اندازه یکسان و علامت مخالف دارند.
مدل کوارک به شکل جداگانه توسط “موری گل-مان” و “جرج زویگ” در سال ۱۹۶۴ پیشنهاد شد. کوارک‌ها به عنوان بخش‌هایی از طرح رده‌بندی هادرون‌ها معرفی شده بود و شواهد کمی بر وجود فیزیکی آنها در دسترس بود تا اینکه آزمایش‌های پراکندگی ناکشسان ژرف در سال ۱۹۶۸ در مرکز شتاب‌دهنده خطی استنفورد انجام شد. از آزمایش‌های انجام‌شده در شتاب‌دهنده‌ها برای وجود هر شش مزه کوارک، شواهدی به دست آمده است. آخرین مزه‌ای که کشف شد، کوارک “سر” بود که در آزمایشگاه فرمی در سال ۱۹۹۵ کشف شد.
“گلوئون” نیز ذره‌ای است که بین کوارک‌ها مبادله می‌شود تا آنها را به هم پیوند دهد. به این ترتیب گلوئون‌ها به طور غیرمستقیم مسئولیت جاذبه بین پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم را به عهده می‌گیرند. گلوئون از کلمه glue به معنای چسب گرفته شده است.
به پیشنهاد “هیدکی یوکاوا” و محاسبات وی در سال ۱۹۳۰ “پیون” مسئول نیروی قوی در هسته‌ها شناخته شد. این نیرو باعث می‌شود تا نوکلئون‌ها در کنار یکدیگر باقی بمانند، اما باریون‌ها خودشان از کوارک تشکیل شده‌اند و این کوارک‌ها با میانجیگری گلوئون به هم متصل می‌شوند و به این نیرو «نیروی قوی» می‌گویند.
نیروی قوی مشابه نیروی الکترومغناطیسی است که بین دو ذره باردار به وجود می‌آید با این تفاوت که فوتون(میانجیگر نیروی الکترومغناطیسی) خود بار الکتریکی ندارد اما گلوئون که میانجیگر نیروی قوی بین دو ذره رنگ‌دار است، خود دارای رنگ است و به همین دلیل این موضوع وجود دارد که میان دو گلوئون برهمکنش رخ دهد در صورتی که برای فوتون‌ها اینچنین نیست. محاسبات بیشتر نشان داده است که این برهمکنش‌ها(برهمکنش گلوئون-گلوئون و کوارک-گلوئون) در انرژی بالا سست می‌شود و به همین دلیل تلاش دانشمندان بر این بوده است که برای اجسام، دماهای بالاتر از قدر تریلیون درجه سانتیگراد تولید کنند تا گلوئون و کوارک از هم جدا شده و پلاسمای کوارک گلوئون به وجود آید.
اگر یک پروتون متحرک باشد نیمی از تکانه آن توسط سه کوارک آن تأمین می‌شود و نیمی دیگر از آن توسط تعداد زیادی گلوئون تأمین می‌شود.
شتاب‌دهنده ذرات، دستگاهی است که در آن ذرات باردار مانند ذرات بنیادی، هسته اتم‌ها یا اتم‌های یونیزه شده، مولکول‌ها یا قسمت‌های مولکول به وسیله میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی تا سرعت‌های بسیار زیادی شتاب داده می‌شوند. به‌طوری که سرعت بسیاری از آنها حتی تا نزدیکی‌های سرعت نور می‌رسند. انرژی جنبشی ذره در این حالت به این ترتیب، به اندازه چندین برابر انرژی در حال سکون آن می‌باشد.
از شتاب‌دهنده‌ها در زمینه‌های مختلفی از فیزیک از جمله در اندازه‌گیری‌های متعددی در فیزیک هسته‌ای یعنی از طریق شلیک ذرات، توسط شتاب‌دهنده به سوی جسم در حال تحقیق و پراکنده شدن آنها و اندازه‌گیری توسط یک دوربین یا به طور بهتر آشکارساز (Detector) استفاده می‌شود.
در حال حاضر، بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده در جهان در “سرن” قرار دارد.
شتاب‌دهنده‌ها اصولا به دو دسته خطی و دایره‌ای یا حلقوی تقسیم می‌شوند. مشهورترین شتاب‌دهنده خطی شتاب دهنده “واندگراف” است و مشهورترین شتاب‌دهنده‌های دایره‌ای عبارتند از “بتاترون”، “سیکلوترون”، “مایکروترون” و “سنکروترون”.
شتاب دهنده‌های ایستابرقی(الکترواستاتیکی) که در آن یون‌های منفی هیدروژن از پتانسیل زمین تا پتانسیل زیاد شتاب می‌گیرند و سپس باگذار از محفظه‌ای گازی یا برگه‌ای نازک، هر دو الکترونِ یون از آن کنده می‌شوند و پروتون باقی‌مانده دوباره شتاب می‌گیرد و به پتانسیل زمین می‌رسد را شتاب دهنده دو مرحله‌ای می‌گویند.
یک “برخورد دهنده”(Collider) نیز گونه‌ای شتاب‌دهنده ذره‌ای است که پرتوهای مستقیم ذرات را با هم درگیر می‌کند. برخورددهنده‌ها می‌توانند شتاب‌دهنده حلقوی یا شتاب‌دهنده خطی باشند.
هنگامی که ذرات زیراتمی به یکدیگر برخورد می‌کنند، در یک مایع داغ ذوب می‌شوند. این مایع داغ، همان پلاسمایی است که فورا پس از رخداد “انفجار بزرگ” یا “بیگ بنگ”(Big Bang) شکل گرفت. به همین دلیل، “استیون هاوکینگ”(Stephen Hawking)، فیزیکدان معروف، شتاب‌دهنده ذرات را با ماشین زمان مقایسه کرده بود.
اکنون بودجه این پروژه جدید در درجه اول از طریق وزارت انرژی آمریکا(DOE) تأمین می‌شود که انتظار می‌رود تا سقف ۲.۶ میلیارد دلار حمایت کند و دولت ایالتی نیویورک نیز ۱۰۰ میلیون دلار دیگر به آن می‌افزاید.
این هزینه برای ساخت یک شتاب دهنده دایره‌ای به طول حدود چهار کیلومتر صرف می‌شود که به موازات برخورد دهنده‌ای که از قبل در “بروکهون” وجود دارد، ساخته می‌شود.
امید است که محققان بتوانند با استفاده از این شتاب دهنده ماهیت چگونگی اتصال ساختارها توسط گلوئون‌ها را درک کنند.
با وجود تمام توجهاتی که به برخورد دهنده بزرگ هادرونی “سرن” می‌شود، ممکن است برخورد دهنده “بروکهون” مغفول مانده باشد. این برخورد دهنده یون سنگین نسبی برای شلیک یون‌های سنگین به یکدیگر به امید ایجاد برخوردی که قابل مطالعه باشد، طراحی شده است. طبق یک گزارش، این برخورد دهنده در سال ۲۰۲۵ بازنشسته خواهد شد تا راه را برای جایگزین خود که انتظار می‌رود فعالیت آن در حدود سال ۲۰۳۱ آغاز شود، باز کند.