مترجم: زهرا هدایت منش
منبع:راسخون
منبع:راسخون
در برخورد ذرات با انرژی‌های خیلی بالا، دو اثر تولید دردسر می‌كند. اول اینكه در انرژی‌های بالا، انرژی مؤثر مركز جرم در برخورد ذره فرودی به هدف ساكن فقط متناسب با ریشه دوم انرژی ذره فرودی افزایش می‌یابد. ثانیاً در مسیرهای دایروی اتلاف انرژی به علت تابش سنكروترونی فوق العاده زیاد است. بنابراین برای شتاب دادن ذرات به انرژی‌های خیلی بالا ناگزیر باید آن‌ها را در شتاب دهنده‌های خطی شتاب داد و همچنین برای حصول به انرژی‌های مؤثر بالا باید از برخورد رودرروی دو باریكه پر انرژی ذرات استفاده كرد. چنین آرایه‌ای برخورد دهنده خطی نامیده می‌شود.
اتلاف انرژی تابش سنكروترونی برای پروتونها بسیار كمتر است تا برای الكترون‌ها. بنابراین هنوز هم طرح برخورد دهنده دایروی TeV20 به TeV20 پروتون – پروتون، یعنی ابر برخورد دهنده ابر رسانا (SSC) یك طرح عملی است، در حالی كه برخورد دهنده دایروی بزرگ الكترون پوزیترون (LEP) كه در CERN ساخته می‌شود به طور معقول فقط می‌تواند تا GeV100 به GeV100 توسعه بیابد. به علاوه، با استفاده از تكنولوژی مغناطیس ابر رسانا، امكان دستیابی به شدت مغناطیسی بیشتر و توان (الكتریكی) مصرفی كمتر در SSC فراهم شده است. معهذا، احتمالاً این برخورد دهنده‌ها پر انرژی‌ترین ماشین در نوع خود خواهند بود. بر طبق برنامه تنظیم شده قرار است LEP در سال 1989 در انرژی GeV50 به GeV50 به كار بیفتد. كلیات طرح SSC در اوایل 1986 كامل شد و مورد تأیید وزارت انرژی آمریكا قرار گرفت. تأمین مخارج SSC كه 3 تا 4 میلیارد دلار برآورد شده، هنوز به تصویب دولت آمریكا نرسیده است.
ورای این ماشین‌ها، از این پس، دور دور برخورد دهنده‌های خطی خواهد بود. یك برخورد دهنده خطی اصلاح شده، یعنی SLC كه الكترون‌ها و پوزیترون‌هایی را كه همزمان در شتاب دهنده خطی SLAC شتاب یافته‌اند به هم برخورد می‌دهد، در مرحله نهایی ساختمان است و قرار است كه در سال 1987 به كار بیفتد. دسته‌های e^+ و e^- كه با انرژی GeV50 از شتابدهنده خطی خارج می‌شوند به وسیله مغناطیسها به دو قوس بزرگ انتقال می‌یابند و سپس به طور رودررو به هم می‌خورند. برخورد دهنده خطی در شكل كلی‌اش دو شتاب دهنده خطی رودروی هم خواهد داشت و باریكه‌های ذرات شتاب یافته در نقطه وسط این شتاب دهنده‌های خطی با هم برخورد خواهند كرد. دربایست‌ها روشن است: میدان شتاب در شتابدهنده خطی باید به حد كافی قوی باشد تا طول دستگاه از حد معقول بیشتر نباشد؛ كارایی انتقال توان از منبع تغذیه به باریكه ذرات باید، به قدر معقولی بالا باشد، و جریان‌های باریكه باید زیاد باشد و باید بتوان باریكه را در نقطه برخورد تا ابعاد بسیار كوچكی كانونی كرد تا درخشندگی مفید (آهنگ برخورد ذرات) بالایی حاصل شود. با بالا رفتن انرژی، مقطع مؤثر برخورد با مجذور انرژی كاهش می‌یابد. در برخورد هادرون‌ها انرژی میان كوارك‌ها و گلوئون‌های تشكیل دهنده آن تقسیم می‌شود. علاوه بر این، مقطع مؤثر تابع شدیداً كاهش یابنده‌ای از نسبت انتقال اندازه حركت به انرژی برخورد است. بنابراین لازمه حصول به حداقل آهنگ‌های مشاهده پذیر در برخوردهای شدید كوارك یا گلوئون درخشندگی بسیار زیاد یا انرژی فوق العاده بالاست.
برای برآوردن این دربایست‌ها در برخورد دهنده‌های خطی آینده، چندین برنامه نسبتاً جسورانه و دوراندیشانه تحقیقاتی، دنبال می‌شوند، اگرچه هزینه و نیروی انسانی زیادی صرف آن‌ها نمی‌شود. اكثر ابداعات به ساختارهای شتاب دهی مناسب برای منابع تغذیه مربوط می‌شود. برای به دست آوردن چگالی توان بالا (در نتیجه میدان شتاب دهی قوی) و حد شكست الكتریكی بالا، باید از بسامدهای بالا یا تپ‌های كوتاه استفاده كرد. بسامدهایی از دهها GHz تا Hz1014 (امواج میكرومتری لیزر) در نظر گرفته شده‌اند. مثلاً گروه بركلی – لیورمور در نظر دارد از لیزر الكترون آزاد استفاده كند، كه یك منبع طول موج سانتی متری است. ساختار شتابدهی برای این امواج سانتی متری عبارت است از یك موجبر مینیاتوری با روزنه متغیر، كه شبیه به ساختار شتاب دهنده خطی SLAC است. منبع تغذیه میكروموج لیزر الكترون آزاد (FEL) در این TBA (شتاب دهنده دو باریكه‌ای) هم اكنون به كار افتاده است و كل دستگاه قرار است در 1987 آماده باشد. انتظار می‌رود شدت میدان‌های شتابدهی تا صدها m/MV باشد.
لیزرهای شیشه‌ای، لیزرهای گازی، و لیزرهای اكسیمری با توان بالا قابل وصول‌اند. پیشرفت اصیلی كه در این مورد باید صورت بگیرد، دستیابی به آهنگ تكرار بالاست كه برای درخشندگی بالای باریكه برخورد كننده لازم است. ساختارهایی كه برای شتابدهی طول موج μm ی پیشنهاد شده‌اند ساختارهای تشدید باز با Qی كم‌اند كه صرفاً با تابانیدن باریكه لیزر در راستای مناسب برانگیخته می‌شوند. این ساختارهای باز می‌توانند به شكل‌های متنوعی از قبیل توری، ردیف‌هایی از برجستگی‌های میكرومتری، و جریان‌هایی از قطرات میكرومتری باشند. اگر این ساختارها از مواد فیزیكی ساخته شده باشند، هنگامی كه توسط لیزر توان بالا گرم می‌شوند، تبخیر خواهند شد و به صورت پلاسما درخواهند آمد، ولی همبستگی شان را برای مدت چند نانو ثانیه حفظ خواهند كرد تا در نزدیك سطح میدان‌های شتابدهی خیلی قوی حاصل شود. از برآوردهای نظری، میدانی از مرتبه 1 تا 10 m/GV به دست می‌آید.
ساختارهای شتابدهی میكرومتری می‌توانند در پلاسما نیز تشكیل شوند. لذا از این میدان‌های قوی موجود در پلاسما می‌توان برای شتاب دادن ذرات استفاده كرد. نوید بخش ترین طرح از این نوع، شتابدهنده موج زنش پلاسماست كه فعلاً به طور آزمایشی در UCLA و در INRS در كانادا بررسی می‌شود. در این طرح یك موج پلاسما به طور تشدیدی در اثر پراكندگی رامان با دو باریكه فرودی لیزر كه بسامد آن‌ها اندكی با هم متفاوت است برانگیخته می‌شود به گونه‌ای كه بسامد زنش آن‌ها مساوی بسامد نوسان پلاسما باشد. موج پلاسما قبل از خراب شدن در اثر ناپایداری‌ها و اثرات غیر خطی، همدوسی خود را به مدت دهها نوسان حفظ می‌كند. میدان در موج بسیار چگال پلاسما، كه به شدت مدوله شده است می‌تواند چندین m/GV باشد. میدان‌هایی به بزرگی m/GV1 اندازه‌گیری شده‌اند و الكترون‌ها در طی mm5ر1 تا حدود MeV5ر1 شتاب گرفته‌اند.
بدون هیچ ساختار شتابدهی، باریكه لیزری با موج تخت می‌تواند ذرات را در حالی كه از یك موج ساز می‌گذرند در صفحه عرضی شتاب بدهد. بدین ترتیب، این شتاب دهنده یك شتاب دهنده لیزر الكترون آزاد معكوس (IFEL)- است. آهنگ شتاب محدود و فقط چند صد m/MeV است، و بالاترین انرژی قابل وصول چند صد GeV است كه به علت اتلاف شدیداً فزاینده تابش سنكروترونی ذرات باردار لرزان، محدود می‌شود.
یك چشمه دیگر برای میدان شتابدهی، میدان القایی است كه توسط باریكه متراكمی كه یا در موجبر و یا در پلاسما انتشار می‌یابد، تولید می‌شود. طرح این آرایه باید چنان باشد كه میدان از باریكه تغذیه توان (سیم پیچ اولیه) به باریكه شتاب یافته (سیم پیچ ثانویه) تقویت شود (نسبت تبدیل). بر طبق یك قضیه سرراست، در آرایه ساده‌ای كه در آن هر دو دسته باریكه كوتاه باشند و در طول مدار یكسانی حركت كنند، بیشترین انرژیی كه پرتو شتاب یافته می‌تواند دریافت كند فقط دو برابر انرژی پرتو منبع تغذیه است. یك ساختار پیچیده باریكه – موجبر كه نسبت تبدیل آن حدود 10 است با مشاركت DESY و لوس آلاموس در حال آزمایش است.
اینها همه آینده نگری است، ولی امید آینده فیزیك انرژی بالا در درازمدت به همین چیزها بستگی دارد.
