مصادم

المصادم هو نوع من مسرعات الجسيمات يجمع شعاعين متقابلين من الجسيمات بحيث تتصادم الجسيمات . ^{[ 1 ]} بالمقارنة مع مسرعات الجسيمات الأخرى التي تصطدم فيها الجسيمات المتحركة بهدف مادي ثابت، يمكن للمصادمات تحقيق طاقات تصادم أعلى. قد تكون المصادمات مسرعات حلقية أو مسرعات خطية .

تُستخدم المصادمات كأداة بحثية في فيزياء الجسيمات ، حيث تُسرّع الجسيمات إلى طاقة حركية عالية جدًا ، ثم تُترك لتصطدم بجسيمات أخرى. ويُقدّم تحليل نواتج هذه التصادمات للعلماء أدلة قوية على بنية العالم دون الذري وقوانين الطبيعة التي تحكمه. وقد لا تتضح هذه الأدلة إلا عند الطاقات العالية ولفترات زمنية قصيرة للغاية، ولذلك قد يصعب أو يستحيل دراستها بطرق أخرى.

في فيزياء الجسيمات، تُكتسب المعرفة حول الجسيمات الأولية من خلال تسريع الجسيمات إلى طاقة حركية عالية جدًا وتوجيهها للاصطدام بجسيمات أخرى. عند بلوغ طاقة عالية كافية، يحدث تفاعل يحوّل الجسيمات إلى جسيمات أخرى. ويُتيح رصد هذه النواتج فهمًا أعمق للفيزياء الكامنة وراء هذه الظاهرة.

لإجراء مثل هذه التجارب، هناك إعدادان محتملان:

• إعداد الهدف الثابت: يتم تسريع حزمة من الجسيمات ( القذائف ) بواسطة مسرع الجسيمات ، وكشريك تصادم، يتم وضع هدف ثابت في مسار الحزمة.
• المصادم: يتم تسريع شعاعين من الجسيمات وتوجيه الشعاعين ضد بعضهما البعض، بحيث تتصادم الجسيمات أثناء طيرانها في اتجاهين متعاكسين.

إن إعداد المصادم أصعب في البناء ولكنه يتمتع بميزة كبيرة تتمثل في أنه وفقًا للنسبية الخاصة، فإن طاقة التصادم غير المرن بين جسيمين يقتربان من بعضهما البعض بسرعة معينة لا تكون أعلى بأربع مرات فقط من حالة جسيم واحد ساكن (كما هو الحال في الفيزياء غير النسبية)؛ بل يمكن أن تكون أعلى بعدة مراتب إذا كانت سرعة التصادم قريبة من سرعة الضوء.

في حالة المصادم حيث تكون نقطة التصادم ساكنة في الإطار المختبري (أي${\displaystyle {\vec {p}}_{1}=-{\vec {p}}_{2}}$) مركز طاقة الكتلة${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }}$(الطاقة المتاحة لإنتاج جسيمات جديدة في التصادم) هي ببساطة${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }=E_{1}+E_{2}}$، أين${\displaystyle E_{1}}$و${\displaystyle E_{2}}$تمثل الطاقة الكلية للجسيم المنبعث من كل شعاع. بالنسبة لتجربة هدف ثابت حيث يكون الجسيم 2 في حالة سكون،${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }^{2}=m_{1}^{2}+m_{2}^{2}+2m_{2}E_{1}}$[ ^{2 ]​}

كان أول اقتراح جاد لمصادم جسيمات من قِبل مجموعة في رابطة أبحاث جامعات الغرب الأوسط (MURA). اقترحت هذه المجموعة بناء حلقتين من مسرعات FFAG ذات قطاع شعاعي متماس . ^{[ 3 ]} قام تيهيرو أوكاوا ، أحد مؤلفي الورقة البحثية الأولى، بتطوير تصميم لمسرع FFAG ذي قطاع شعاعي قادر على تسريع حزمتين من الجسيمات تدوران في اتجاهين متعاكسين داخل حلقة مغناطيسية واحدة. ^{[ 4 ] [ 5 ]} كان النموذج الأولي الثالث لمسرع FFAG الذي بنته مجموعة MURA عبارة عن  آلة إلكترونية بقوة 50 ميغا إلكترون فولت، بُنيت عام 1961 لإثبات جدوى هذا المفهوم.

اقترح جيرارد ك. أونيل استخدام مُسرِّع واحد لحقن الجسيمات في حلقتين تخزين مماسّيتين . وكما في اقتراح مشروع مورا الأصلي، ستحدث التصادمات في القسم المماسي. وتكمن فائدة حلقات التخزين في قدرتها على تجميع تدفق شعاعي عالٍ من مُسرِّع الحقن الذي يحقق تدفقًا أقل بكثير. ^{[ 6 ]}

بُنيت أولى مصادمات الإلكترون - بوزيترون في أواخر الخمسينيات وأوائل الستينيات من القرن العشرين في إيطاليا، في المعهد الوطني للفيزياء النووية في فراسكاتي بالقرب من روما، على يد الفيزيائي النمساوي الإيطالي برونو توشيك ، وفي الولايات المتحدة، على يد فريق ستانفورد-برينستون الذي ضم ويليام سي. باربر، وبرنارد جيتلمان، وجيري أونيل، وبورتون ريختر . وفي نفس الفترة تقريبًا، طُوّر وبُني مصادم الإلكترون-إلكترون VEP-1 بشكل مستقل تحت إشراف جيرش بودكر في معهد الفيزياء النووية في نوفوسيبيرسك ، الاتحاد السوفيتي . وقد أبلغت الفرق الثلاثة عن أولى الملاحظات لتفاعلات الجسيمات في الحزم المتصادمة بشكل متزامن تقريبًا في منتصف عام 1964 وأوائل عام 1965. ^{[ 7 ]}

في عام 1966، بدأ العمل على حلقات التخزين المتقاطعة في سيرن ، وفي عام 1971، أصبح هذا المصادم جاهزًا للتشغيل. ^{[ 8 ]} كانت حلقات التخزين المتقاطعة عبارة عن زوج من حلقات التخزين التي تجمع وتصادم البروتونات المحقونة بواسطة مسرع البروتونات في سيرن . وكان هذا أول مصادم للهادرونات ، حيث أن جميع الجهود السابقة كانت تعمل مع الإلكترونات أو مع الإلكترونات والبوزيترونات .

في عام 1968، بدأ بناء مجمع مسرعات البروتونات ذي الطاقة الأعلى في مختبر فيرميلاب . وتم تطويره لاحقًا ليصبح مصادم تيفاترون ، وفي أكتوبر 1985، سُجلت أولى تصادمات البروتون - مضاد البروتون عند طاقة مركز الكتلة 1.6 تيرا إلكترون فولت، مما جعله المصادم الأعلى طاقة في العالم آنذاك. ووصلت الطاقة لاحقًا إلى 1.96 تيرا إلكترون فولت، وفي نهاية تشغيله عام 2011، تجاوزت إضاءة المصادم 430 ضعف هدفه التصميمي الأصلي. ^{[ 9 ]}

منذ عام 2009، يُعدّ مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في مركز سيرن أقوى مصادم جسيمات في العالم . ويعمل حاليًا بطاقة مركز كتلة تبلغ 13 تيرا إلكترون فولت في تصادمات البروتون-بروتون. ويجري حاليًا دراسة أكثر من اثني عشر مشروعًا لمصادمات جسيمات مستقبلية من أنواع مختلفة - دائرية وخطية، تصادم الهادرونات (بروتون-بروتون أو أيون-أيون)، أو الليبتونات (إلكترون-بوزيترون أو ميون-ميون)، أو الإلكترونات والأيونات/البروتونات - وذلك لاستكشاف فيزياء هيغز/الكهرومغناطيسية الضعيفة بالتفصيل، واكتشافات على مستوى طاقة ما بعد مصادم الهادرونات الكبير. ^{[ 10 ]}

المصادر: تم الحصول على المعلومات من موقع Particle Data Group الإلكتروني . ^{[ 11 ]}

• مصادم الهادرونات الكبير (LHC) على الإنترنت
• مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC)