ابربرخورد دهنده ابررسانا

اخیراً جامعه فیزیک بالا _انرژی ایالات متحده ساختمان یک شتاب دهنده بالا_انرژی بالا_ درخشندگی، یعنی ابر برخورد دهندهٔ ابررسانا (SSC)، را به عنوان گامی ضروری برای فهم عمیق‌تر ذرات بنیادی تشکیل دهنده ماده پیشنهاد کرده است. شتاب دهنده SSC, با هزینه‌ای نزدیک به سه میلیارد دلار، گران‌ترین و شاید بلندپروازانه‌ترین وسیله علمی منفردی است که تاکنون ساخته شده است. هدف این مقاله توصیف مختصر تاریخ چگونگی تحقق این پیشنهاد، دلایل فیزیک برله آن، و تصورات فعلی ما در مورد پارامترهای فنی آن است.
وضعیت عمومی فیزیک ذرات را باید به خاطر آورد. در آن زمان بود که بخش ذرات و میدان‌های انجمن فیزیک امریکا (APS) کارگاهی برای کار در مورد فیزیک ذرات بنیادی و تجهیزات آینده در اسنومس کلرادو تدارک دید. در این کارگاه ابتکارات آیندهٔ محتمل ایالات متحده، در زمینهٔ فیزیک بالا _انرژی برای نخستین بار به طور سیستماتیک با هم مقایسه شدند. در طول دههٔ گذشته نظریهٔ واینبرگ - سلام - گلاشو که "مدل استاندارد" بر هم کنش‌های ضعیف - الکترومغناطیس نامیده می‌شود به طور قابل ملاحظه‌ای تأیید شده است. از طرف دیگر، نظریهٔ کرومودینامیک کوانتومی (QCD) به نظریه‌ای تبدیل شده که در پیش‌بینی و تبیین جنبه‌های کلی برخوردهای سخت در برهم‌کنش‌های هادرون - هادرون و تولید هادرون در نابودی e+e- به میزان قابل توجهی موفق بوده است. می‌توان انتظار داشت که در خلال دهه آتی با ظهور دستگاه‌های جدید، آزمون‌های دقیق‌تر و جالب‌تری در مورد این ایده‌ها انجام شود. این دستگاه‌ها عبارتند از برخورد دهنده‌های پروتون - پادپروتون در سرن و فرمی لب و "کارخانه‌های Z" بالا- انرژی در برخورددهنده‌های e+e- ی سرن و SLAC. در همان زمان در جامعه فیزیک بالا- انرژی ایالات متحده تشویش رو به تزایدی وجود داشت که مبادا برنامه عقب بیفتد، و این عقیده که اگر هدف باقی ماندن در پیش‌تازی این رشته است باید گام‌های بلندی شجاعانهٔ تازه ای برداشته شود.
یکی دو ماه بعد از کارگاه اسنومس وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) از هیئت مشاوران فیزیک بالا_ انرژی (HE PAP) خود خواست تا زیر هیئتی برای برنامه‌ریزی بلندمدت در مورد تجهیزات یک شتاب دهندهٔ جدید تشکیل دهد. زیر هیئت نظرات خود را، برای تصمیم گیری در ۱۱-۱۲ ژوئیه ۱۹۸۳، به کمیتهٔ اصلی ارائه داد. توصیهٔ HEPAP ساختن یک ابر برخورد دهندهٔ ابررسانا (SSC) به عنوان بالاترین اولویت در برنامهٔ بالا-انرژی ایالات متحده بود، یعنی یک برخورد دهندهٔ هادرون _هادرون بالا_ درخشندگی با ۱۰ تا ۲۰TeV در هر باریکه. اهمیتی که جامعه٬ برای این پروژه قائل شده بود به این دلیل مورد تأکید قرار گرفت که هیئت در ضمن، توصیه کرده بود نه شتاب دهندهٔ باریکهٔ برخورد کننده بروک هیون (CBA) ساخته شود و نه برخورد دهندهٔ پیشنهاد شدهٔ فرمی لب. به خصوص به علت سرگذشت طولانی CBA و موفقیت‌های جدیدی که در زمینه، غلبه بر مشکلات مربوط به مغناطیس‌های ابررسانا در بروک هاون به دست آمده بود توصیهٔ مربوط به این شتاب دهندهٔ ناراحت کننده و جنجال برانگیز بود.
علی‌رغم بحث و جنجالی که در اطراف توصیه مربوط به CBA برپاشد علی‌رغم شهامت و خطر کردن آشکاری که در سرمایه گذاری روی SSC برای برنامهٔ فیزیک ذرات ایالات متحده لازم بود، جامعهٔ بالا-انرژی و DOE با هماهنگی و شور و حرارت قابل ملاحظه‌ای تلاش برای راه اندازی SSC را به عهده گرفتند. از HEPAP خواسته شد زیر هیئتی به منظور بررسی توزیع مناسب بودجه مربوط به پژوهش و ساخت شتاب‌دهنده پیشرفته براساس توصیه‌های SSC تشکیل دهد. چند ماه بعد، گردانندگان آزمایشگاه‌های ملی اصلی در برکلی ک برنامهٔ "مطالعهٔ طرح مرجع" به سرپرستی مورای تیگنر از کرنل ترتیب دادند؛ هدف آماده کردن طرح مقدماتی و تخمین هزینه برای SSC بود. تیگنر بعداً به مدیریت گروه مرکزی طرح CDG) SSCیا) منصوب شد. وظیفهٔ این گروه هماهنگ کردن پژوهش‌ها و تلاش‌ها برای پیشرفت کار SSC خواهد بود. در اوت ۱۹۸۴. دانلد هودل، دبیر DOE، برنامه نخستین سال مرحله قبل از ساختمان SSC را ارائه داد. هدف عمده این برنامه طرح مغناطیس ابررسانای مورد استفاده در SSC و کاستن از هزینه آن است. آزمایشگاه لورنس برکلی واقع در برکلی کالیفرنیا به میزبانی گروه مرکزی طرح SSC برگزیده شده است.
در این مدت، مقدار زیادی از کارهای SSC توسط جامعه ذرات ایالات متحده در سراسر آمریکا انجام شده است. مطالعه طرح مرجع كه قبلا به آن اشاره کردیم کامل شد و درباری از محاسبات بعدی هم‌چون کتابی مقدس مورد استفاده قرار گرفت (۱۱۸۴). کارگاهی در اسنومس کلرادو در ژوئن و ژوئیه ۱۹۸۴ بیش از فیزیک‌دان را به منظور تشریح نظریه، آزمایش‌ها، و مسائل شتاب دهنده‌ای مربوط SSC گرد هم آورد.
علاوہ بر این‌ها می‌توان از اتفاقی که رخ داد یاد کرد. در این اتفاق تواترون فرمی لب پروتون‌ها را تا ۵۱۲GeV شتاب داد و بنابراین به طور هم‌زمان به بالاترین انرژی ذره‌ای آزمایشگاهی رسید و مهم‌تر از آن، به صورت نخستین شتاب‌دهندهٔ ابررسانایی دنیا درآمد. موفقیت در این فناوری جدید و دشوار حتی اهل شک را متقاعد کرد که SSC هدفی دست یافتنی را تعقیب می‌کند. حالا باز می‌گردیم به توصیف فنی SSC و تشریح مسائل فیزیکی که این پروژه رودرروی خود دارد. شکی نیست که مدل استاندارد موفقیتی عظیم بود و دارای قدرت پیش‌گویی زیادی است. از طرف دیگر، شواهد زیادی وجود دارد دال بر این‌که مدل استاندارد تمامی ماجرا نیست و این‌که در حوزه‌های بالاتر انرژی، فیزیک جدیدی وجود دارد. هم اکنون شواهدی تجربی از فیزیك فراسوی مدل استاندارد شاید وجود داشته باشد. تعدادی رویداد عجیب که در برخورددهنده پروتون - پادپروتون سرن اتفاق افتاده‌اند و تن به هیج توصیف معمولی نمی‌دھند ممکن است، به همین سادگی، طلایه فیزیک جدید باشند (۱۳۶۳).
اغلب مدل‌های نظریی که در بالا ذکر شدند مقیاس جرم ۱TeV (با یک ضریب ۲ یا چیزی در این حدود) را به عنوان انرژیی که در آن پدیده‌های جدید خود را نشان می‌دهند مشخص می‌کنند. چون هر پروتون مجموعه ای از کوارک‌ها و گلوئون‌هایی است که نوعا هر کدام حدود ۱/۱۰ تا ۱/۵ انرژی کل پروتون را حمل می‌کنند، انرژی برخورد پروتون - پروتون باید به میزان قابل ملاحظه‌ای بیش‌تر از ۱TeV باشد تا در برخوردهای کوارک- کوارک که میان کوارکی از یک پروتون و کوارکی دیگر از پروتونی دیگر انجام می‌شود به این انرژی برسیم. از آن ‌جا که با افزایش انرژی احتمال چنین برخوردهایی کاهش می‌یابد، باید درخشندگی باریکه‌ها تا جایی که ممکن است بالا باشد.
مطالعهٔ طرح مرجع این پارامترهای انرژی و درخشندگی را به عنوان اهداف طرح مرجع برگزیده و این سوال را مورد بررسی قرار داده است که آیا می‌توان با فناوری شناخته شده ماشینی ساخت که به چنین هدف‌هایی برسد؛ این ماشین چگونه خواهد بود و چه میزان هزینه در برخواهدداشت. چون طرح مغناطیس نهایی هنوز برگزیده نشده است و گزینش آن در گرو نتایج تحقیقات و پیشرفت کار در سال آتی است، سه طرح مجزا با استفاده از سه مغناطیس مختلف با شدت میدان‌های ۳، ۵ و ۵ر۶ تسلا (T) ساخته شده است.
این تخمین‌ها شامل هزینه‌های مربوط به آشکارساز یا خود محل نمی‌شود. فرض شده است که هزینه محل از سوی ایالت میزبان تأمین خواهد شد.