وقتی می‌خواهیم درباره‌ی شتاب‌دهنده‌ها‌ی ذرات اظهار‌نظر کنیم، همه می‌دانیم هر‌چه شتاب‌دهنده بزرگ‌تر باشد، بهتر است. همچنین، هر‌چه شتاب‌دهنده بزرگ‌تر باشد، برخورد‌ها‌ی پر‌انرژی‌تری اتفاق می‌افتند و هر‌چه انرژی برخورد‌ها بیشتر باشد، تنوع ذرات به‌وجود آمده بیشتر است.
قبل از شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC)، تواترون (Tevatron) با ۶.۴ کیلومتر طول بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌ی دنیا بود. دانشمندان از این شتاب‌دهنده برای کشف سنگین‌ترین نسل کوارک‌ها و کواک‌‌سر استفاده کردند. برای کشف ذره‌ی بوزون هیگز باید LHC حدود ۲۷ کیلومتر طول داشته باشد. گفتنی است دانشمندان همچنان مشغول برنامه‌ریزی برای شتاب‌دهنده‌ها‌ی بزرگ‌تر در آینده هستند. شتاب‌دهنده‌ی بعدی قرار است حدودا ۱۰۰ کیلومتر طول داشته باشد.
برای پیشرفت در فیزیک ذرات، همیشه وجود برخورد‌دهنده‌ها‌ی بزرگ‌تر ضروری بوده است؛ بااین‌حال، راهی برای کم‌کردن اندازه‌ی عظیم آن‌ها وجود دارد؟ می‌توان ذرات را در چند متر به انرژی‌ها‌ی بسیار بالا رساند؟ این ظرفیت عجیب و فریبنده از فناوری نسل بعدی به‌نام شتاب میدان دنبالهی پلاسما (Plasma Wake Field Acceleration) سرچشمه می‌گیرد. بگذارید این نام را کلمه‌به‌کلمه بررسی کنیم:
پلاسما: معمولا به حالت چهارم ماده گفته می‌شود. معمولا زمانی پلاسما تشکیل می‌شود که الکترون‌ها‌ی اتم‌ها‌ی گاز از هسته‌ی خود جدا شوند. این کار معمولا با لیزر انجام می‌شود. این ترکیب الکترون‌ها و اتم‌ها همچنان رفتار گازی از خود نشان می‌دهند، با این تفاوت که این گاز درمقایسهبا میدانهای الکتریکی و مغناطیسی بسیار حساس است.
دنباله: زمانی به‌وجود می‌آید که چیزی با سرعت از درون مایع یا گاز عبور کند؛ دقیقا مانند زمانی‌که قایق از دریا عبور می‌کند. در این مورد، ماده‌ی مدنظر پلاسما است.
شتاب: به‌نوعی اثر گفته می‌شود که وقتی دسته‌ای از ذرات پشت دنبالهی پلاسمایی قرار داشته باشند، مانند موج‌سوار شتاب می‌گیرند.
چندین راه برای ایجاد شتاب پلاسما‌ی میدان دنباله‌دار یا PWFA وجود دارد. به‌طورکلی، می‌توان این راه‌ها را به دو دسته تقسیم کرد: ۱. ایجاد شتاب با لیزر؛ ۲. ایجاد شتاب با باریکه‌ی ذرات. در هر دو روش، ماده‌ی واسطه‌ی مدنظر «پلاسما» است. در روش اول، از «لیزر» برای ایجاد شتاب استفاده می‌شود؛ در‌حالی‌که در روش دوم از «باریکه‌ی ذرات». در پژوهش‌ها‌ی اخیر که در آن‌ها از روش دوم استفاده شده، معمولا از ذرات الکترون و پروتون و پوزیترون به‌عنوان باریکه‌ی ذرات استفاده شده است.
در همین ماه، PWFA چهل ساله می‌شود. در سال ۱۹۷۹، توشیکی تاجیما و جان داوسون، دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس، مفهوم این کار را در مقاله‌ای منتشر کردند. امروزه، چندصد فیزیک‌دان از جای‌جای جهان روی PWFA کار می‌کنند.
پیشرفت‌ها‌ی حاصل‌شده دراین‌زمینه در سال‌ها‌ی اخیر، باعث افزایش تعداد فیزیکدانان فعال در این عرصه شده است. به‌کمک پژوهش‌ها‌ی انجام‌شده در این حوزه، تکنیک‌ها‌ی شتاب‌دهی ذرات پیشرفت کرده‌اند و جنبه‌ها‌ی عملی این کار نمایان شده‌اند؛ اما حتی اگر PWFA به‌همان اندازه‌ای که هوادارانش ادعا می‌کنند، امیدوار‌کننده باشد، سال‌ها یا حتی دهه‌ها طول می‌کشد روش قدیمی شتاب‌دهی ذرات جای خود را به فناوری جدید بدهد.
کاواکهای RF درمقابل PWFA
مقاله‌ی مرتبط:
شتاب‌دهنده‌ها‌ی قدیمی و معمولی از محفظه‌ها‌ی تو‌خالی فلزی درست شده‌اند که این محفظه‌ها کاواکهای فرکانس رادیویی یا RF نام دارند. میدان الکتریکی باعث شتاب‌گیری ذرات گذرنده از محفظه می‌شود. ادا سوندتر، فیزیک‌دان ذرات و سرپرست کار شتاب‌دهنده‌ی پلاسمایی AWAKE در سرن گفت:
به‌بیان ساده، شتاب‌دهنده‌ها شبیه باتری کار می‌کنند. یک سر مثبت و یک سر منفی داریم که ذرات به یک سر جذب و از سر دیگر رانده می‌شوند و بدین‌ترتیب شتاب می‌گیرند.
این فناوری کاملا مطمئن است و تا‌به‌حال، در ۳۰,۰۰۰ شتاب‌دهنده در سراسر جهان استفاده شده است. تا دهه‌ها، پیشرفت شتاب‌دهنده‌ها‌ی RF باعث می‌شد هر شش سال یک‌بار، بتوان انرژی این شتاب‌دهنده‌ها را دو‌برابر کرد؛ اما اخیرا این روند پیشرفت متوقف شده است.
دلیل توقف این روند پیشرفت آن است که کاواکهای RF می‌توانند میدانهای الکتریکی را تا قدرت مشخصی حفظ کنند و اگر نیروی میدان زیاد‌تر از حد شود، فلز کاواک یونیزه می‌شود و الکترون آزاد می‌کند و خلأ درون کاواک را آلوده می‌کند. بنابر‌این، میدان RF درون کاواک از بین می‌رود.
تغییرات شتاب یا افزایش انرژی کاواکهای امروزی حدود ده MeV (ده میلیون الکترون‌ولت) بر متر است. هدف برخورد‌دهنده‌ها‌ی در دست ساخت، مانند برخورد‌دهنده‌ی خطی بین‌المللی، بررسی فیزیک در مقیاس هیگز، یعنی حدود انرژی ۱۲۵ GeV است. برای رسیدن به این انرژی باید هر‌کدام از الکترون‌ها و پوزیترون‌ها حدود ۱۳ کیلومتر در طول کاواک سفر کنند. اگر فناوری شتاب‌دهی پیشرفت نکند، برای دستیابی به انرژی‌ها‌ی بالا‌تروبالا‌تر، باید ماشین‌ها‌ی بزرگ‌تروبزرگ‌تر ساخته شوند تا بتوان فیزیک ورا‌ی مدل استاندارد را بررسی کرد. PWFA این امکان را به ما می‌دهد اندازه‌ی ماشین‌ها را کوچک‌تر کنیم.
اسپنسر جسنر، فیزیک‌دان از تیم AWAKE سرن، هنگام سخنرانی‌هایش، مایل است به حضار بگوید پلاسما چقدر می‌تواند قدرتمند باشد. او در‌این‌باره می‌گوید:
چگالی ذرات هوای اتاقی که در آن تنفس می‌کنیم، ۱۹^۱۰×۲/۷ ذره در سانتی‌متر مکعب است.
خب این به چه معنا است؟ اگر این عدد را در معادله‌ای وارد کنیم که می‌توانیم از آن شتابی به‌دست آوریم که پلاسما می‌تواند برای این میزان از ذرات فراهم کند، به عدد بسیار بزرگی می‌رسیم. نتیجه عدد بسیار بزرگی است که باعث شرمندگی کاواکهای RF مهندسی‌شده می‌شود: ۵۰۰ گیگا الکترون‌ولت‌برمتر. این نیرو برای تولید بوزون هیگز در شتاب‌دهنده‌ای به‌اندازه‌ی یک جعبه‌ی کفش کافی است.
جسنر گفت:
ابزار‌ها‌یی که داریم، نوعی نور و هوای داغ و بر‌انگیخته است که دنباله را در آن به‌وجود می‌آوریم و درنهایت، گرادیان شتاب بسیار بیشتری درمقایسهبا این ماشین‌ها‌ی مهندسی‌شده خواهیم داشت.
این، ساده‌شده‌ی کل فرایند است؛ اما نکته‌ی اصلی صحبت جسنر واضح است: پلاسما ظرفیت زیادی دارد.
جسنر گفت:
زیبایی پلاسما در این است که به‌طور اساسی گرادیان شتاب بسیار زیادی به ما می‌دهد. البته، پیچیدگی زیاد مانعی بر سر راه و صحبت درباره‌ی این کار، بسیار ساده است و مبانی این کار بسیار ساده‌تر.
سوندتر گفت:
قایقی را تصور کنید که از آبگیر عبور می‌کند. درباره‌ی این کار، آبگیر ما همان پلاسما است و قایق ما همان باریکه‌ی هدایت‌شده است. باریکه‌ی هدایت‌شده از آبگیر عبور می‌کند و موج به‌وجود می‌آورد و این امواج همان میدان دنباله‌ای است که مدنظر ما بوده است.
پشت ذرات گذرنده از پلاسما باریکه‌ای به‌دنبال آن‌ها کشیده می‌شود؛ دقیقا شبیه موج‌سواری که پشت‌سر موج در حرکت است.
جسنر گفت:
کاری که باید انجام شود، این است که الکترون‌ها را روی این موج سوار کنیم تا شتاب بگیرند.
چرا؟ موج‌سوار به‌دلیل سوار‌بودن بر تپه‌ای از موج آب، به‌وسیله‌ی گرانش پایین کشیده می‌شود و الکترون‌ها یا ذرات دیگر با کشیده‌شدن به‌وسیله‌ی میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند.
چگونه میدان الکتریکی به‌وجود می‌آورید؟ پلاسما ماده‌ای شبه‌خنثی است. درکل، بار مثبت یون‌ها با بار منفی الکترون‌ها جبران می‌شود؛ چراکه تعداد یون‌ها و تعداد الکترون‌ها برابر هستند؛ اما این الکترون‌ها‌ی آزاد به‌سادگی به اطراف حرکت می‌کنند و حتی تغییر ۱درصدی در چگالی الکترون‌ها در نقطه‌ای از پلاسما، میدان الکتریکی درخورتوجهی به‌وجود می‌آورد.
شدت میدان الکتریکی با ریشه‌ی دوم چگالی متناسب است. هر‌چه چگالی پلاسما بیشتر شود، میدان هم کمی قوی‌تر می‌شود و میدان الکتریکی قوی‌تر شتاب بیشتری نیز به‌وجود می‌آورد؛ اما اینکه چگونه این شتاب را به‌دست می‌آورید، به نوع قایق شما بستگی دارد.
شتاب میدان دنباله‌دار لیزری
برای تولید پلاسما در همه‌ی آزمایش‌ها‌ی PWFA به لیزر نیاز است. با لیزر گاز را یونیزه می‌کنند؛ اما در شتاب‌دهنده‌ها‌ی WF لیزری، برای هدایت باریکه‌ی ذرات نیز از لیزر استفاده می‌کنند. فشار تابشی لیزر الکترون‌ها را به‌سمت دلخواه سوق می‌دهد و یون‌ها که سنگین‌تر هستند، تقریبا ثابت و بدون جا‌به‌جایی می‌مانند؛ در‌حالی‌که حباب‌ها‌ی الکترونی در سراسر پلاسما جا‌به‌جا می‌شوند. تفاوت چگالی الکترون‌ها در پلاسما، میدان الکتریکی به‌وجود می‌آورد که می‌تواند ذرات موجود در پشت حباب را شتاب دهد.
شتاب میدان دنباله‌دار باریکه‌ای
در روش شتاب‌دهی باریکه‌ای، به‌جای استفاده از لیزر از باریکه‌ی ذرات برای شتاب‌دهی استفاده می‌شود. تفاوت باریکه‌ی ذرات و لیزر در این است که باریکه‌ی ذرات مانند لیزر تداوم تابش ندارد و به‌صورت پالس‌ها‌ی ذرات به‌صورت خطی شلیک و در هدف دریافت می‌شود.
شتاب میدان دنباله‌ای با استفاده از الکترون‌ها
استفاده از الکترون‌ها به‌عنوان باریکه‌ی هدایت‌شده، شبیه به استفاده از لیزر است. در این روش، دسته‌ای از الکترون‌ها به‌سمت پلاسما شلیک می‌شوند. این الکترون‌ها‌ی شلیک‌شده به پلاسما الکترون‌ها‌ی موجود در خودِ پلاسما را پس می‌زنند؛ چراکه هر دو آن‌ها بار منفی دارند و یکدیگر را دفع می‌کنند. یون‌ها همچنان در جای خود هستند؛ بنابر‌این، حبابی از بار مثبت به‌وجود می‌آید. ذرات پشت این حباب به‌دلیل به‌وجودآمدن میدان الکتریکی قویِ ایجاد‌شده به‌وسیله‌ی تغییر چگالی شتاب می‌گیرند.
شتاب میدان دنباله‌ای با استفاده از پوزیترون‌ها
فیزیکدانان علاقه‌مند هستند از پلاسما برای شتاب‌دهی هر دو الکترون‌ها و پوزیتورن‌ها استفاده کنند؛ چراکه هر دو این ذرات، ذرات و پاد‌ذرات بنیادی جهان هستند. این دو ذره با قرار‌گرفتن درکنار یکدیگر نابود می‌شوند. در LHC، تفسیر برخورد‌ها‌ی الکترون‌‌پوزیترون درمقایسهبا برخورد‌ها‌ی پروتون‌‌پوروتون، بسیار ساده‌تر است.
متأسفانه کار با پوزیترون‌ها بسیار دشوار‌تر است. زمانی‌که دسته‌ای از پوزیتورن‌ها به‌سمت پلاسما شلیک شوند، این پوزیترون‌ها الکترون‌ها‌ی پلاسما را جذب می‌کنند و مانع رانش و حرکت آن‌ها می‌شوند. جذب الکترون‌ها حبابی از فضا‌ی خالی به‌وجود می‌آورد که مشابه حجم الکترون‌ها است. بااین‌حال، این فضا‌ی خالی مدت زیادی دوام ندارد و الکترون‌ها برای پیوستن به یون‌ها به‌سمت مرکز این حجم سرازیر می‌شوند. حضور الکترون‌ها در مرکز این حجم، میدان الکتریکی را غیر‌متمرکز می‌کند؛ بنابر‌این، شتاب پوزیترون‌ها دقیقا خطی و یکنواخت و به‌سمت جلو نیست. فیزیکدانان روش‌ها‌یی برای ملایم‌کردن تغییرات در میدان الکتریکی پیشنهاد کرده‌اند. با‌وجوداین، فیزیکدانان موفقیت‌هایی با پوزیترون‌ها به‌دست آورده‌اند و توانسته‌اند آن‌ها را به انرژی ۵,۰۰۰ MeV در تقریبا هر متر برسانند.
شتاب میدان دنباله‌ای با استفاده از پروتون‌ها
شبیه مورد پوزیترون‌ها، کار با پروتون‌ها نیز دشوار است؛ زیرا پروتون‌ها نیز حباب الکترون فضا‌ی خالی را کاملا به‌وجود نمی‌آورند. پس، چرا با آن‌ها کار‌کنیم؟ به‌دلیل انرژی‌شان.
دایانا آموریم، فیزیک‌دان دانشگاه استونی بروک گفت:
در شتاب‌دهی با روشی که در پیش گرفته‌ایم، از انرژی هر نوع باریکه‌ای استفاده می‌کنیم. ما این انرژی را به پلاسما می‌دهیم و پلاسما آن را به باری پس می‌دهد که باید شتاب بگیرد.
در‌حالی‌که لیزر یا باریکه‌ای از الکترون‌ها می‌تواند حدود ۶۰ ژول انرژی به پلاسما بدهد، باریکه‌ای از پروتون‌ها که جرمی بسیار بیشتر از الکترون دارند، می‌توانند ۲۰,۰۰۰ ژول انرژی به پلاسما منتقل کنند. در اینجا، بهتر است بازهم از مثال موج و موج‌سوار استفاده کنیم.
سوندتر گفت:
باریکه‌ی لیزری یا باریکه‌ی الکترونی سوخت کمی با خود حمل می‌کند. بنابر‌این، در این حالت قایق در دریاچه می‌ایستد. نمی‌توانید ذرات را تا فاصله‌ی زیادی شتاب دهید.
هر ژول با ۶ تریلیون MeV برابر است؛ اما بیشتر انرژی به‌صورت غیر‌بهینه هدر می‌رود. اگر دانشمندان می‌توانستند انرژی بسیار زیاد باریکه‌ی پروتون‌ها را استخراج کنند، قایق آن‌ها فاصله‌ی بسیار زیادی پشت‌سر می‌گذاشت و ذرات می‌توانستند در تمام این مسیر به شتاب‌گیری ادامه دهند. سال گذشته، تیم AWAKE موفق شد با استفاده از باریکه‌ی پروتونی، الکترون‌ها را تا ۲,۰۰۰ MeV شتاب دهد.