دستیابی به دماهای سردتر از فضا به کمک لیزر پرتو ایکس ابررسانا!

* یک تونل به درازای نیم-مایل زیر منلو پارک، کالیفرنیا به تازگی دمایش از بیشترِ کیهان سردتر شده!

یک شتابدهنده‌ی ذرات روی زمین که الکترون‌ها را به هم می‌کوباند، به دماهایی سردتر از دماهای فضای بیرون دست یافته.

شتابدهنده‌ی ال‌سی‌ال‌اس-۲ که دماهای ۲ درجه بالاتر از صفر مطلق در آن به دست آمده

دانشمندان با بهره از "لیزر الکترون آزاد" پرتو ایکس در آزمایشگاه شتابدهنده‌ی ملی اسلک (SLAC) در وزارت انرژی آمریکا که بخشی از یک پروژه‌ی بروزرسانی برای چشمه‌ی نور همدوس لیناک (ال‌سی‌ال‌اس، LCLS) به نام ال‌سی‌ال‌اس ۲ است، دمای هلیوم مایع را به منفی ۲۷۰ درجه‌ی سانتیگراد، یا ۲ کلوین رسانده‌اند. این تنها ۲ کلوین بالاتر از صفر مطلق است، سردترین دمای ممکن که در آن، همه‌ی ذرات از جنبش بازمی‌ایستند. این محیط یخبندان برای شتابدهنده کلیدی است زیرا در چنین دماهای پایینی، ماشین ابررسانا می‌شود، یعنی می‌تواند الکترون‌ها را با دسترفت انرژیِ تقریبا صفر پیش براند.

حتی بخش‌های تهی فضا هم به این سردی نیستند زیرا هنوز پر از  پرتوی زمینه‌ی ریزموج کیهانی هستند، پرتویی یادگار از اندک‌زمانی پس از  مهبانگ که دمای یکنواختِ حدود ۳ کلوین دارد.

اندرو باریل، مدیر اداره‌ی شتابدهنده‌ی اسلاک می‌گوید: «نسل بعدی شتابدهنده‌ی ابررسانای لیزر الکترون آزاد ای‌سی‌ال‌اس-۲ به دمای کاربریِ ۲ درجه بالاتر از صفر مطلق خود رسیده.»

وی افزود که ال‌سی‌ال‌اس-۲ اکنون برای آغاز شتاب دادن به الکترون‌ها با ۱ میلیون تپ (پالس) در ثانیه، که یک رکورد جهانی‌ است آماده شده.

وی می‌گوید: «این چهار مرتبه بیشتر از نمونه‌ی پیشینِ خود، ال‌سی‌ال‌اس است، یعنی تنها در چند ساعت، پرتوهای ایکسی بیشتر از آنچه ال‌سی‌ال‌اس در ۱۰ سال گذشته فرستاده را برای کاربران [که خواهانِ کاربری آنها در آزمایش‌ها هستند] می‌فرستیم.»

این یکی از واپسین شاهکارهایی‌ست که ال‌ی‌ال‌اس-۲ باید پیش از آن که بتواند تپ‌های پرتو ایکسی تولید کند که به طور میانگین ۱۰ هزار بار درخشان‌تر از آنچه نمونه‌ی پیشینش پدید آورده بود هستند به آن دست یابد. این باید به پژوهشگران کمک کند تا مواد پیچیده را با جزییات بی‌سابقه بررسی کنند. تپ‌های لیزر با شدت و بسامد بالا به پژوهشگران این توانایی را می‌دهد تا چگونگیِ برهمکنش الکترون‌ها و اتم‌های مواد را با روشنی (وضوح) بی‌سابقه‌ای ببینند. به گفته‌ی باریل: این چند کاربرد خواهد داشت، از کمک به آشکارسازیِ این که «سامانه‌های مولکولی طبیعی و دست‌ساز چگونه نور خورشید را به سوخت تبدیل می‌کنند و بنابراین چگونگی  مهارِ (کنترلِ) این فرآیندها گرفته تا شناخت ویژگی‌های بنیادی موادی که رایانش کوانتومی را امکان‌پذیر می‌کنند.»

پرتوهای ریزموج به درون کاواک‌های سردشده رانده شده و الکترون‌ها را تا سرعتی نزدیک به سرعت نور شتاب می‌دهند- این یک تصویر پویا (گیف) به بزرگی ۲.۳۵ مگ است. برای کامل شدنش شکیبایی کنید

آفریدنِ محیط‌های یخبندان درون شتابدهنده نیاز به کارهایی داشت. برای نمونه، دانشمندان برای جلوگیری از جوشیدن هلیوم نیاز به فشارهای بی‌اندازه پایین داشتند.

اریک فوو، مدیر بخش زمزایی (سرمازایی) در اسلک می‌گوید در سطح دریا، آب در مای ۱۰۰ درجه‌ی سانتیگراد می‌جوشد، ولی این دمای جوش با فشار تغییر می‌کند. برای نمونه در زودپز (cooker) فشار بیشتر است و آب در ۱۲۱ درجه به جوش می‌آید. این در فرازا (ارتفاع) برعکس است، چون فشار آنجا پایین‌تر است و آب در دمای پایین‌تری می‌جوشد.

فوو می‌گوید: « این برای هلیوم هم تا اندازه‌ی بسیاری یکسان است. هلیوم در فشار جوی در دمای ۴.۲ کلوین به جوش می‌آید. ولی فشار که کم شود، این دما هم پایین می‌آید. برای پایین آوردن دما تا ۲ درجه‌ی کلوین، باید فشاری هم‌ارز تنها ۱/۳۰ فشار جوی داشته باشیم.»

دانشمندان برای دستیابی به این فشارهای کم از پنج همفشارگر یا کمپرسورِ گریز از مرکزِ سرمازا که هلیوم را می‌فشارد تا سرد شود بهره گرفتند و سپس گذاشتند تا در یک اتاقک گسترده (منبسط) شود و فشارش کاهش یابد و تبدیل به یکی از کم‌شمار جاهایی روی زمین شود که می‌توان در آن، هلیوم با ۲ درجه‌ی کلوین را در اندازه‌ی بزرگ پدید آورد.

فوو توضیح می‌دهد که هر کمپرسور سرد یک دستگاه گریز از مرکز مجهز به چرخانه/پروانه، همانندِ چرخانه/پروانه‌ی یک موتور توربو-کمپرسور است.

وی می‌گوید: «چرخانه در هنگام چرخش، مولکول‌های هلیوم را شتاب می‌دهد و یک خلا در مرکز چرخ پدید می‌آورد که مولکول‌ها در آن مکیده می‌شوند و فشاری در پیرامون چرخ پدید می‌آید که مولکول‌ها از آن به بیرون پرتاب می‌شوند.»

این پویانمایی شتابدهنده‌ی سرماپای لیناک را نشان می‌دهد که گاز هلیوم را تا رسیدن به حالت مایعش سرد می‌کند- این یک تصویر پویا (گیف) است. برای کامل شدنش شکیبایی کنید

فشرده‌سازی هلیوم را وادار می‌کند که به حالت مایعش برگردد، ولی هلیوم به درون این خلا می‌گریزد و به سرعت در آن گسترده (منبسط) می‌شود و در این روند سرد می‌شود.

هلیومِ اَبَر-سرد شده در ال‌سی‌ال‌اس-۲ افزون بر کاربردهای پایانی، خودش یک شگفتی و کنجکاوی علمی است [در نوشتارِ لایوساینس، اینجا به جای هلیوم "هیدروژن" نوشته که احتمالا یک اشتباه است-م].

فوو می‌افزاید: «هلیوم در ۲ درجه‌ی کلوین یک ابَرشاره به نام هلیوم-۲ (Helium-II) می‌شود که ویژگی‌هایی فراباور دارد.» برای نمونه، گرما را صدها برابر کارآمدتر از مس جابجا می‌کند (هدایت می‌کند) و گران‌روی‌اش (پایداری‌اش در برابرِ روان شدن) به اندازه‌ای پایین است که نمی‌توان آن را اندازه گرفت.

۲ درجه‌ی کلوین برای ال‌ی‌ال اس-۲ به اندازه‌ی دماهای چشمداشتی پایین است.

باریل می‌گوید: «به دماهای پایین‌تر می‌توان با سامانه‌های خنک‌کننده‌ی بسیار ویژه‌سازی شده‌ای که می‌توانند به کسری از یک درجه بالاتر از صفر مطلق برسند، جایی که همه‌ی جنبش‌ها متوقف می‌شوند، دست یافت.»

ولی به گفته‌ی باریل، این لیزرِ ویژه توانایی رسیدن به این زیاده‌روی‌ها را ندارد.

-------------------------------------------------

تلگرام، توییتر و فیسبوک یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky
facebook.com/1star7sky

واژه‌نامه:
Menlo Park - California - particle accelerator - electron - Earth - X-ray free-electron laser - Department of Energy - SLAC National Accelerator Laboratory - Linac Coherent Light Source - LCLS - LCLS II - helium - absolute zero - cosmic microwave background - Big Bang - superconducting accelerator - Andrew Burrill - Accelerator Directorate - pulse - LCLS - X-ray - pulse - atom - molecular system - quantum computing - Eric Fauve - Cryogenic Division - cooker - atmospheric pressure - cryogenic centrifugal compressor - chamber - centrifugal machine - rotor - impeller - turbo-compressor - superfluid - helium II - Copper  

منبع: لایوساینس

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان