مصادم أيونات ثقيلة بسرعات النسبية

مصادم أيونات ثقيلة بسرعات النسبية في الفيزياء النووية (بالإنجليزية: Relativistic Heavy Ion Collider أو مختصرا RHIC) هو معجل جسيمات في هيئة دائرة يقوم بتسريع الأيونات الثقيلة إلى سرعات تقترب من سرعة الضوء في اتجاهين متضادين ثم يدعها تتصادم ببعضها البعض، ويقوم العلماء بدراسة جسيمات جديدة تنشأ عن ذلك. هذا يعطينا معلومات عن تركيب الجسيمات الأولية التي تتكون منها الذرات وتتكون منها جميع العناصر المختلفة. كما يقوم العلماء بدراسة القوى المؤثرة بين الجسيمات وعلاقاتها ببعضها البعض. أنشيء «مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية» في مختبر بروكهافن الوطني بالولايات المتحدة الأمريكية، في مدينة ابتون على جزيرة لونغ آيلاند.

معنى «سرعات النسبية» relativistic velosities هو سرعات عالية جدا جدا تقترب من سرعة الضوء (300.000 كيلومتر في الثانية)، تجعل تصرف حركة الجسيمات مسايرة لأساسيات النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين. مع عدم الخلط بين سرعات النسبية  التي نتعامل معها هنا وسرعة نسبية: فالسرعة النسبية تعني السرعة النسبية التي يتحرك بها قطار «بالنسبة» إلى سيارة تسير في اتجاه ما، أو سرعة راكب داخل القطار بالنسبة إلى سرعة القطار، وهذه كلها سرعات أقل بكثير جدا من سرعة الضوء، التي هي أعلى سرعة في الكون وتتحرك بها موجات الضوء والإشارات الاسلكية والأشعة الكهرومغناطيسية بوجه عام.

يستخدم مصادم الايونات الثقيلة بسرعات النسبية في أبحاث بلازما الكوارك والجلوون وفي دراسة تركيب العزم المغزلي (سبن) للبروتون. بني المصادم لإنتاج وتسريع البروتونات إلى طاقة تصل إلى 200 جيجا إلكترون فولط (ثم عليت طاقته لتصل 500 جيجا إلكترون فولط)، كما يمكنه إنتاج فيض من أنوية الذرات الثقيلة مثل ديوتريوم حتى أنوية ذرات الذهب، وأنوية الذهب هي الأيونات الثقيلة المعنية هنا. يقوم المصادم بتسريع أزواج الأيونات الثقيلة حتى طاقة 200 جيجا إلكترون فولط في اتجاهين متضادين ثم يدعهم يتصادمون. فهو يتكون من دائرتين للتسريع محيط كل منهما نحو 3830 متر وتتقاطع الدائرتان عند ستة نقاط. في تلك النقاط تحدث تصادمات الأيونات الثقيلة السريعة ببعضها البعض، وتحيط بكل نقطة أجهزة قياس علمية لقياس نواتج التصادم وسرعاتها. وقد كان أول تصادم للأيونات في عام 2000 .

في عام 2011 تم اكتشاف أثقل مادة مضادة اكتشفت حتى ذلك الحين وهي نواة مضاد الهيليوم-4 واجريت عليها عدة تجارب.
.http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,758838,00.html  

 المسرّع 
المعجل RHIC هو مسرّع جسيمات ذو حلقة تخزين متقاطعة. تدور حلقتان مستقلتان (يُشار إليهما بـاللونين "الأزرق" و"الأصفر") أيونات ثقيلة و/أو بروتونات مستقطبة في اتجاهين متعاكسين، مما يسمح بحرية اختيار الجسيمات المشحونة إيجابياً للتصادم (سيسمح التحديث eRHIC بالتصادمات بين الجسيمات المشحونة إيجابياً وسلبياً). حلقة التخزين المزدوجة في RHIC سداسية الشكل، ويبلغ محيطها 3834 متراً، ذات حواف منحنية يتم فيها توجيه الجسيمات المخزنة وتركيزها بواسطة 1740 مغناطيساً فائق التوصيل باستخدام موصلات من النيوبيوم والتيتانيوم. تعمل المغناطيسات ثنائية القطب عند شدة 3.45 تسلا. تقع نقاط التفاعل الست (بين الجسيمات التي تدور في الحلقتين) في منتصف الأقسام الستة المستقيمة نسبياً، حيث تتقاطع الحلقتان، مما يسمح للجسيمات بالتصادم . يتم ترقيم نقاط التفاعل حسب مواقع الساعة بالنسبة للحلقتين، مع وجود نقطة الحقن بالقرب من الساعة السادسة. يقع جهازا التجارب الكبيران، STAR وsPHENIX، عند موضع الساعة السادسة والثامنة على التوالي. يُعد جهاز sPHENIX أحدث جهاز تجارب تم بناؤه في مصادم الأيونات الثقيلة ذات سرعات النسبية (RHIC)، ليحل محل جهاز PHENIX الموجود عند موضع الساعة الثامن.

تمر الجسيمات بعدة مراحل من المعززات قبل وصولها إلى حلقة تخزين مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية RHIC. المرحلة الأولى للأيونات هي مصدر أيونات حزمة الإلكترونات EBIS، بينما يُستخدم المعجل الخطي (Linac) ذو طاقة 200 ميغا إلكترون فولت للبروتونات. على سبيل المثال، تمتلك نوى الذهب الخارجة من مصدر أيونات حزمة الإلكترونات طاقة حركية تبلغ 2 ميغا إلكترون فولت (أي 2 مليون إلكترون فولت) لكل نيوكليون (نواة )، وشحنة كهربائية Q = +32 (32 إلكترونًا من أصل 79 إلكترونًا تم انتزاعها من ذرة الذهب). بعد ذلك، تُسرّع الجسيمات بواسطة مسرع السنكروترون المعزز إلى 100 ميغا إلكترون فولت لكل نيوكليون، والذي يحقن الجسيم المقذوف، الذي أصبح الآن بشحنة Q = +77، في مسرع السنكروترون ذي التدرج المتناوب (AGS)، قبل أن تصل أخيرًا إلى 8.86 غيغا إلكترون فولت (غيغا : معناها ألف مليون) لكل نيوكليون، ثم تُحقن في حالة شحنة Q = +79 (بدون إلكترونات متبقية) في حلقة تخزين مصادم الأيونات الثقيلة النسبية عبر خط نقل AGS-إلى-RHIC (AtR).
... حتى الآن، تشمل أنواع تراكيب الجسيمات التي تم استكشافها في مصادم الأيونات الثقيلة ذات سرعات النسبية (RHIC) ما يلي: بروتون + بروتون ؛ بروتون + ألومنيوم ؛ بروتون + ذهب ؛ ديود + ذهب ؛ هيدروجين + ذهب ؛ نحاس + نحاس ؛ نحاس + ذهب ؛ زركونيوم + زركونيوم ؛ روثينيوم + روثينيوم؛ ذهب + ذهب ؛ ويورانيوم + يورانيوم. تتحرك الجسيمات عادةً بسرعة 99.995% من سرعة الضوء. بالنسبة لتصادمات الذهب + الذهب، تبلغ طاقة مركز الكتلة عادةً 200 جيجا إلكترون فولت (أي 200 ألف مليون إلكترون فولط) لكل زوج من النيوكليونات، وقد انخفضت إلى 7.7 جيجا إلكترون فولت لكل زوج من النيوكليونات. تم استهداف متوسط عدد الجسيمات "إضاءة" قدره 2 × 10²⁶ سم⁻² ث⁻¹ أثناء التخطيط. وصل متوسط إضاءة الذهب + الذهب الحالي للمصادم إلى 87 × 10²⁶ سم⁻² ث⁻¹، أي 44 ضعف القيمة التصميمية. يتم زيادة عدد الأيونات الثقيلة في الفيض بشكل كبير من خلال التبريد العشوائ.

إحدى الخصائص الفريدة لمصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية (RHIC) هي قدرته على تصادم البروتونات المستقطبة (أي يكون العزم المغزلي لها جميعا في اتجاه واحد) . يحمل RHIC الرقم القياسي لأعلى حزم بروتونات مستقطبة طاقةً (سرعة). تُحقن البروتونات المستقطبة في RHIC وتحافظ على هذه الحالة طوال فترة زيادة الطاقة. هذه مهمة صعبة تُنجز بمساعدة مغناطيسات حلزونية تُسمى "الأفاعي السيبيرية" (في RHIC، سلسلة من 4 مغناطيسات ثنائية القطب حلزونية). يُحفز الحلزون المجال المغناطيسي على الدوران حلزونيًا في اتجاه الحزمة لتسريعها. حققت الجولة التاسعة (Run-9) طاقة مركز كتلة تبلغ 500 جيجا إلكترون فولت في 12 فبراير 2009. في الجولة الثالثة عشرة (Run-13)، بلغ متوسط لمعان (عددها) البروتونات الموجبة (p+p) في المصادم 160×10³⁰ سم⁻²·ث⁻¹، مع استقطاب متوسط زمنيًا وشديًا بنسبة 52% 
.

استُخدمت ثنائيات الأقطاب المتناوبة لأول مرة في تشخيص (تحليل لاستخلاص تغيرات) الآلات غير الخطية في RHIC.

 معرض صور 

 تجارب أولية 
بنيت على مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية تجربتين كبيرتين:

 فينيكس PHENIX وهي تجربة خاصة بدراسة التفاعلات النووية في الطاقات العالية،
 تجربة «ستار» وهذا الاسم اختصار لـ Solenoidal Tracker at RHIC ، أي لولب مغناطيسي للقياس على مصادم الأيونات الثقيلة ذات سرعات النسبية.

كما أجريت خلال السنوات الأولى بعد الإنشاء بعض التجارب الصغيرة المتعلقة بالتصادمات، منها:

 فوبوس PHOBOS ,
 برامز BRAHMS
 و pp2pp.

ليس هذا المصادم هو الوحيد وإنما يوجد في أوروبا مصادم الهادرونات الكبير الذي أنشيء على الحدود بين فرنسا وسويسرا بالقرب من جنيف واستغرق بناؤه عشرة أعوام وبدأ العمل في عام 2011. كما توجد معجلات أخرى كبيرة في روسيا وأمريكا وغيرها.

 التجارب 
تصغير|صورة لتصادمات أيونات الذهب كما التقطها الكاشف STAR.

يوجد حاليًا كاشفان يعملان في مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية (RHIC): STAR (عند الساعة 6، بالقرب من خط نقل AGS إلى RHIC) وsPHENIX (عند الساعة 8)، وهو خليفة PHENIX. أنهى PHOBOS (عند الساعة 10) تشغيله في عام 2005، وBRAHMS (عند الساعة 2) في عام 2006.

من بين الكاشفين الأكبر حجمًا، يهدف الكاشف STAR إلى رصد (عد) الهادرونات باستخدام نظام غرف إسقاط زمني يغطي زاوية مجسمة واسعة في مجال مغناطيسي لولبي مُوَلَّد تقليديًا، بينما يتخصص PHENIX في رصد الجسيمات النادرة والكهرومغناطيسية، باستخدام نظام كاشف ذي تغطية جزئية في مجال مغناطيسي محوري مُوَلَّد فائق التوصيل. تتميز الكواشف الأصغر بتغطية شبه سريعة أكبر، ويُعدّ كاشف PHOBOS صاحب أكبر تغطية شبه سريعة بين جميع الكواشف، وهو مُصمّم خصيصًا لقياس عدد الجسيمات في الجسيمات الكبيرة، بينما صُمّم كاشف BRAHMS لدراسة طيف الزخم، بهدف دراسة ما يُعرف بـ "الجسيمات الصغيرة" وفيزياء التشبع. وهناك تجربة إضافية، PP2PP (التي أصبحت الآن جزءًا من الكاشف STAR)، تُعنى بدراسة اعتمادية اللف المغزلي في تشتت البروتون-بروتون.[20]

المتحدثون الرسميون باسم كل تجربة هم:

 STAR: فرانك جورتس (جامعة رايس) وليجوان روان (مختبر بروكهافن الوطني)،
 PHENIX: ياسويوكي أكيبا (معهد ريكين)،
 sPHENIX: غونتر رولاند (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) وديفيد موريسون (مختبر بروكهافن الوطني)

 المستقبل 

عمل مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية بين عامي 2000 إلى 2010 وكان أكبر معجل للجسيمات الثقيلة في العالم. ثم بني في أوروبا مصادم الهادرونات الكبير بالقرب من جنيف على الحدود الفرنسية السويسرية وهو خاص بتصادم البروتونات، ويعمل في إطار إنتاج واختبارات الأيونات الثقيلة لمدة شهر كل عام. سوف يستطيع مصادم الهادرونات الكبير LHC العمل بطاقات أعلى 28 مرة من مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية، مع أنه يعمل الآن بنحو نصف تلك الطاقة. وحاليا بتاريخ 2012 فكلا المصادمان هما أكبر المصادمات العاملة في العالم.

يشتغل مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية لفترات أطول في العام وتدرس عليه أعدادا كبيرة من تصادمات أنواع مختلفة من العناصر وبطاقات مختلفة. وكان من المزمع تعديل بنية RHIC إلى eRHIC : أي تحويله إلى معجل للإلكترونات/و البوزيترونات إلى سرعات 10 جيجا إلكترون فولط (10 مليار إلكترون فولط)، مما يتيح إجراء البحوث على تصادم الإلكترونات بأيونات الذرات. ويحتاج المختبر لبناء مكشاف جديد كبير لتسجيل تلك القياسات.A. Deshpande et al., Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 55, 165 (2005).  

يُعدّ مصادم الإلكترون-أيون (EIC) ترقيةً رئيسية، إذ يُضيف مرفقًا لحزمة إلكترونية عالية الكثافة بطاقة 18 جيجا إلكترون فولت، مما يسمح بإجراء تصادمات الإلكترون-أيون. وسيتطلب الأمر بناء كاشف جديد واحد على الأقل لدراسة هذه التصادمات. وقد نُشرت مراجعةٌ من قِبل أبهاي ديشباندي وآخرين عام 2005.
 ويمكن الاطلاع على وصفٍ أحدث في:E. C. Aschenauer et al., "eRHIC Design Study: An Electron–Ion Collider at BNL", 2014. 

في 9 يناير 2020، أعلن بول دابار، وكيل وزارة الطاقة الأمريكية لشؤون العلوم، عن اختيار تصميم مصادم الإلكترون-أيون عالي الوزن الجزيئي (eRHIC) التابع لمختبر بروكهافن الوطني (BNL) ليكون مصادم الإلكترون-أيون (EIC) المستقبلي في الولايات المتحدة. وبالإضافة إلى اختيار الموقع، أُعلن أن مصادم الإلكترون-أيون التابع لمختبر بروكهافن الوطني قد حصل على الموافقة (CD-0) من وزارة الطاقة."U.S. Department of Energy Selects Brookhaven National Laboratory to Host Major New Nuclear Physics Facility"  2020.

 انتقادات تجارب الطاقة العالية 

انظر أيضًا: سلامة تصادمات الجسيمات في مصادم الهادرونات الكبير

وينشر موقع ويكي نيوز أخبارًا ذات صلة:
احتمالية تكوّن ثقب أسود في الولايات المتحدة

قبل بدء تشغيل مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية (RHIC)، افترض النقاد أن الطاقة العالية للغاية قد تُنتج سيناريوهات كارثية على الأرض، مثل تكوّن ثقب أسود، أو الانتقال إلى فراغ كمومي مختلف (انظر الفراغ الزائف)، أو تكوّن مادة غريبة أكثر استقرارًا من المادة العادية. هذه الفرضيات معقدة، لكن يتوقع كثيرون أن الأرض ستُدمّر في غضون ثوانٍ أو خلال آلاف السنين، اعتمادًا على نظرية مُعتمدة. ومع ذلك، فإن حقيقة تعرّض أجرام النظام الشمسي (مثل القمر) لقصف بجسيمات كونية ذات طاقات أعلى بكثير من طاقة مصادم الهادرونات الكبير /أو مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات النسبية RHIC ، ومصادمات أخرى من صنع الإنسان لمليارات السنين، دون أي ضرر على النظام الشمسي، كانت من أبرز الحجج التي تُفنّد هذه الفرضيات.

أما القضية الخلافية الرئيسية الأخرى فكانت مطالبة النقاد [بحاجة لمصدر] الفيزيائيين باستبعاد احتمالية حدوث مثل هذا السيناريو الكارثي بشكل معقول. يعجز الفيزيائيون عن إثبات وجود قيود تجريبية وفيزيائية فلكية تُثبت انعدام احتمالية وقوع أحداث كارثية، ولا عن إمكانية تعرض الأرض غدًا لشعاع كوني "يوم القيامة" (إذ لا يمكنهم سوى حساب حد أقصى للاحتمالية). وستكون النتيجة هي نفس السيناريوهات المدمرة المذكورة أعلاه، وإن لم يكن من صنع البشر. وبناءً على هذه الحجة المتعلقة بالحدود القصوى، فإن مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) سيُغير مع ذلك فرصة بقاء الأرض بمقدار ضئيل للغاية.

 المراجع 

 اقرا أيضا 
 مصادم الهدرونات الكبير
 مختبر لورانس ليفرمور الوطني
 فيرميلاب
 معمل لحزم النظائر النادرة
 لولب مركب للميونات
 سيكلوترون
 معجل خطي
 مسرع دوراني تزامني
 مطياف زمن الطيران
 معمل بي

تصنيف:اختراعات أمريكية
تصنيف:تجارب الجسيمات
تصنيف:مادة كواركية
تصنيف:مختبر بروكهافن الوطني
تصنيف:مختبرات في الولايات المتحدة
تصنيف:مسرعات الجسيمات
تصنيف:مغناطيسية