دکیهان (Universe) مصنوعي پیدايښت تجربه وځنډیده

(دبڅرکوفزیک لکچرنوټ : دویمه برخه ) لیکوالان : پوهنوال ډاکترنظرمحمد سلطانزی ځدراڼ دکابل پوهنتون دساینس پوهنځی دفزیک دڅانګی استاد پوهیالی محمدرحمت الله تنها (اندړ) دجرمني هیواد، نېټه : ۱۷ /۱۰/٢� � ٨ دهادرونوسترتعجیل کوونکی (Large Hadron Collider = LHC) څرنګه کارکوي ؟ په ۱- شکل کې دهادرونوتعجیل کوونکي ماشین دکارکولوشیماتیکي جوړښت ښوول شوی دی . نوموړی تعجیل کوونکی چې لنډیزیې په LHC سره کیږي ،یودایروي شکل لری ، اوږدوالی یې اوه ویشت کیلومتره 27 km اوقطر يې لږڅه اته متره دی . ۱-شکل : دپروتونودوه بنډلونه Bunches چې یويې دښی خوانه اوبل يې دکیڼ خوانه دlarge Hadron collider دایروي مسیرته ورننوځی یوپه بل باندې مخامخ لګیږي Dumps . د لارې په اوږدوکې پروتونوته د الکترومقناطیسي څپو RF په مرسته انرژي ورکول کیږی . کله چې دپروتونوسرعت دنورسرعت ته ورنږدې کیږي نوپه دې ترځ کې دهغوی سرعت نورنه زیاتیږي بلکه ګټل شوې انرژي یې په کتله اوړي . په LHC تعجیل ورکوونکی کې هادرونوHadrons اویاد اتوم چارج شوو هستوته ، دبیلګې په توګه لکه دسرپ عنصر Pb) ( هستو ته ، لږڅه د نورپه سرعت تعجیل ورکول کیږي . هادرون هغوذروته ویل کیږی چې دزوروروځواکونو strong forces په مرسته یوبل سره کلک ساتل کیږي . دبیلګې په توګه لکه پروتون اونیوترون . په ۱- شکل کې مالومیږي چې د LHC تعجیل کوونکي دایروي برخې ته دښی خوا اوکيڼ خوانه پروتونونه ورننوځي چې په خپل وارسره په اسماني او سور رنګ سره ښوول شوي دي . دپروتونودواړه بنډلونه په ځانګړو، موازي او دهوانه په تشو نلونو کې ډیر ځله راڅرخي . په پایله کې دومره انرژي ترلاسه کوي چې سرعت يې لږڅه د نورسرعتc (300 000 km/s) ته ورنږدې کیږي . ددایرې په څلوروبرخوکې دپروتونودواړه بنډلونه دمقناطیسي ځواکونوپه مرسته خپل سمت ته په داسې توګه تغیرورکوي ترڅو یوپه بل مخام و لګیږي . د LHC په څلوروځایونوکې څلورډوله دیدکتورونه ځای پرځای شوي دي چې لنډیز یې په لاندې ډول شویدی : (ATLAS, CMS, LHCb ; ALICE) . نوموړي دېدیکتورونه دپروتونوپه ټکرکې پیداشوې نوې ذرې هغه مهال اندازه کوي کله چې دپروتونويوبنډل ددایروي تعجیل کونکي ښی خوانه اوبل بنډل يې دکیڼ خوانه راشي اودیوه بل سره مخامخ ټکروکړي . دلږڅه دوولس سوو دوه قطبه زبرهادي مقناطیسونو ( dipole magnets) په مرسته دپروتونودواړو خواوبنډلونه په یوه دایروي مسیرکې ساتل کیږي . بلخوادلږڅه څلوروسووڅلورقطبه زبرهادي مقناطیسونو Quadrupole magnets په مرسته هڅه کیږي چې دپروتونوبنډلونه ددیکتورونوپه منځ برخه کې کوم ځاې کې چې وړانګې تقاطع کوي دشپاړس مایکرومتروپه اندازه 16 µm فوکس شي . یوپروتون نوي مایکروثانیې 90 µs څخه په لږوخت کې یوځل ددایروي مسیرڅخه راتاویږي . یوه مایکروثانیه دیوې ثانیې یوپه ملیونمه برخه تشکیلوي . دمایع هیلیوم په مرسته ټول مقناطيسونه دتودوخې په لږڅه دوه درجې کیلوین 1,9 Kelvin تل ساړه ساتل کیږي ترڅودغه مقناطیسونه خپل زبرهادی خواص دلاسه ورنکړي . کوم وخت چې دپروتونوبنډلونه یوپه بل مخامخ ولګیږي نو په نوموړو دیدکتورونوکې دپیداشووبڅرکو ډول ، دهغوی کتله ،مومینټوم ، انرژي شپیکټروم ،بریښنایزچارج او هستوې سپین ( Nuclear spins) اندازه کیږي . دڅلورودیدکتورونو یانې (ATLAS, CMS, LHCb ; ALICE) دندې په لاندې ډول دي : (ATLAS) : په نوموړي دیدکتورکې دمادې ترټولوکوچنۍ ذرې لکه لیپټونونه Leptons ، کوارکونه Quarks او د هیګزبوزون Higgs-Boson لټول کیږي. دبڅرکوپه ستانډاردموډل کې وړاندوینه کیږي چې دهیګزذره مادې ته دکتلې ورکولولامل ګرزي . (ALICE) : په نوموړي دیدکتورکې دکیهان هغه حالت تمثیل کیږي کوم چې دلوی ټس Big Bang نه یې سمدلاسه شتون درلود.دلوی ټس نه وروسته دیوې ثانیې یوپه ملیونمه برخه کې دحرارت درجه اودمادې دکثافت کچه دومره لوړه وه چې کوارک quark اوګلون gluon بنسټیزاوترټولوکوچنۍ ذرې هم سره بیلې شوي وې. دمادې یو داسې حالت دکوارک -ګلون پلازما Quark-Gluon-Plasma په نامه سره یادیږي . (CMS): دنوموړي دیدکتور دنده په لاندې ډول ده لکه : دهیګز ذروHiggs particle پیداکول ،دزبرتناظرsupersymmetry څیړنه،ددرندوایونونودټکرڅيړنه .دتورې مادې dark matter څیړنه اونور. زبرتناظردبڅرکویوداسې تناظردی چې بوزونونه Bosons اوفرمیونونه Fermions یوپه بل اړول کیږي . (LHCB) : دلوی ټس په ترځ کې ماده اوضد ماده په مساوي اندازه پیداشوې وه . په نوموړی دیدیکتورکې به ددې سپینوی کیږی چې هغه ورکه شوې ضدماده څه شوه ؟ بلخوا د بوزونو B-Mesonڅیړنه هم ترسره کیږي . دهادرونو تعجیل کوونکي پړاوونه : په ۲- شکل کې د LHCماشین دتعجیل کولو ټولې خطی اودایروي برخې ښوول شوی دي، چې په خپل وارسره پروتونونه پرلپسې په ډیرو پړاونوکې ګړندي کوي . دغه ډول سیستم ته ځکه اړتیا لیدل کیږی چې دکوارکونواوګلونونودبیلولو اوهمدارنګه دهیګزذرې دپیداکولولپاره لږترلږه اوه الکترون ولټ (7 Tera Electron volt) انرژي په کارده. دپروتونوتعجیل ورکولولپاره د لوړفریکونسي الکترومقناطیسې څپو څخه ګټه پورته کیږي . نوموړې څپې دکلیسترونKlystron الې په منځ کې تولیدکیږي اوبیا دتعجیل کوونکي منځ ته ورننوځي .الکترومقناطیسي څپې دتعجیل کوونکي په اوږدواو ځانګړوبرخوکې چې دکاویټي resonant cavities په نامه سره یادیږي ډیرځله ښکته اوپورته اهتزازکوي ترڅودریدلې څپې standing wave منځ ته راشي . کاویټي یوسایلندري شکله فلزي نل دی چې په منځ کې تش او الکترومقناطیسي څپې پکې مخ په وړاندې خوځیدلای شي . دکاویتیوتخنیکي بڼه داسې جوړه شوې ده ترڅودکلیسترون سرچینې دالکترومقناطیسي څپوسره په ریزونانس فریکونسي اهتزازوکړي . نوموړې کړنلاره ضرورده داځکه چې په دې توګه یوخواد کاویټیوپه منځ کې دالکترومقناطیسي څپوستره امپليتود منځ ته راځي اوبلخوادریزونانس فریکونسي په مرسته پروتونونوته ډیره انرژي ليږدول کیدای شي . پایله یې داده چې هرکله پروتونونه دتعجیل کوونکي په منځ کې د هرې کاویتی خولې ته ورننوځي نو هلته تل دالکترومقناطیسې څپو مثبت نیمايي ساحه ورباندې اغیزه کوي او انرژي ترلاسه کوي . • په لومړي پړاوکې پروتونونه د یوه خطي تعجیل کوونکي Linear acceleratorپه مرسته تر پینځوس میګاالکترون ولټ 50 MeV یانې دنور سرعت c دیرش په سلوکې (0,3 c) ګړندي کیږي. دپروتونووړانګې دڅلورقطبه مقناطیسونوپه مرسته فوکس کیږي . دالکترومقناطیسي څپوفریکونیسي دوه سوه میګاحرڅ 200 MHz قیمت لري . • په دویم پړاوکې پروتونونه یوه دایروي ډوله تعجیل کونکې ته ورننوځي چې د(Proton Synchrotron Booster) په نامه سره یادیږي . دلته دپروتونوانرژي ترلږڅه یونیم ملیارده الکترون ولټ پورې رسیږي 1,4 GeV . په همدې برخه کې پروتونونه په بنډلونواړول کیږی ترڅويې دوړانګو شدت پورته لاړشي . • په درېیم پړاوکې پروتونونه دیوه دایروي شکله پروتون زینکروترون (PS= Proton synchrotron) په مرسته دنور سرعت څلور په پینځمې برخې(0,87 c) اویا په بله مانا ددرې نیموثانیوپه موده کې پینځه ویشت ګیګاالکترون ولټ 25 GeV انرژي ترلاسه کوي . دپروتونوهر بنډل وروسته د پینځه ویشت نانوثانیې 25 ns ورسته پرلپسې والی لري اودزیګنال اوږدوالی یې 4 ns ته رسیږي . • په څلورم پړاوکې پروتونونه ددایروي شکله Super Proton Synchrotron منځ ته ورننوځي اودالکترومقناطیسي څپوپه مرسته څلورسوه پینـځوس ګیګاالکترون ولټ 450 GeV پورې انرژي ترلاسه کوي . • په اخیرنې پړاوکې دپروتونوپرلپسې بنډلونه دالکترومقناطیسي څپوپه مرسته په اوه ویښت کیلومتره اوږد تعجیل کونکي تونل کې (LHC) ترهغې مودې پورې تاویږي او راتاویږي تر څوسرعت یې لږڅه دنور سرعت c (0,999999 c) ته ورسیږي . نوموړی سرعت دپروتونود تیراالکترون ولټ 7 TeV انرژي سره برابر دی . دپروتونولپاره شل دقیقې په کاردي ترڅودغه انرژي ترلاسه کړي .یوتېرا الکترون ولټ د لس په طاقت ددولسو الکترون ولټ انرژۍ اویا په بله وینا دیوبیلیون انرژۍ سره مساوي دی . دالبرت اینشټاینAlbert Einstein د نسبي کتلې M اوانرژی E اړیکې (E = M c2 ) سره سم هرڅومره چې دیوه جسم سرعت دنورسرعت c ته ورنږدې کیږي نودپورتنۍ معادلې پربنسټ ګټل شوې حرکي انرژي د جسم کتلې په سترولوباندې اوړي . داپه دې مانا چې سرعت یې نورنه زیاتیږي . کله چې په LHC تعجیل کوونکي کې یوپروتون اوه تېراالکترون ولټه 7 TeVحرکي انرژي ترلاسه کړي نوکتله یې دسکون کتلې m په پرتله اوه ذره څلورسوه شپيته (7460 fold) ځله پورته ځي . دیادولووړده چې په یوه بنډل کې یوسلوپینځه لس ملیارده پروتونونه په ډله ایزه توګه حرکت کوي چې دهریوه پروتون انرژي اوه تېراالکترون ولټ قیمت لري . دلوړفریکونسي اهتزازکوونکو ریزوناتور cavity resonator دستګاه په مرسته چې فریکونسي یې څلورسوه میګاحرڅ 400 MHz دی پروتونونه دLHC دایروي برخې ته ورننوځي . دغه څلورسوه میګاهېرڅ ریزوناتورونه په ګډه سره شپاړس میګاولټ 16 MV د بریښنایزپوتنسیال توپيرمنځ ته راولي چې دLHC په دایروي کړۍ کې پروتونونوته تعجیل ورکوي . ددایروي کړۍ په یوه برخه کې یوه لوړفریکونسي سرچینه شتون لري 30 MHz ترڅودزینکروترون Synchrotron radiation الکترومقناطیسي وړانګو له کبله ضایع شوې انرژي بیرته ترلاسه کړي . نوموړې فزیکي پيښه هغه مهال منځ ته راځي کله چې یوه چارج شوې ‌ذره دنورسرعت ته ورنږدې تعجیل ومومي او په یوه دایروي مسیرکې د مقناطیسي قوې په مټ ساتل کیږي . دزینکروترون وړانګې دفوتون وړانګې دي چې دچارج شوې ذرې دکتلې m څلورم طاقت سره معکوسامتناسب دي ) (1/m4 . همدالامل دی چې پروتونونه په یوه پیره کې لږڅه دوه نیم میګاالکترون ولټه 2,6 MeV انرژی دزینکروترون یانې فوتون وړانګې په توګه ضایع کوي . ۲- شکل : په نړۍکې دهادرونو ترټولوستردایروي تعجیل کوونکی (Large Hadron collider) ښوول شوی دی . په پورتني شکل کې پروتونونه پرلپسې په ډیروپړاوونوکې انرژي ترلاسه کوي ترڅوسرعت یې دنورسرعت 99.999999% برخې پورې ورسیږي . دپروتونوترمنځ مخامخ غبرګون (Proton-Proton interaction): په۳ –شکل کې دپروتونود مخامخ ټکرښوول شوی دی چې ددیدکتورونوپه منځ برخه کې صورت نیسي . دپروتونو دواړه مخالف خوا بنډلونه دالکترومقناطیسي ځواکونوپه مرسته داسې اعیارکیږي چی دیدیکتور ته تررسیدو دمخه برخه کې خپل خط السیر ته تغیرورکړي ترڅوددیکتورپه منځ برخه کې یوپه بل مخامخ ولګیږی . دسېپټمبرمیاشتې په لسمه نیټه فزیک پوهان په دې بریالي شول چې د LHC تعجیل کوونکي په دایروي تونل کې دهادرونولومړی وړانګه دالکترومقناطیسوځواکونوپه اعیارولوسره فوکس کړي . داوه ویشت کیلومتره تعجیل کوونکې واټن لپاره دهادرونوفوکس کولو کړنلاره دیوه ساعت په موده کې ترسره شوه . ۳- شکل : د LHC په دیدکتورونوکې دپروتونویوبنډل دښی خوااودپروتونویوبل بنډل دکیڼ خوانه لږڅه دنورپه سرعت حرکت کوي اوپه یوه بل باندې مخامخ لګیږي . دټکرپه پیل کې داوریوه لمبه په یوه کوچنې فوکس شوي ټکي کې چې قطريې شپاړس مایکرومتردی منځ ته راځي . په نوموړي ځای کې دتودوخي کچه دومره پورته ځي چې دتودوخې درجه یې دلمر دمنځ برخې په پرتله سل زر واره ډیره ده . دلمرپه منځ کې دتودوخي درجه پینځه لس ملیونه ګراد سیلسیوس ده . کله چې یوپروتون د LHC یوه پېره ووهي نو لږڅه اوه بلیونه 7 Billion الکترون ولټه انرژي ترلاسه کوي . نوکله چې دوه پروتونونه یوپه بل مخامخ وویشتل شي ، دټکرانرژۍ يې څوارلس بیلیونه 14 Billion الکترون ولټه قیمت لري . کله چې پروتونونه په ډیره لوړه انرژي لکه لږڅه دنورپه سرعت مخامخ یوپه بل ولګیږي نوپه پایله کې دکوارکونوquarks اوګلونونو ترمنځ اړیکې پرې کیږي اونوې بنسټیزذرې منځ ته راځي. کوارک دمادې ترټولوکوچنۍ ‌بنسټیز ذره ده چې پروتون اونیوترون ورڅخه جوړشوي دي . په بله وینا دمادې بنسټیزذره اتوم نه بلکه دکوارک ذره تشکیلوي . دبیلګې په توګه پروتون ددریوکوارکونوڅخه جوړدی چې دوه يې دپورته کوارکونو (2up quarks) اویویې د ښکته کوارک Down-quark په نامه سره یادیږي . نیوترون هم ددریوکوارکونوڅخه جوړدی چې دوه یې دښکته کوارکونو ( 2down quarks) اویویې د پورته کوارک uo-quark په نامه سره یادیږي . ګلونز Gluons یوه بله بنسټیزذره ده چې کوارکونه دهستوي زوروروځواکونوپه مرسته یوبل سره کلک ساتي . ۴-شکل : کله چې پروتونونه په ډیره لوړه انرژي لکه لږڅه دنورپه سرعت مخامخ یوپه بل ولګیږي نوپه پایله کې دکوارکونوquarks اوګلونونو ترمنځ اړیکې پرې کیږي اونوې بنسټیزذرې منځ ته راځي . دبیلګې په توګه ګلون g اوضدګلون g ̃ ذره ، کوارک q او ضدکوارک g ̃ ذره، مثبت میون µ+ اومنفي میون ذره µ- ،الکترون e- اوالکترونیوترینو νe اوداسې نورې نوې ذرې پیداکیږي . دکمپیوتر سیمولیشن له مخې (simulation) داسې اټکل کیږی چې دپیداشووذرو شمیربه په یوه ثانیه کې د شپږسوه ذروڅخه هم واوړی . دهادرونوسترتعجیل کوونکي Large Hadron Collider مهم پارامترونه 27 km دتعجیل دایروي کړۍ اوږدوالی 1,9 K ددوه قطبه مقناطیسونو زبرهادیتوب درجه 4,5 K د څلور قطبه مقناطیسونو زبرهادیتوب درجه 9 Tesla دمقناطیس اعظمي قیمت پروتونونه اودرانده ایونونه دټکرکوونکو ذرو ډول 14 TeV دپروتونونود ټکرانرژي 1150 TeV دایونونود ټکرانرژي 1034 cm-2s-1 لس په طاقت دڅلوردیرش دپروتونوشدت په یوه مربع سانتي متر سطحه اویوه ثانیه کې 40 Millions په یوه ثانیه کې دپروتونودټکراعظمي شمیر (پای ) په درنښت پوهنوال ډاکترنظرمحمد سلطانزی ځدراڼ پوهیالی محمدرحمت الله تنها (اندړ)