معجل ستانفورد الخطي هو أطول معجل خطي في العالم، وهو يعجل الإلكترونات حتى طاقة قدرها 50 جيجا إلكترون فولت في ثلاث كيلومترات وحسب، بينما في مصادم الإلكترونات-البوزيترونات الكبير تصل الإلكترونات إلى طاقة قدرها 100 جيجا إلكترون فولت، لكنها تتطلب حلقة طولها 27 كيلومترًا لتحقيق ذلك. لماذا هذا الاختلاف؟ وما الذي يحدد ما إنْ كنا سنصنع معجلًا خطيًّا أم دائريا؟

تعمل معجلات الإلكترونات الدورانية التزامنية - السينكروترونات - على نحو طيب، إلا أن هناك مشكلة وحيدة أساسية: أن الإلكترونات العالية الطاقة تشع طاقة بينما تتحرك في مسار دائري، هذا الإشعاع - المعروف باسم الإشعاع السينكروتروني - يصير أشد قوة كلما قلَّ نصف قطر المدار، وكلما عظمت طاقة الجسيم. البروتونات أيضًا تشع إشعاعًا سينكروترونيا، لكن لأنها أضخم بنحو ألفي مرة من الإلكترونات، فإنها تستطيع الوصول إلى طاقات أعلى بكثير قبل أن يصير مقدار الطاقة المفقود ذا أهمية. لكن حتى على طاقة مقدارها بضعة جيجا إلكترون فولت تشع الإلكترونات التي تدور في المعجلات الدورانية قدرًا عظيمًا من الطاقة، وهو ما يجب تعويضه من خلال ضخّ المزيد من الطاقة عبر موجات الراديو في الفراغات المعجلة؛ ولهذه الأسباب ظلت معجلات الإلكترونات العالية الطاقة خطية حتى وقت قريب. في الواقع، استخدمت الإلكترونات في المعجلات الدورانية فقط من أجل المزايا الخاصة التي تقدمها، وتحديدًا أن التصادمات المباشرة وجها لوجه تستغل الطاقة على نحو أكثر كفاءةً بكثير عما هو الحال حين يُضرب هدف ساكن. الميزة الثانية الضخمة هي القدرة على الاستكشاف بطرق قد تكون دون ذلك مستحيلة، كما الحال مثلا داخل مصادم الإلكترونات البوزيترونات الكبير، حيث تفنى الإلكترونات لدى التقائها بالبوزيترونات، وتكون الحزم التي تدور على نحو معاكس هي الوسيلة الوحيدة الفعَّالة لتحقيق الشدة العالية المطلوبة.

شكل 5-3: نظرة داخل النفق الدائري لمصادم الإلكترونات - البوزيترونات الكبير في سيرن البالغ طوله 27 كيلومترًا (17 ميلا)، والذي امتد العمل به من عام 1989 إلى عام 2000. تتحرك الإلكترونات والبوزيترونات في اتجاهات متقابلة في أنبوب الحزم عن طريق مئات من المغناطيسات البنية والبيضاء (الثنائية القطب) التي تحني الحزم والمغناطيسات الزرقاء (الرباعية القطب) التي تركزها في البداية كان مصادم الإلكترونات - البوزيترونات الكبير يعجل الحزم وصولا إلى طاقة تصادم إجمالية قدرها نحو 90 جيجا إلكترون فولت، لكن بحلول وقت إغلاقه في أكتوبر عام 2000، بلغ أكثر من 200 جيجا إلكترون فولت. ³

شكل 5-4: المعجل الخطي البالغ طوله ثلاث كيلومترات (ميلين) في مركز معجل ستانفورد الخطي. تبدأ الإلكترونات من معجل مبدئي «دافع»، حيث تنطلق من سلك كهربي مسخن، وهو يظهر في نهاية المعجل أسفل يسار الصورة. بعد ذلك تنطلق الإلكترونات على امتداد موجات الراديو التي تبثها سلسلة من 100 ألف «تجويف حلقي من النحاس، يبلغ قطر الواحد منها نحو 12 سنتيمترًا. المعجل لا يحيد في استقامته على طول مساره الكامل بأكثر من نصف مليمتر، وهو موضوع داخل نفق تحت الأرض بثمانية أمتار. المباني الظاهرة على السطح على امتداد المعجل تحتوي على الكليسترونات التي توفّر موجات الراديو. ³

كان مصادم الإلكترونات - البوزيترونات الكبير معجلًا دورانيا يمتد داخل نفق طوله 27 كيلومترًا. ويقدم هذا المعجل دليلا على المشكلات التي نواجهها عندما تتحرك الإلكترونات والبوزيترونات الخفيفة في دوائر؛ إذ إننا بحاجة لكل هذه المسافة: كي نمكنها من الوصول إلى طاقة قدرها 100 جيجا إلكترون فولت دون إهدار قدر كبير من الطاقة على صورة إشعاع. إن الوصول إلى طاقات قدرها عدة مئات من الجيجا إلكترون فولت في مدارات دائرية يحتاج إلى مسافات تمتد لمئات الكيلومترات، وهو أمر مستحيل؛ ولهذا السبب يُخطَّط لاستخدام مصادمات خطية في المستقبل البعيد.

الفكرة هنا هي أن يكون لدينا معجل خطي للإلكترونات وآخر للبوزيترونات وباستخدام تكنولوجيا التعجيل الحديثة، وطول يُقدَّر بعدة أميال، قد يكون من الممكن إحداث تصادمات على طاقات إجمالية قدرها عدة مئات من الجيجا إلكترون فولت. وفي مثل هذه الطاقات سيكون من الممكن إنتاج الكواركات العلوية والكواركات العلوية المضادة، وفي النهاية بوزون هيجز.

يتطلب الحصول على فرصة طيبة للتصادم داخل معجل خطي - حيث تلتقي الحزمتان مرة واحدة فقط - حزمتين عاليتي الكثافة، يبلغ قطر الواحدة منهما أقل من ميكرون واحد (^6-10 أمتار). في الواقع العملي تخطئ الحزم بعضها أكثر مما تصيب. وبما أن الشحنات المتشابهة داخل كل حزمة تتنافر، فإن صنع مثل هذه الحزم العالية التركيز والتحكم بها لهو تحدٍّ تكنولوجي.

هوامش

(3) © David Parker/Science Photo Library.