ليزرهاي قدرتمند تا جه حد توانايي شتاب ذرات را دارند و به چه کار مي‌آيند؟
معروف‌ترين شتابدهنده‌هاي جهان به تونل‌هايي نياز دارند که ميلياردها دلار صرف آنها شده است. پس آيا حالا با ليزرهاي قدرتمند واقعاً الان فيزيکدانان شتابدهنده‌هايي در آزمايشگاه‌هايشان دارند؟ مرکز شتابدهنده خطي استنفورد (SLAC) با ۳.۲ کيلومتر، برخورد دهنده بزرگ هادروني با محيط ۲۷ کيلومتر از اين دست هستند. SLAC قادر است الکترون‌ها و پوزيترون‌ها را با انرژي ۵۰ گيگا الکترون ولت شتاب دهد. فيزيکدانان با ليزرهاي فوق سريع، مي‌توانند سرعت‌هاي فوق نسبيتي توليد کنند و زوج الکترون-پوزيترون شتابدار خروجي آنها روي ميز در يک آزمايشگاه باشد.
ليزرهاي قدرتمند، الکترون‌هاي سريع
در ژوئن ۲۰۱۳ دو مقاله از دو تيم پژوهشي متفاوت از شتابدهنده‌هاي روميزي چاپ شد. اولي با تيمي از چند کشور انجام شده بود که الکترون‌هاي فوق نسبيتي ۲۰۰ مگاالکترون ولتي بوجود آورده بودند. الکترون‌هاي فوق نسبيتي توليد شده باريکه‌هاي الکترون و پوزيترون توليد کردند که از مرتبه‌ي ۸۰ تا ۱۴۰ مگاالکترون ولت بودند. تيم دوم از دانشگاه آستين تکزاس الکترون‌هاي فوق نسبيتي با انرژي‌هايي در حدود ۲ گيگاالکترون ولت توليد کرد. اين تيم ليزر قوي‌تري در اختيار داشت.
تيم اول از ليزري بنام هرکول در دانشگاه ميشيگان استفاده کردند. اين تيم از ليزري با پالس ۰.۸ ژول استفاده کردند که ۳۰ در مرتبه ۱۵- ثانيه شليک شد. همين زمان، قدرتي معادل ۲۷ تراوات يا ۲۷ از مرتبه ۱۲ وات نتيجه داد. فرکانس ليزر ۳.۷۵ در تابه نمايي ۱۴ هرتز بود. به نظر اين مقدار انرژي زياد نيست (فقط ۰.۸ ژول). ولي نقطه‌ي قدرت ليزر دراين است که با چه سرعتي مي‌توانيد آن را برگردانيد. اين انرژي فقط از يک پالس مي‌آيد. يک لامپ حبابي ۱۰۰ وات انرژي ۱۰۰ وات در ثانيه توليد مي‌کند ( و کمتر از ۵% به نور مرئي تبديل مي‌شود).
در عرض يک ثانيه، ۲۷ تريليون ژول انرژي مي‌رسد. ليزر آستين در تگزاس ده به نماي ۱۵ وات انرژي توليد مي‌کند. پالس ليزري هرکول بر جت گاز هليمي متمرکز شده که با نيتروژن تخدير مي‌شود. پالس ليزري کاملاً همه‌ي مولکول‌هاي گاز را يونيزه مي‌کند. اين ماده با هسته و الکترون و جدا را پلاسما مي‌ناميم. در اين پلاسما، ۹ در ده به نماي ۱۸ الکترون در هر مترمکعب وجود دارد. اين الکترون‌ها با سرعت‌هاي بالا شتاب مي‌گيرند. مقدار بيشينه‌ي انرژي جنبشي که بدست مي‌آورند، ۲۰۰ مگاالکترون ولت است. اين سرعت فرانسبيتي به سرعت نور نزديک هستند. چقدر نزديک؟ ۰.۹۹۹۹۹۹۶۷۵۲۶ برابر سرعت نور. گروه تگزاس الکترون‌هاي فرانسبيتي را به همين شيوه ايجاد کردند. ليزر آنها به انرژي ۲ گيگاالکترون ولت رسيد که به اين معناست که الکترون‌ها با سرعتي نزديک به نور حرکت مي‌کنند.
مسيرهاي پراکنده
برخلاف تنظيم‌بندي‌هاي ديگر ابزارهاي آزمايشگاهي، دو گروه اينکار را به دو شيوه متفاوت انجام دادند. شتاب دادن الکترون‌ها پرتو ايکس توليد مي‌کند. آزمايش تگزاس الکترون‌هاي فوق نسبيتي و پرتوهاي ايکس توليد کرد. با اين حال، گروه ديگر، علاقه‌اي به پرتو ايکس نداشت. هدف آنها توليد الکترون و پوزيترون بود. يعني ماده و پاد ماده و مقايسه‌ي مقدار آنها. همگي مشخصه‌هاي يکساني داشتند ولي بار آنها باهم فرق داشت، پس گشتاور مغناطيسي متفاوتي داشتند. وقتي يک الکترون و پوزيترون برخورد مي‌کنند، همديگر را نابود مي‌کنند و دو فوتون گاما توليد مي‌کنند که بسته‌هاي بسيار پُرانرژي الکترومغناطيسي هستند. اين تيم باريکه‌ي فوق نسبيتي الکترون را به ديواره‌ي تفلني مي‌کوبد. تفلُن الکترون‌هاي زير مگاالکترون ولت و پرتوهاي گاماي بعدي را سد مي‌کند.
 |
تفلُن عدد اتمي بسيار کمي دارد (تعداد پروتون‌ها در مولکول)؛ پس نوع دومي از تابش معروف به تابش برمشترانگ قابل صرف نظر کردن است. اين تابش زماني اتفاق مي‌افتد که الکترون با ميدان الکتريکي هسته‌ي اتم، منحرف مي‌شود. پس از گذر از تفلُن، الکترون‌هاي فوق نسبيتي با موجودي بنام هدف Z بالا اندرکنش مي‌کنند. |
اين مواد تعداد زيادي پروتون در هر اتم دارند(مانند سُرب). الکترون‌هاي فوق نسبيتي با اندرکنش با هسته‌ي اتم، سرعت کم مي‌کنند. تابش برمشترانگ توليد مي‌کنند که بعداً با هسته اندرکنش دارند و زوج الکترون-پوزيترون توليد مي‌کنند. اين پديده به فرايند دو گام معروف است. فرايند سه گام، فرايند توليد زوج ديگري است که اتفاق مي‌افتد ولي در مقايسه با فرايندهاي دوگانه قابل صرف نظر کردن است. همه‌ي زوج‌هاي توليد شده، حرکت پس‌رونده‌ي الکترون‌هاي اصلي اوليه را حمل مي‌کنند.
زوج‌هاي الکترون و پوزيترون ماده Z را ترک مي‌کنند و در ميدان مغناطيسي از هم جدا مي‌شوند. ميدان مغناطيسي بارهاي مثبت و منفي را از هم جدا مي‌کند (شکل زير).
اين تصوير، شمايه‌ي آزمايش تيم اول چندمليتي است که در بالا ذکر شد.
(a) ليزر پتا، بنام هرکول، پالس قدرتمندي گسيل مي‌کند که يونيزاسيون جت گاز هليم ناشي از نيتروژن را کامل مي‌کند. و همين يعني توليد ۹۰۰ کوادريليون الکترون در هرمترمکعب. اين الکترون‌ها با پالس ليزري شتابدار مي‌شوند.
(b) الکترون‌هاي سريعتر با ماده Z اندرکنش کرده و الکترون-پوزيترون‌ها در ميدان مغناطيسي از هم جدا مي‌شوند. (کپي رايت: دکتر جي. راسي)
ماده Z که بارها از آن نام برديم، مس، سلنيُم، تانتاليُم و سرب بودند. فيزيکدانان براين باورند که نسل باريکه‌هاي فوق نسبيتي پوزيترون مي‌تواند در مدلسازي جت‌هاي اخترفيزيکي در آزمايشگاه، برخورد الکترون-پوزيترون، و مطالعه ماده و پادماده مورد استفاده قرار گيرد.
Heide Doss