ნაწილაკთა ამაჩქარებლები დღესდღეობით საკმაოდ დიდი პოპულარობით სარგებლობს, თუმცა რა არის ამაჩქარებელი? როგორი ტიპის ამაჩქარებლებთან გვაქვს საქმე? რატომ დაიმსახურა ამდენი ყურადღება და დაფინანსება ამ მოწყობილობის მშენებლობამ? სტატიაში იხილავთ პასუხს ამ შეკითხვებზე და გაეცნობით ცნობილ ამაჩქარებლებს, ასევე გაეცნობით ამაჩქარებლების როლს თანამედროვე მედიცინაში.

ამაჩქარებლები სხვადასხვა ნაწილაკებს აჩქარებენ მაღალ სიჩქარეებამდე (ანუ მაღალ ენერგიებამდე), რის შედეგადაც ეს ნაწილაკები სხვა ნაწილაკებს ეჯახებიან. დაჯახებას და მის შემდგომ პროცესებს სპეციალური დეტექტორების მეშვეობით აფიქსირებენ, რის შემდეგაც იწყება დიდი რაოდენობის მონაცემთა ანალიზი. ზუსტად ამ ანალიზის საშუალებით მოხერხდა არაერთი ახალი ნაწილაკის აღმოჩენა.

ამაჩქარებელს თანამედროვე კვლევებში უმნიშვნელოვანესი როლი უკავიათ, თუმცა იმისათვის, რომ უკეთ გავიგოთ, რას წარმოადგენს ამაჩქარებელი, აუცილებელია წარმოდგენა შევიქმნათ ელემენტარულ ნაწილაკებზე.

ელემენტარული ნაწილაკები

იმ ნაწილაკებს, რომლებსაც სხვა ქვესტრუქტურა არ გააჩნიათ, ანუ, დღევანდელი წარმოდგენებით, არ გააჩნიათ შემადგენელი ნაწილაკები, ელემენტარულს უწოდებენ. სტანდარტული მოდელის თანახმად, არსებობს 17 ელემენტარული ნაწილაკი, რომლებსაც სხვადასხვა კლასში აერთიანებენ, ესენია: ექვსი კვარკი (Top, bottom, charm, strange, up, down კვარკები), ექვსი ლეპტონი (ელექტრონი, მიუონი, ტაუონი და ელექტრონული, მიუონური და ტაუონური ნეიტრინოები) და ხუთი ბოზონი (გლოუნი, ფოტონი, ჰიგსის, W და Z ბოზონები).

აღსანიშნავია, რომ სკოლიდან ყველასთვის კარგად ნაცნობი ნაწილაკებიდან მხოლოდ ელექტრონი მოხვდა ელემენტარული ნაწილაკების რიგებში. ხოლო რაც შეეხება პროტონს და ნეიტრონს, აღმოჩნდა, რომ ისინი შედგენილი ნაწილაკებია, კერძოდ ისინი შედგებიან სამი კვარკისგან და გლუონებისგან, რომლებიც კვარკებს შორის ბმას უზრუნველყოფს. ისტორიულად ელექტრონი პირველად აღმოჩენილი ელემენტარული ნაწილაკია, ის ჯ. ჯ. ტომსონმა აღმოაჩინა 1897 წელს, ხოლო ბოლო ნაწილაკია ჰიგსის ბოზონი, რომელიც ყველაზე მნიშვნელოვან და ძვირადღირებულ ცერნის ნაწილაკთა ამაჩქარებელზე 2012 წელს აღმოაჩინეს.

ასევე იხილეთ: ია იაშვილი — მაღალი ენერგიების ფიზიკოსი, რომელიც ჰიგსის ბოზონის აღმოჩენაში მონაწილეობდა

გარდა ჩვეულებრივი ნაწილაკებისა, უკვე მოხერხდა მრავალი ანტინაწილაკის დაფიქსირებაც. მათი ძირითადი უმრავლესობა სწორედ ამაჩქარებელზე აღმოაჩინეს. ეს კი იმას ნიშნავს, რომ ფიზიკის ფუნდამენტური კანონების ჩამოყალიბებაში ამაჩქარებლებს განსაკუთრებული წვლილი მიუძვის, ამიტომ ამაჩქარებლებს დღესდღეობით მოწინავე როლი ენიჭება მეცნიერებაში. ამაჩქარებლების გარეშე შეუძლებელი იქნებოდა მრავალი ფენომენის და ნაწილაკის არსებობის დადასტურება. აღსანიშნავია, რომ დაახლოებით 30 000 ამაჩქარებლიდან მხოლოდ 1% გამოიყენება ფუნდამენტური კვლევებისთვის, საკუთრივ ფიზიკაში. მუშაობის პრინციპის მიხედვით განასხვავებენ ორნაირ ამაჩქარებელს:

1. წრიული ამაჩქარებლები

წრიული ამაჩქარებლები მაგნიტური ველის დახმარებით ნაწილაკებს წრიულ ტრაექტორიაზე ამოძრავებენ. მილების გარშემო მოთავსებული მაგნიტები მუდმივად უცვლიან ნაწილაკებს მიმართულებას სწორხაზოვნიდან მრუდე, წრიულ ტრაექტორიამდე. ამასთან, ყოველ წრეზე მაგნიტურ ველს აძლიერებენ, რაც, თავის მხრივ, იწვევს ნაწილაკების მეტად აჩქარებას. საკმარისი სიჩქარის შეძენის შემდეგ ექსპერიმენტატორები ნაწილაკების ნაკადს უხვედრებენ სამიზნეს.

2. ხაზოვანი ამაჩქარებლები

ხაზოვანი ამაჩქარებლის იდეა და მუშაობის პრინციპი პირველად 1924 წელს გუსტავ აისინგმა შემოგვთავაზა, ხოლო პირველი ამაჩქარებელი 1930 წელს კოქროფტმა და ვალტონმა ააგეს. მათ სურდათ ხელსაწყოს მეშვეობით კვანტური ტუნელირების ეფექტის დაფიქსირება, რაც გულისხმობს ნაწილაკის აღმოჩენას ისეთი ბარიერის მეორე მხარეს, რომელში გაღწევაც ამ ნაწილაკს არ უნდა შეეძლოს. პირველ ამაჩქარებელში ვერ მოხერხდა ტუნელირების ეფექტის შემოწმება არასაკმარისი ენერგეტიკულობის გამო. მას შემდეგ ფიზიკოსებმა და ინჟინრებმა დაიწყეს უფრო მძლავრი ამაჩქარებლების შენება.

პირველყოფილი ამაჩქარებლები ელექტროსტატიკურები იყო, ანუ ნაწილაკების ასაჩქარებლად ელექტრულ ველს იყენებდნენ: მილის ბოლოებში თავსდებოდა უარყოფითად და დადებითად დამუხტული ფირფიტები, მილში აღიძვრებოდა ელექტროსტატიკური ველი, რომელში მოთავსებული დამუხტული ნაწილაკებიც ჩქარდებოდნენ. ამ პრინციპზე მომუშავე ამაჩქარებლები დღესდღეობით სხვა ტიპის ამაჩქარებლებთან შედარებით ნაკლებად ეფექტურია, თუმცა შედარებით იაფი, ამიტომ ხშირად უპირატესობას სწორედ ხაზოვან ამაჩქარებლებს ანიჭებენ. ამგვარი ამაჩქარებლის მაგალითია სტენფორდის ხაზოვანი ამაჩქარებლის ლაბორატორია (SLAC), რომელიც მიწისქვეშ მდგებარეობს და ზომით 3 კილომეტრს აღემატება.

დიდი ადრონული კოლაიდერი

ცერნის დიდი ადრონული კოლაიდერი (LHC) ყველაზე ცნობილია არა მხოლოდ თავისი დამსახურებებით ფუნდამენტური მეცნიერებების განვითარებაში, არამედ თავისი ზომის და ღირებულების გამო. 27 კილომეტრიანი გარშემოწერილობის ამაჩქარებლის აშენებას 10 წელიწადი და 4.75 მილიარდი დოლარი დასჭირდა. გასაკვირი არაა, რომ ეს ამაჩქარებელი ყველაზე მძლავრია დედამიწაზე. ის არ მიეკუთვნება ამაჩქარებელთა რომელიმე კერძო ტიპს, არამედ ის წარმოადგენს ორივე ტიპის ამაჩქარებლის კომბინაციას, კერძოდ ის შედგება რვა ამაჩქარებლისა და ორი ნაწილაკთა შემნელებლისგან, რაც ზრდის ამაჩქარებლის ეფექტურობას. რაც შეეხება ამაჩქარებლებს, ისინი მრავალი კომპონენტისგან შედგება, მაგრამ მათ შორის ყველაზე მნიშვნელოვანია მაგნიტები და დეტექტორები.

მოისმინეთ: შემდეგი პოდკასტი: დიდი ადრონული კოლაიდერი — კაცობრიობის ყველაზე მძლავრი ინსტრუმენტი

ცერნის ამაჩქარებელზე ჯამში 1232 დიპოლური მაგნიტი მუშაობს. მაგნიტები ზეგამტარულია, რაც იმას ნიშნავს, რომ აუცილებელია მათი -271 ტემპერატურაზე შენარჩუნება. თითოეული მაგნიტი 28 ტონას იწონის და სიგრძეში 15 მეტრია.

LHC აღჭურვილია ცხრა დეტექტორით, მათგან ცხრავე სხვადასხვა ფენომენზე დასაკვირვებლად გამოიყენება. ძირითადი, ყველაზე დიდი ზომის დეტექტორებია ATLAS და CMS. ALICE და LHCb ვიწრო სპეციფიკის ექსპერიმენტებში გამოიყენება, ხოლო დანარჩენი ხუთი დეტექტორი შედარებით მცირე ზომისაა და მათი კვლევითი მასშტაბებიც შესაბამისად ვიწროა.

ცნობილია, რომ მეცნიერთა უმრავლესობა ემხრობა "დიდი აფეთქების" თეორიას რომლის მიხედვითაც 13.7 მილიარდი წლის წინ დაიწყო პირველადი ცხელი, წარმოუდგენლად მცირე სამყაროს გაფართოვება დიდი სიჩქარით. სამყაროს გაფართოვების საწყისი სტადიები იმდენად ენერგეტიკულად ითვლება, რომ ცერნის მძლავრი ამაჩქარებელის შექმნამდე მასთან ახლოსაც ვერაფერი მივიდოდა. ცერნის ამაჩქარებელში დაჯახებები იმდენად ენერგეტიკულია, რომ დღესდღეობით შესაძლებელია დიდი აფეთქებიდან რამდენიმე წამის აღდგენაც კი, რაც იმას ნიშნავს, რომ შესაძლებელია დიდი აფეთქების თეორიის ნაწილობრივ შემოწმება. აღნიშნული კვლევების უმრავლესობა დიდი სიზუსტით ემთხვევა სტანდარტული მოდელის ნაწინასწარმეტყველებს.

აქვე აღსანიშნავია, რომ 2022 წლის რუსეთ-უკრაინის ომის ფონზე ცერნში მიიღეს გადაწყვეტილება, კონტრაქტების დასრულებისთანავე (2024 წელი) საბოლოოდ გაწყვიტონ თანამშრომლობა რუს მეცნიერებთან (ამჟამად პერსონალის 8% რუსული ეროვნების პირები წარმოადგენენ).

დედამიწაზე არსებულ ამაჩქარებელთა უმრავლესობა არ გამოიყენება კვლევებისთვის ფიზიკაში. მათ 97%-ს იყენებენ კომერციული მიზნებისთვის. ამაჩქარებლები გამოიყენება ნახევარგამტარების შექმნისას, სტერილიზაციისთვის (სამედიცინო და საკვებ პროდუქტებში), კერამიკის და პლასტმასის დამზადებისას და ა.შ. თუმცა მათ შორის, ალბათ, ყველაზე საინტერესო და აქტუალური არის ამაჩქარებლების სამედიცინო სფეროში გამოყენება.

ადრონული თერაპია

ამაჩქარებლებს დღესდღეობით ინტენსიურად იყენებენ ონკოლოგიური პაციენტების განსაკურნად, ყველაზე ხშირად (ონკოლოგიურ პაციენტთა 50%-ში) იყენებენ რადიაციულ თერაპიას, რაც გულისხმობს პაციანტის დასხივებას ელექტრონებით ან ხისტი რენტგენის სხივებით. ამგვარი თერაპიის მინუსი ის გახლავთ, რომ გარდა კიბოს უჯრედებისა, რადიაცია ანადგურებს მიმდებარე ჯანსაღ ქსოვილებს.

თანამედროვე კვლევებში გამოიკვეთა თერაპიის ახლებური მეთოდი — ადრონული თერაპია. როდესაც დასხივება მიმდინარეობს არა ელექტრონებით ან რენტგენის სხივებით, არამედ პროტონებით და სხვა იონებით. მკურნალობის ეს მეთოდი შეიძლება ყველაზე პერსპექტიულადაც ჩაითვალოს დღევანდელ რეალობაში, რადგან აღნიშნული ნაწილაკები კონკრეტული - დიდი სიზუსტით განსაზღვრული - დროის შემდეგ ახდენენ ენერგიის გამოთავისუფლებას, ასე რომ, შესაძლებელია მისი "დამიზნება" კიბოს უჯრედებზე. დროის სწორი შერჩევით დამუხტული ნაწილაკები მოქმედებენ მხოლოდ კიბოს უჯრედებზე და ჯანმრთელ ქსოვილებს არ აყენებენ მნიშვნელოვან დაზიანებებს. შედეგად ხდება კიბოს უჯრედების განადგურება და პაციენტის განკურნება. ამ დროისთვის ადრონული თერაპიით განკურნებულთა რიცხვი 120 000 პაციენტს აღემატება.

აღსანიშნავია, რომ ადრონული თერაპიის ერთ-ერთი ცენტრის მშენებლობა იგეგმება საქართველოში, ქუთაისის საერთაშორისო უნივერსიტეტის ტერიტორიაზე, და როგორც ამობენ, ამაჩქარებლის გამოყენება შესაძლებელი იქნება როგორც სამეცნიერო კვლევებისთვის, ასევე სამედიცინო მიზნებისთვის.

ნაწილაკთა ამაჩქარებლების გამოგონება ერთ-ერთი ლოგიკური განვითარება იყო XIX-XX საუკუნეებში მეცნიერთა მიერ განხორციელებული იმ აღმოჩენების შემდეგ, რომლებმაც მსოფლიო შეცვალა. ამაჩქარებლების გამოყენება, გარდა ფიზიკისა, დაიწყეს სხვადასხვა მნიშვნელოვან დარგებში, ამიტომ ისინი დღემდე არ კარგავენ აქტუალობას, არამედ პირიქით, შეიძლება ითქვას, რომ დღითიდღე უფრო პოპულარული და აქტუალურები ხდებიან როგორც სამეცნიერო, ისე სხვა წრეებში.