بدأت عمليات استكشاف الذرات باستخدام جسيمات ألفا وجسيمات بيتا المنبعثة من الأجسام المشعة، لكن هذه الجسيمات المنفردة لها طاقات صغيرة وقدرة محدودة على الولوج داخل البيئة النووية. وقد غيّرت حِزَم الجسيمات العالية الطاقة كل هذا.

كانت الفكرة الأصلية تقضي بتعجيل الجسيمات إلى طاقة عالية من خلال سلسلة من الدفعات الصغيرة من الجهد الكهربي المتسارع المنخفض نسبيا. تتحرك الجسيمات خلال سلسلة من الأسطوانات المعدنية المنفصلة في أنبوب مفرّغ، داخل هذه الأسطوانات لا يوجد مجال كهربي، وفيها تبحر الجسيمات بحرية، لكن عبر الفراغات التي تفصل بين الأسطوانات تنشأ مجالات كهربية عن طريق جهد كهربي متناوب، والذي يتناوب بين القيم السالبة والموجبة. يتناسب تردُّد الجهد المتناوب مع طول الأسطوانات، بحيث تستشعر الجسيمات على الدوام دفعة، وليس كبحًا، بينما تخرج إلى الفراغ بين الأسطوانات؛ وبهذه الطريقة تُعجَّل الجسيمات في كل مرة تعبر فيها من أسطوانة إلى أخرى. هذه هي آلية العمل الأساسية للمعجلات الخطية الحديثة. في المعتاد، تتسم هذه المعجلات الخطية بأنها آلات منخفضة الطاقة تمتد لمسافات قصيرة، لكن أحيانًا تكون عالية الطاقة وتمتد لمسافات طويلة على غرار معجل ستانفورد الخطي في كاليفورنيا، وعادة ما يشيع استخدامها في المراحل التمهيدية لعملية التعجيل في المعجلات الحلقية الكبيرة القائمة اليوم.

بدأت فكرة استخدام المعجلات الحلقية على يد إرنست لورانس، الذي استخدم مجالا مغناطيسيا لإحناء مسار الجسيمات بحيث تدور في مدار دائري. وضع تجويفان معدنيان نصف دائريين قبالة بعضهما على شكل حرفي D متقابلين بحيث كونا دائرة يوجد في منتصفها فجوة صغيرة. بلغ قطر البناء كله نحو 20 سنتيمترًا، ووضعه لورانس بين القطبين الشمالي والجنوبي المغناطيسيين المغناطيس كهربي، وذلك كي يجعل الجسيمات تدور حول الجزء المنحني، بينما يعمل مجال كهربي موضوع في الفجوة على تعجيلها. بعد تعجيل الجسيمات في الفجوة بواسطة المجال الكهربي اندفعت الجسيمات عبر الجزء المنحني إلى أن قابلت الفجوة مجددًا بعد نصف دورة. بواسطة هذه الأداة تستطيع الجسيمات أن تعبر الفجوة المعجلة نفسها مرات عديدة، بدلا من المرور بسلسلة من الفجوات كما في المعجل الخطي. تندفع الجسيمات على نحو حلزوني إلى الخارج مع تزايد سرعتها، لكن الفترات الزمنية الفاصلة بين مرات عبورها الفجوة تظل ثابتة. لتعجيل الجسيمات على نحو متواصل، يجب أن يُفتح المجال الكهربي الموجود في الفجوة ويُغلق بنفس التردد الذي تُكمل وفقه الجسيمات دورتها. وهكذا تندفع الجسيمات المندفعة خارجة من مصدر في منتصف الجهاز الدوار على نحو حلزوني إلى الحافة، وتظهر حاملة طاقة أعظم بكثير.

عُرِف هذا الجهاز باسم المُعَجِّل الدوراني (السيكلوترون)، وكان قائما على مبدأ أن الجسيمات دائمًا ما تأخذ الوقت عينه لإكمال دورة واحدة. لكن من الناحية العملية، ليس هذا صحيحًا إلا على نحو تقريبي؛ فمع زيادة طاقة الجسيمات، تلعب تأثيرات النسبية الخاصة دورًا أكثر أهميةً بكثير، وعلى وجه التحديد، تكون هناك مقاومة متزايدة لعملية التعجيل، حيث تكون هناك حاجة لمزيد من القوة للحفاظ على نفس معدل التعجيل كلما اقتربنا من سرعة الضوء. وهكذا تأخذ الجسيمات المعجلة وقتًا أطول لإكمال دورتها، وفي النهاية تصل متأخرة للغاية إلى الفجوة بحيث تفوت عليها فرصة التقاط الجهد الكهربي المتناوب خلال الجزء الخاص بالتعجيل من دورتها. كان الحل هو ضبط تردُّد الجهد بحيث يظل متوافقًا مع الجسيمات بينما تأخذ وقتا أطول في دورانها، لكن هناك مشكلة فالآلة التي تعمل على تردد متفاوت لن يعود بمقدورها تعجيل تيار متواصل من الجسيمات، مثلما فعل السيكلوترون، وتغيير التردد كي يتزامن مع الجسيمات العالية الطاقة سيعني أن أي جسيمات لا تزال طاقتها منخفضة لن تجاري نظيرتها عالية الطاقة. بدلا من ذلك، يأخذ «سيكلوترون متزامن» الجسيمات من المصدر دفعة واحدة في كل مرة، ثم يعجلها وصولا إلى حافة المغناطيس. تمكن السيكلوترون المتزامن من تعجيل البروتونات إلى طاقات كافية بحيث أنتجت التصادمات مع الأنوية البايونات؛ أخف الجسيمات التي تتكون، كما نعرف الآن، من كوارك وحيد وكوارك مضاد ذلك كان قطر الآلة نحو خمسة أمتار، وكان الوصول ومع إلى طاقات أعلى، كتلك المطلوبة لإنتاج الجسيمات الغريبة الأثقل، أمرًا غير عملي.

كان الحل هو زيادة شدة المجال المغناطيسي على نحو متواصل بينما تكتسب الجسيمات الدوارة الطاقة، وبهذا نحافظ عليها في المدار نفسه بدلا من تركها تندفع إلى الخارج. علاوة على ذلك من الممكن الاستعاضة عن المغناطيس الواحد العملاق المستخدم في السيكلوترون بحلقة أشبه بالكعكة من المغناطيسات الأصغر، وهذا هو الشكل المألوف لحلقات المعجلات الحديثة. تتحرك الجسيمات عبر أنبوب دائري مفرغ محاط بالمغناطيسات، وتُعجَّل الجسيمات خلال كل دورة بواسطة جهد متناوب ذي تردد متنوع، والذي يوجه في موضع أو أكثر على امتداد، الحلقة، وتبقى الجسيمات على مسارها الدائري عبر الأنبوب بواسطة الشدة المتزايدة على نحو ثابت للمجال المغناطيسي. هذه الآلة تُسمَّى المعجل الدوراني التزامني (السينكروترون)، وهي لا تزال أساس معجلات الجسيمات الكبرى. وقد شيدت أولى السينكروترونات الكبيرة في مختبر بروكهافن في الولايات المتحدة وسيرن بجنيف، بطاقات تصل إلى 30 جيجا إلكترون فولت في عام 1960.

في ستينيات القرن العشرين ظهرت فكرة الكواركات، ومعها جاء التحدي المتمثل في الوصول إلى طاقات تزيد عن المائة جيجا إلكترون فولت أملا في الإطاحة بالكواركات خارج البروتونات. أدت التحسينات التكنولوجية إلى تصنيع مغناطيسات أقوى، وعن طريق وضع المغناطيسات في حلقة قطرها يزيد على الكيلومتر، تمكن مختبر فیرمیلاب قرب شيكاجو بالولايات المتحدة ومختبر سيرن في جنيف بحلول منتصف السبعينيات من الوصول بالبروتونات إلى طاقة مقدارها 500 جيجا إلكترون فولت. وبحلول عام 1982 تمكن مختبر فيرميلاب من الوصول إلى طاقة مقدارها 1000 جيجا إلكترون فولت، أو (1 تيرا إلكترون فولت)، وصار يُعرف باسم «تيفاترون».

واليوم، تمكننا المغناطيسات ذات التوصيل الفائق من عمل مجالات مغناطيسية أقوى من ذلك. وفي مختبر فيرميلاب، إلى جانب تيفاترون، هناك حلقة أصغر تُعرَف باسم «المحقن الرئيس»، وأحد المهام الأساسية للمحقن الرئيس هي توجيه البروتونات على طاقة مقدارها 120 جيجا إلكترون فولت نحو أهداف من أجل إنتاج حزَم ثانوية من الجسيمات بغرض إجراء التجارب عليها. تضرب البروتونات المستخلصة أهدافًا خاصة من الكربون أو البيريليوم لإنتاج تيارات من البايونات والكاوونات. يُسمح للبايونات بالتحلل من أجل إنتاج حزمة من النيوترينوات، بينما يمكن فصل الكاوونات لعمل حزمة من الكاوونات بغرض إجراء التجارب عليها الجسيمات المختلفة ذات الخواص المختلفة تستكشف سمات مختلفة للأهداف وتساعد على بناء صورة أكثر ثراءً عن تكوينها.

شكل 5-1: كان قطر معجل لورانس الدوراني الأصلي 13سنتيمترا فقط، وكان المجال المغناطيسي الذي يوجه الجسيمات إلى مسارها الدائري يوفّره مغناطيسان كهربيان، واللذان كانا يولدان مجالاً عموديا من الشمال إلى الجنوب عبر مسار الجسيمات، المحتواة داخل سطح أفقي. يتم تعجيل الجسيمات بواسطة مجال كهربي، وهو ما يُوفَّر عبر فجوة موجودة بين الغرفتين المعدنيتين المفرغتين على شكل حرف D يوفر مصدر إشعاعي موضوع في المنتصف الجسيمات، وتلتف الجسيمات حول المجال المغناطيسي للسيكلوترون، لكن بينما تزداد طاقتها، يقل معدل انحنائها؛ ومن ثُمَّ تدور على نحو حلزوني إلى الخارج، إلى أن تخرج من الآلة. ¹

شكل 5-2: معجل «كوزموترون» في مختبر بروكها فن الوطني كان أول معجل دوراني تزامني (سينكروترون) للبروتونات يتم تشغيله في عام 1952 وكان يعجل البروتونات إلى طاقات قدرها 3 جيجا إلكترون فولت كانت الحلقة المغناطيسية مقسمة إلى أربعة أقسام أقربها واضحة تمام الوضوح في الصورة)، وكل منها يتألف من 72 كتلة من الصلب، أبعادها تبلغ 2.5 متر × 2.5 متر، وبفتحة أبعادها 15 سنتيمترًا × 35 سنتيمترا، كي تمر الجسيمات من خلالها. وقد توقف عن العمل في عام ²1966.

أيضًا يوجه المحقن الرئيس بروتونات ذات طاقة قدرها 120 جيجا إلكترون فولت صوب هدف خاص من النيكل على طاقات تكفي لإنتاج المزيد من البروتونات والبروتونات المضادة بمعدل قدره 200 مليار بروتون مضاد في الساعة. للبروتونات المضادة - نسخة المادة المضادة من البروتونات - شحنة كهربية سالبة لا موجبة، وهذا يعني أن بمقدورها الدوران حول حلقة التيفاترون من مغناطيسات التوصيل الفائق بنفس زمن وسرعة دوران البروتونات، لكن في الاتجاه المعاكس. وما إن تصل الجسيمات إلى طاقة 1000 جيجا إلكترون فولت - 1 تيرا إلكترون فولت - يُسمح للحزمتين بالاصطدام على نحو مباشر، ويكون التيفاترون قد حقق هدفه النهائي: مصادمة البروتونات والبروتونات المضادة على طاقات تعيد إنتاج الظروف التي كان عليها الكون، بينما كان يبلغ من العمر جزءا على التريليون من الثانية.

وفي سيرن، ترشد حلقة طولها 27 كيلومترًا من هذه المغناطيسات البروتونات على طاقات مقدارها 7 تيرا إلكترون فولت في «مصادم الهادرونات الكبير». تستطيع المغناطيسات الخاصة توجيه حزمتين تدوران على نحو متعارض من البروتونات، أو من الأنوية الذرية، بحيث تتصادمان مباشرةً. وهذه ستكون ذروة تكنولوجيا الحزم المتصادمة، التي صارت استراتيجية أساسية في الفيزياء العالية الطاقة في السنوات الأولى من القرن الحادي والعشرين.

هوامش

(1) Photo: Lawrence Berkeley National Laboratory. Illustration: © Gary Hincks.

 (2) Courtesy of Brookhaven National Laboratory.