مبادئ فيزيائية

كيف يعمل معجل الجسيمات؟

ربما تكون قد قرأت أو سمعت عن مسرعات الجسيمات في العديد من الاخبار العلمية، خاصة تلك المتعلقة بفيزياء الجسيمات. وهذه المعجلات تستحق اهتمامًا أكثر مما هو عليه! على سبيل المثال، مصادم الهادرونات الكبير (LHC) – مسرع الجسيمات – هو أكبر آلة صنعتها البشرية على الإطلاق. هذه الحقيقة المذهلة قد تجعلك تتساءل … ما هي في الواقع؟ وربما الأهم من ذلك، لماذا يجب أن أهتم بما تقوم به؟

اهم الاشياء اولا…

ما هو مسرع الجسيمات؟

مسرّع الجسيمات، في أبسط المصطلحات، هو آلة كبيرة تُستخدم لإجراء تجارب فيزيائية تتضمن جسيمات دون ذرية عالية الطاقة. بالنسبة للاشخاص الأكثر اهتماما بالأمور التقنية، فهو جهاز يعمل على تسريع الجسيمات المشحونة لتصل سرعتها إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، وستخدم لتسريع الجسيمات المشحونة المجالات الكهرومغناطيسية تكون فيها الجسيمات المسرعة في حزم محددة جيدًا.

اعلانات جوجل

بعض أشهر مسرعات الجسيمات تشمل مصادم هادرون الكبير، ومصادم الأيونات الثقيلة النسبي، ومعجل تيفاترون Tevatron، وJ-PARC، وBEPC II، إلخ..

معجل الجسيمات
مصادم الهادرونات الكبير في سيرن

على عكس ما يعتقده الكثير من الناس، فإن مصادم الهادرونات الكبير ليس هو مسرع الجسيمات الوحيد في العالم. يوجد في الواقع المئات من مسرعات الجسيمات التي تعمل في جميع أنحاء العالم والتي تخدم أغراضًا مختلفة، بما في ذلك البحث العلمي والطب وحتى الأمن الدولي.

ماذا يفعل مسرع الجسيمات؟

تأتي مسرعات الجسيمات في نوعين أساسيين: مسرعات خطية واخرى مسرعات دائرية. على الرغم من الاختلافات في التصميم وطريقة التشغيل، تظل الوظيفة الأساسية هي نفسها.

معجل الجسيمات
مختبر Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ، ويتألف من معجل جسيمات دائري ، يقع خارج باتافيا ، إلينوي ، بالقرب من شيكاغو

يوفر مصدر الجسيمات (مثل نوى الهيدروجين) الجسيمات (مثل البروتون والإلكترون وما إلى ذلك) التي يرغب الباحثون في تسريعها. ثم يتم تسريع الجسيم من خلال فراغ داخل أنبوب شعاع معدني باستخدام مجالات كهربائية قوية جدًا. بمجرد أن يبدأ الجسيم في التحرك، توجه المغناطيسات الكهربائية القوية وتحافظ على تركيز حزمة الجسيمات في الأنبوب المعدني، والذي يصطدم في النهاية بشعاع آخر قادم من الاتجاه المعاكس أو هدف ثابت. لاحظ أن الفراغ داخل الأنبوب المعدني مهم للغاية، لأنك عندما تتعامل مع جسيمات دون ذرية تنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء، فأنت تريد التأكد من عدم وجود أي شيء – ولا حتى جزيئات الهواء – يمكن أن يعيق مسارها.

لتوضيح سبب اجراء تجارب تصادم الجسيمات تلك باستخدام هذه المسرعات الهائلة، تخيل انك شاهدت تحطم حجرتان متطابقتان، ونظرا لانك شخص يمتلك فضولا علميا، فانك سوف تأخذ تلك الحجارة وتحاول اكتشاف ما بداخلها، ولكن تلك الحجارة قوية جدا جدا ولا يمكنك فتحها او معرفة ما بداخلها بالطرق التقليدية. كملاذ أخير، يمكنك ضرب الحجارة ضد بعضها البعض بأقصى قوة ممكنة، وها هو! تتحطم الحجارة وتتطاير قطعها الداخلية!

يحدث شيء مشابه جدًا لذلك في معجل الجسيمات، حيث يتم تحطيم الجسيمات دون الذرية (الصغيرة جدًا والقوية للغاية) معًا في أنبوب لمعرفة ما بداخلها (على سبيل المثال، البيونات والباريونات والميزونات وما إلى ذلك). الفرق، بالطبع، هو أن هذه الجسيمات تتسارع إلى ما يقرب من سرعة الضوء ويتم تحطيمها معًا ملايين المرات.

تم اكتشاف جسيم هيغز-بوزون، في مصادم الهدرونات الكبير من خلال نفس العملية بعد تنفيذ تريليونات من الاصطدامات داخل الأنبوب.

معجل الجسيمات
تصور لجسيم هيغز بوزون الناتج عن اصطدام البروتونات المتحللة.

إن تحطيم حجرين معًا هو تشبيه أساسي للغاية، والعمل الفعلي لمسرع الجسيمات أكثر تعقيدًا بكثير. للحصول على شرح أكثر تفصيلاً، راجع هذا المقال على شبكة الفيزياء التعليمية.

لماذا تعتبر مسرعات الجسيمات مهمة، ولماذا يجب أن تهتم بها؟

من صورهم وكيفية عملهم، قد يبدو أن مسرعات الجسيمات ليست ذات صلة إلا بالفيزيائيين الذين يرتدون نظارة طبية، وايضا العلماء المهتمون بالتعمق في استكشاف طبيعة المادة، لكن مسرعات الجسيمات مفيدة جدًا في الواقع للمجتمع البشري، والتي يجعلها مرغوبة للغاية.

اعلانات جوجل

تساعد مسرعات الجسيمات، من خلال إنتاج النظائر المشعة، في تشخيص ملايين الأمراض لدى الأشخاص حول العالم. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم النظائر المشعة أيضًا لقتل الأنسجة الخبيثة داخل الجسم (مثل السرطان) باستخدام مسرعات خطية تعمل بالميكروويف.

مسرعات الجسيمات لها عدد من التطبيقات في القطاع الصناعي أيضًا؛ إنها تساعد على إغلاق علبة الحليب بإحكام، كما أنها تساعد في صنع رقائق تسمح لجهاز الكمبيوتر الخاص بك أن يكون أسرع بشكل مذهل من الطرز القديمة. يواصلون إحداث ثورة في السوق الاستهلاكية من خلال المساهمة في اكتشافات رائدة على المستوى دون الذري لأكثر الأشياء شيوعًا التي تحيط بنا.

معجل الجسيمات
تساعد مسرعات الجسيمات في تصنيع رقائق الكمبيوتر

تنبع كل هذه الفوائد لمسرعات الجسيمات من حقيقة أنها يمكن أن تساعدنا في كشف غموض وقوة المواد والجسيمات من خلال تجاوز ما تمكنا من تحقيقه حتى الآن. لقد ساعدونا على فهم المزيد عن كوننا، وكذلك القوانين الأساسية التي تشكل نسيج وجودنا ذاته.

بشكل عام، ما نعرفه هو أن مسرعات الجسيمات رائعة جدًا ولديها إمكانات هائلة لتغيير العالم، لكننا لم نكتشف كل الطرق التي يمكن من خلالها الاستفادة منها. بالمناسبة، يجب أن تعلم أيضًا أن أحد الأدوار الافتراضية العديدة التي يمكن أن يلعبها مسرع الجسيمات هو دور آلة الزمن، وفقًا لستيفن هوكينج نفسه، أحد السلطات الرائدة في العالم فيما يتعلق بمفهوم السفر عبر الزمن.

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى