منبع جدید پوزیترون می تواند به برخورد دهنده های لپتون کمک کند - دنیای فیزیک

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و آزمایش‌های آزمایشگاهی انجام‌شده در سوئیس، طراحی نوع جدیدی از منبع پوزیترون را ارتقا داده‌اند که می‌تواند در برخورددهنده‌های لپتون نسل بعدی مانند نمونه پیشنهادی استفاده شود. برخورد دهنده دایره ای آینده (FCC) در سرن. توسعه یافته توسط نیکلاس والیس و همکارانش در موسسه پل شرر (PSI)، این طرح از آهنرباهای ابررسانا با دمای بالا برای جمع‌آوری پوزیترون‌ها و تمرکز آن‌ها در یک پرتو محکم استفاده می‌کند. این تیم می گوید که منبع آن می تواند تا سال 2026 به طور کامل عملیاتی شود.

منابع پوزیترون برای شتاب‌دهنده‌ها بر اثری به نام تولید جفتی تکیه می‌کنند که به موجب آن یک فوتون پرانرژی با هسته‌های اتمی برهمکنش می‌کند و یک پوزیترون و یک الکترون ایجاد می‌کند. این معمولاً با شلیک یک پرتو الکترونی پرانرژی به یک هدف جامد متراکم انجام می شود. الکترون‌هایی که توسط اتم‌های هدف منحرف می‌شوند، فوتون‌ها را تابش می‌کنند، که سپس با دیگر اتم‌های هدف تعامل می‌کنند تا جفت‌های الکترون/پوزیترون ایجاد کنند.

اگرچه این رویکرد پوزیترون های زیادی ایجاد می کند، اما آنها در جهات مختلف پرواز می کنند. اگر هدف پوزیترون ها برای استفاده در شتاب دهنده ذرات باشد، باید جمع آوری شده و در یک پرتو متمرکز شوند. این فرآیند بسیار ناکارآمد است و بیشتر پوزیترون ها از بین می روند.

چالش های مغناطیسی و مکانیکی

امروزه جمع آوری و فوکوس با استفاده از آهنرباهای الکترومغناطیسی به نام سولنوئید انجام می شود. والیس توضیح می‌دهد: «با این حال، قدرت آهن‌رباهای معمولی، حتی در محدوده چند تسلا، تنها به بخش کوچکی از پوزیترون‌های تولید شده اجازه می‌دهد تا جذب شوند. علاوه بر این، اجرای مکانیکی آنها با هدف در تضاد است و آن را از مکان بهینه خود در داخل میدان مغناطیسی دور نگه می دارد.

ساخت منابع بهتر پوزیترون هدف فیزیکدانان و مهندسانی است که بر روی طراحی برخورد دهنده های لپتون در آینده کار می کنند. اینها شامل برخورد دهنده خطی بین المللی و نسخه ای از FCC به نام FCC-ee است که پوزیترون ها را با الکترون ها برخورد می کند. تولید پوزیترون PSI یا آزمایش مکعب P یکی از این تلاش‌های طراحی است.

والیس توضیح می‌دهد: «یکی از چالش‌هایی که ما با آن روبرو هستیم، تولید، گرفتن و انتقال پوزیترون‌ها در مقادیر کافی برای رسیدن به درخشندگی مطلوب است. P-cubed به این مشکل می‌پردازد و یک منبع و سیستم جذب پوزیترون جدید با پتانسیل افزایش بازده پوزیترون فعلی را با یک مرتبه بزرگ پیشنهاد می‌کند.

آخرین پیشرفت ها

رویکرد این تیم بر اساس آخرین پیشرفت‌ها در سولنوئیدهای ساخته شده از ابررساناهای با دمای بالا (HTS) است. اینها می توانند میدان های مغناطیسی بسیار بالاتری نسبت به سلونوئیدهایی که از هادی های معمولی استفاده می کنند ایجاد کنند.

در جدیدترین تحقیقات خود، والیس و همکارانش توضیح می دهند که چگونه نمونه اولیه منبع پوزیترون آنها در لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس SwissFEL PSI پیاده سازی می شود. پالس های SwissFEL دسته هایی از الکترون ها را به سمت یک هدف جامد که توسط شیر برقی جدید HTS احاطه شده است، شتاب می بخشد. سپس میدان مغناطیسی الکترومغناطیسی، پوزیترون ها را به دو شتاب دهنده حفره RF متوالی متمرکز می کند تا یک پرتو پوزیترون ایجاد کند.

علاوه بر میدان مغناطیسی قوی سلونوئید، والیس می گوید: «طراحی مکانیکی آن امکان غوطه ور شدن کامل هدف در میدان مغناطیسی را فراهم می کند و شرایط بهینه را برای گرفتن پوزیترون فراهم می کند».

بهبودهای بیشتر

با این تنظیمات، محققان همچنین می‌توانند بررسی کنند که چگونه سایر اجزا می‌توانند به بهبود بازده پوزیترون کمک کنند. اینها شامل حفره های شتاب دهنده با دیافراگم بزرگ و ترتیبات جدید ابزارهای تشخیص است. آزمایش مکعب P در حال حاضر در SwissFEL در حال نصب است و باید در اوایل سال 2026 شروع به کار کند.

لیزر پرتو پوزیترون با انرژی بالا ایجاد می کند

والیس می‌گوید: «اگر یافته‌های تجربی انتظارات ما را برآورده کنند، P-cubed یک منبع پوزیترون و سیستم جذب جدید را نشان می‌دهد که کارایی پیشینیان خود را با یک مرتبه بزرگی بهتر نشان می‌دهد. علاوه بر این، کارشناسان آهنربا در PSI با موفقیت یک نمونه اولیه از شیر برقی HTS را اجرا کردند که مسلماً مهم‌ترین مؤلفه آزمایش است و اوج میدان مغناطیسی حدود 18 T را اندازه‌گیری کردند. در مقایسه، قوی ترین میدان مغناطیسی پیوسته ای که تاکنون در آزمایشگاه ایجاد شده است، کمی بیش از 45 T است.

او می‌گوید: «P-cubed یکی از معدود منابع پوزیترون مناسب برای شتاب‌دهنده‌های ذرات در سراسر جهان و یک مرکز منحصربه‌فرد در اروپا خواهد بود، بنابراین ما می‌خواهیم پتانسیل کامل و ظرفیت نوآورانه آن را توسعه دهیم.» به عنوان مثال، ما طیف وسیعی از ایده‌های جدید مانند استفاده از اهداف کریستالی و مخروطی را برای تولید بیشتر پوزیترون آزمایش خواهیم کرد.

تحقیق در شرح داده شده است بررسی فیزیکی شتاب دهنده ها و پرتوها.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/new-positron-source-could-give-lepton-colliders-a-boost/