آموزش فیزیک

¸.*´•´¨ برخورد دهنده هادروني بزرگ (Large Hadron Collider ) ¨`•.*.¸

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 كه اين شتاب دهنده براساس آن است كه پرتوهاي خلاف جهت هم پروتون با انرژي جنبشي زياد  را به يكديگر برخورد دهد. هدف اصلي این تحقيق صحت و محدوديت مدل استاندارد و تصوير نظريه ي كنوني فيزيك ذرات  است.  اين نظريه وجود دارد كه برخورد دهنده حيات بوزون هاي هيگز را تائيد مي كند ، مشاهداتي كه پيش بيني و حلقه هاي گمشده ي مدل استاندارد را تائيد مي كند و مي تواند توضيح دهد كه چگونه ذرات ابتدائي مي توانند ويژگي هايي مانند جرم را حاصل كنند.

LHC توسط موسسه اروپایی تحقیقات هسته ای ( CERN ) ساخته شد و در مرز فرانسه –سوئیس در نزدیکی ژنو در سوئیس قرار دارد.LHC با همکاری بیش از 8000 فیزیکدان از بیش از 85 کشور جهان مشابه صد ها دانشگاه و آزمایشگاه سرمایه گذاری و ساخته شده است .LHC در حال عمل است و اکنون در حال آماده شدن برای برخورد می باشد. اولین پرتو ها در 10 سپتامبر 2008 در برخورد دهنده به گردش در آمدند و اولین برخورد های پر انرژی 21اکتبر 2008 که LHC به طور رسمی آشکار شد ، برنامه ریزی شده است.

هر چند پرسش های بسیاری در مورد امنیت برخورد دهنده هادرونی بزرگ در رسانه ها و دادگاه ها وجود دارد ، جامعه علمی  از عدم امکان تهدید توسط برخوردهای ذره ای LHC اطمینان خاطر دارند.

طراحی:

برخورد دهنده در يك تونل دايره اي شكل با محيط 27 كيلومتر و عمق بين 50 تا 175 متري زمين قرار دارد. عمق 3.8 متري در خط لوله بتوني كه در سال 1983 تا 1988 ساخته شده به عنوان مكان برخورد بزرگ الكترون-پوزيترون در نظر گرفته شده است. LHC  مرز سوئيس و فرانسه را در 4 نقطه قطع مي كند ، اما اكثر آن در فرانسه قرار دارد. ساختمان روي سطح زمين، تجهيزات فرعي مانند فشرده ساز ها ، تجهيزات تهويه ، الكترونيك هاي كنترل و دستگاه هاي خنك كننده را دارا مي باشد.

تونل برخورد دهنده داراي دو لوله هاي پرتوي مجاور موازي كه در چهار نقطه تقسيم مي شود و هر كدام يك پرتو پروتوني را حمل مي كنند و در دو جهت مخالف حركت مي كنند هستند. 1232 دو قطعه ي مغناطيسي پرتو را در مسير دايره اي خود نگه مي دارند ، در حالي كه 329 چهار قطعه ي مغناطیسی  به تمركز پرتو كمك مي كنند تا شانس برخورد بين دو ذره را در 4 نقطه اشتراكي كه پرتو ها از آن عبور خواهند كرد ، بالا ببرند.  در نهايت 1600 مغناطيس ابرهادي با وزني بالغ بر 27 تن نصب شده است .نياز به  تقريبا 96 تن هليوم مايع براي نگه داشتن مغناطيس ها در دماي فعاليتشان در 1.9 درجه ي كلوين LHC را به بزرگترين تجهيزات برودتي در جهان در دماي هليوم مايع ساخت.

یک یا دو بار در روز در حالیکه پروتون ها از 450  گیگاالکترون ولت تا 7 ترا الكترون ولت شتاب مي گرفتند ، مغناطيس دو قطبي هاي ابرهادي از 0.54 تا 8.3 تسلا افزايش مي يافت.  هر پروتون 7 الكترون ولت انرژي خواهد داشت و انرژي برخورد 14 ترا الكترون ولت ( 2.2 ميكروژول ) خواهد داد. در اين انرژي پروتون ها ضريب لورنز حدود 7500 و سرعتي معادل 99.999999 % سرعت نور خواهند داشت.  كمتر از 90 ميلي ثانيه طول مي كشد تا پروتون یک بار به دور حلقه مرکزی بچرخد – سرعتی معادل 11000 دور در ثانيه _. پروتون ها سريع تر از پرتو هاي متوالي در 2808 دسته با يكديگر دسته بندي مي شوند بنابراین برخورد دو پرتو در مدت مجزا نه كمتر از 25 نانو پانيه رخ خواهد داد. هنگامي كه برخورد دهنده براي اولين بار انجام ماموريت مي كند ، با شاخه هاي كمتري عمل خواهد كرد كه مدت 75 نانو ثانيه اي خواهد داشت. شاخه ها سرانجام آنچنان زیاد خواهند شد كه دسته نهایی در مدت 25 نانو ثانيه عبور خواهد كرد.

سرن کجاست؟

سرن(CERN) بزرگترين مجموعه آزمايشگاهي دنيا در زمينه فيزيك ذرات بنيادي و فيزيك هسته اي است

اين مجموعه عظيم و منحصر به فرد در حاشيه شهر ژنو سوئيس در شهر ميرين و در مرز مشترك فرانسه و سوئيس واقع شده است.سرن در 29 سپتامبر سال 1954 ميلادي توسط سازمان اروپائي تحقيقات هسته اي شكل گرفته و در طي اين مدت نزديك53 سال توانسته نقش بسيار موثري در رشد و توسعه علم فيزيك داشته باشد.تحقيقات و آزمايشها و پژوهشهاي انجام شده در اين مركز و كسب جوايز متعدد توسط دانشمندان و پژوهشگران فعال اين مركز معتبر علمي دنيا(از جمله6 جايزه نوبل) خود نشان از اهميت سرن در عرصه تبادلات علمي دنيا دارد.

دولت سوئيس بعنوان پايه گذار اصلي سرن (به همراه 11 كشور اروپائي ديگر)در پنجاهمين سال تاسيس سرن و بعنوان هديه، مركزى به نام «جهان علم و نوآورى» را كه يك مركز شبكه اى جديد و نيز مكانى براى بازديد علاقه مندان است، به اين سازمان اهدا كرد.
در اين مركز تحقيقات فيزيك هسته اي و ذرات بنيادي كه مهمترين هدف آن "كشف رازهاى مبداء جهان"تعريف شده است هم اكنون بيش از 3000 فيزيكدان و مهندس بعنوان كاركنان مقيم در زمينه هاي مختلف نظري و آزمايشگاهي مشغول به كار هستند.در سرن همچنين بيش از 6500 دانشمند از 500 دانشگاه 80 كشور دنيا به صورت بازديدهاي كوتاه مدت به سرن مي آيند. به گفته «چارلز كلايبر» وزير علوم و پژوهش هاى سوئيس، در50 سال گذشته سازمان اروپايى تحقيقات هسته اى، كانون همايش و ملاقات دانشمندان مختلف جهان با ريشه هايى از تمامى ملت ها، فرهنگ ها، مذاهب و اقوام بوده است. كلايبر در مراسم جشن پنجاهمين سالگرد تاسيس «سرن» گفت: "در اين مركز مناقشات و دشمنى هاى سياسى به هيچ وجه راه ندارد و حكمفرمايى همين روحيه باعث شده است اين سازمان بتواند در چگونگى شكل گيرى تفكر انسان نسبت به طبيعت و آغاز جهان كمك هاى قابل ملاحظه اى داشته باشد".
به جز سوئيس 11كشور اروپائي ديگر كه در تاسيس پروژه سرن همكاري داشتند عبارت بودند از:

آلمان،بلژيك،دانمارك،فرانسه،يونان،بريتانياي كبير،ايتاليا،يوگسلاوي،هلند،نروژ و سوئد.

و البته بعدها نيزكشورهاي

اتريش (۱۹۵۹)، اسپانيا (۱۹۶۱-۱۹۶۸ و بعد ۱۹۸۳)، پرتغال (۱۹۸۶)، فنلاند (۱۹۹۱)، لهستان (۱۹۹۱)، مجارستان (۱۹۹۲)، جمهوري چك (۱۹۹۳)، اسلوواكي (۱۹۹۳) و سرانجام بلغارستان (۱۹۹۹) به عضويت آن درآمدند.
اين كشورها اعضاي اصلي اداره كننده سرن هستند و از لحاظ اداري-مالي تامين كننده عمده هزينه هاي مالي سرن هستند.اين كشورها ساليانه حداقل مبلغي بالغ بر 5ميليون يورو پرداخت ميكنند كه صد البته بسياري از اين كشورها علاوه بر مبلغ حداقل فوق، جهت هزينه هاي بسياري از پروژه هاي سرن بصورت مستقيم و غير مستقيم مبالغ ديگري در نظر ميگيرند، مثل آلمان و ايتاليا كه تنها براي يكي از پروژه هاي سرن به اسم (LHC) تاكنون بيش از 300 ميليون يورو هزينه كرده اند.

بزرگترين برنامه كنوني سرن،علاوه بر تحقيقات گوناگون در زمينه فيزيك هسته اي و ذرات بنيادي،اجراي پروزه بزرگ (Large Hadron Collider) يا همان" ابرتصادم گر هادرونى"است كه به عنوان بزرگترين پروژه تحقيقاتي جهان شناخته ميشود. ابرتصادم گر هادرون يك شتاب دهنده  ذرات با انرژى و پيچيدگى بى نظير و بى سابقه است كه نتيجه آن همكارى و مشاركت جهانى براى آشكارسازى بخش پنهانى از حقيقت است.

دسته دوم از كشورهاي مشاركت كننده در سرن،شش كشور آمريكا،روسيه،ژاپن،تركيه،هند و اسرائيل هستند كه بعنوان ناظر در سازمان تحقيقات هسته اي سرن حضور دارند.اين كشورها هم سهم و مشاركت فعالي در انجام پروژه هاي تحقيقاتي سرن و همچنين در تامين هزينه هاي مالي و تجهيزات سرن دارند.براي مثال تاكنون ايالات متحده رقمي بالغ بر يك ميليارد دلار براي پروژه LHC هزينه كرده است.
و اما دسته سوم از كشورهاي مشاركت كننده در سرن،كشورهاي غير عضو سازمان اروپائي تحقيقات هسته اي هستند كه در برنامه هاي مختلف تحقيقاتي سرن مشاركت دارند.اين دسته كه شامل 26كشور است عبارتند از:
الجزاير، آرژانتين، ارمنستان، آذربايجان، بلاروس، برزيل، چين، كانادا، كرواسي، قبرس، استوني، گرجستان، ايسلند، ايرلند، مكزيك، مراكش، پاكستان، پرو، روماني، صربستان ،اسلوني، آفريقاي جنوبي، كره جنوبي، تايوان، اوكراين و ايران.
اين كشورها بسته به توانائي هاي علمي و تحقيقاتي خود مي توانند در پروژه هاي آزمايشگاهي و نظري سرن شركت كنند.در حقيقت،عمده ترين بهره اين كشورها از همكاري با سرن،تماس نزديك و خارج از محدوديت هاي متداول (سياسي) با تكنولوژي نوين و كسب مستقيم دانش علمي و فني است.
 
بعد از عضويت رسمي ايران در سرن در سال2001 ميلادي و همكاري با سرن در زمينه پروژه بزرگ LHC و ساخت و تامين قطعاتي از اين پروژه هم اينك هفت پژوهشگر و سه دانشجو دوره دكترا در زمينه فيزيك ذرات بنيادي در سرن مشغول پژوهش و تحقيقات هستند و همچنين قرار است دو دانشجوي ديگردوره دكترا به اين جمع اضافه شود.لازم به ذكر است كه مشاركت انفرادي فيزيكدانان ايراني در سرن به قبل از سال2000 بر مي گردد.
                                                                                       

شتابدهنده خوشه هاي پروتوني LHC با محيطي بالغ بر 27 كيلومتر

هدف از پروژه LHC ساخت دو پرتو پرانرژي پروتوني با انرژي بيش از Tev 7 است كه با برخورد دادن اين دو پرتو و آشكارسازي ذرات حاصل از اين برهمكنش ساختار دروني مواد و ذرات بنيادي سازنده آنها شناخته مي شود.پروژه LHC با بودجه اي بالغ بر شش ميليارد دلار از سال1995 شروع شده و راه اندازي آن و شروع آزمايشهاي مربوطه براي انتهاي سال 2009 پيش بيني شده است. بد نيست بدانيد هزينه ساختماني اين شتابدهنده كه در آن نصب مي شود بالغ بر 500 ميليون فرانك سوئيس است و پيش بيني مي شود كه هزينه نهائي آن بعد از انجام تمام مقدمات و آزمايشات در نهايت بالغ بر 10ميليارد يورو شود.

قبل از هر چيزي لازم است بدانيد كه براي پروژه LHC،چهار آزمايش بزرگ با آشكارسازهاي بسيار زياد طراحي شده است كه در چهار محل تلاقي دو پرتو پروتوني قرارگرفته اند.اين آزمايشها عبارتند از:

LHCB-ALICE-CMS-ATLAS

هر كدام از اين آزمايش هاي چهارگانه شامل مجموعه عظيمي از آشكارسازهاست كه كار ساخت آنها توسط مراكز تحقيقاتي مختلف و دانشگاهها و شركت هاي بزرگ صنعتي در سراسر جهان در حال اجراست.

همكاري ايران در آزمايش CMS با عنوان "ميز نگهدارنده آشكار ساز HF و محفظه استوانه اي پوشاننده آن" بود و با انتقال دانش فني مربوطه به شركت هپكو اراك بعنوان مجري اين آزمايش به انجام رسيد.

اين ميز بايد بتواند قطعاتي به وزن حدود 200 تا 300 تن را تحمل كند كه اجزاي آن با فاصله ميليمتري از يكديگر باز و بسته مي شوند. اين ميز در حقيقت يك دستگاه مكانيكي با تلورانس بسيار بالا به شمار مي رود كه هزينه ساخت آن نيز برعهده ايران است.(مبلغي بالغ بر 600 ميليون تومان) دكتر محمد محمدي، متخصص فيزيك ذرات بنيادي و سرپرست گروه سازنده شتاب دهنده سرن در ژنو، كه از طرف دانشگاه فلوريدا اين مأموريت را عهده دار شده است در اين زمينه مي گويد:«براي ايران، موضوع اصلي فعاليت هاي پژوهشي از اين قبيل، دستيابي به منافع اقتصادي آن نيست، بلكه منفعت اصلي، دستاوردهاي علمي است كه از طريق مشاركت در يك پروژه علمي بين المللي، آن هم در بالاترين سطح پژوهش در حوزه فيزيك ذرات بنيادي نصيب كشورمان مي شود.»
همچنين براي آزمايش CMS چهار لايه مختلف از آشكارسازهاي RPC در دو قسمت انتهائي استوانه آن در نظر گرفته شده است كه بايد سه لايه آن براي سال2007 ميلادي و لايه چهارم براي آزمايش سال2010 آماده باشند.در ساخت PRC هاي CMS چهار كشور ايتاليا،كره جنوبي،چين و پاكستان همكاري ميكنند.در مورد ساخت لايه چهارم PRC هايCMS هم اكنون كشورهاي هند،ايران،كره و پاكستان مشغول بررسي براي قبول مسئوليت هستند و در نهايت با همكاري كشور ايتاليا انجام خواهد شد.در صورت موفقيت ايران در كسب مسئوليت ساخت RPCهاي لايه چهارم CMS در داخل كشور، اين پروژه اولين مشاركت آزمايشگاهي ايران در يك آزمايشگاه بزرگ بين المللي خواهد بود.
در انتها لازم به يادآوري است كه بدنبال مشاركت موفقيت آميز ابتدائي ايران در CMS پروژه تور(grid) را نيز به موارد همكاري ايران و سرن ميتوان اضافه كرد.در باب معرفي مختصري از پروژه تور(grid) بايد گفت همانطور كه وب براي به اشتراك گذاردن اطلاعات در اينترنت است،تور يك سرويس نرم افزاري براي به اشتراك گذاردن توان محاسباتي و فضاي ذخيره داده ها بين كامپيوترهاي متصل به اينترنت است و هدف نهائي از آن ايجاد يك شبكه وسيع جهاني محاسباتي و اطلاعاتي است