كيف تصنع كاشف الجسيمات الخاص بك

تبلغ ضخامة كاشف الجسيمات في مصادم الهادرونات ضخم حداً يصعب على التصور، فهو يزن مئات الأطنان، ويحتوي على ملايين العناصر الكاشفة، ويدعم برنامج أبحاث لمجتمع يضم آلاف العلماء. لكن كواشف الجسيمات ليست دائما على هذه الدرجة من التعقيد، حتى إن بعض الكواشف بسيطة لدرجة أنك تستطيع صناعتها و تشغيلها في المنزل، و تعتبر " حجرة الضباب الانتشارية ذات الحساسية المستمرة " أحد أنواع هذه الكواشف. صنعت هذه الحجرة بداية في العام 1938 في بيركلي، و فيها تستخدم مادة الكحول المتبخرة لتشكيل غمامة شديدة الحساسية للجسيمات المارة عبرها.

تتألف الأشعة الكونية من جسيمات تدخل جوّ الأرض بشكل مستمر، وعندما تصطدم بغازات الغلاف الجوي للأرض تؤدي إلى تشكل زخات من الجسيمات الأقل منها كتلة، والعديد من هذه الجسيمات "تهطل" على الأرض دون أن نشعر بها. عندما تمر الأشعة الكونية عبر الغمامة، فإنها تولد مسارات شبحية للجسيمات يمكن رؤيتها بالعين المجردة. من السهل بناء هذه الحجرة الضبابية ويحتاج الأمر إلى بضعة أدوات بسيطة.

المواد المطلوبة :

1- وعاء من البلاستيك أو الزجاج ( شبيه بحوض السمك ) ذو غطاء صلب ( معدني أو بلاستيكي )

2- قطعة قماش.

3- كحول الآيزوبروبيل ( بنسبة 90 % أو أكثر. يمكنك أن تجده في الصيدلية. يجب أن ترتدي نظارات أثناء استخدام الكحول لحماية العينين في حال تطايرت بعض قطراته )

4- جليد جاف ( ثنائي أكسيد الكربون المتجمد. يستخدم عادة في أسواق السمك و محال الخضار لحفظ البرودة. عليك أن ترتدي قفازات سميكة عند حمل الثلج لأنه أبرد بكثير من الماء المتجمد )

خطوات العمل :

1- قم بقص قطعة القماش بحيث تغطي كامل قعر الوعاء، ثم ثبتها به بإحكام.

2- اسكب الكحول على القماش حتى يصبح مشبعا به.

3- أغلق الوعاء بالغطاء، ثم اقلب الوعاء بحيث تصبح قطعة القماش في الجهة العليا والغطاء هو القاعدة، وضعه على الثلج. يفضل أن تثبت الثلج بطريقة ما كي لا ينزلق.

4- انتظر 10 دقائق، ثم أطفئ كل الإنارة في الغرفة و شغل مصباحا يدويا بحيث توجه إضاءته نحو الوعاء.

ماذا يحصل داخل الوعاء ؟

يبدأ الكحول الذي أشبع به القماش بالتبخر ببطء ضمن حرارة الغرفة، ويهبط هذا البخار نحو الأسفل باتجاه القعر البارد. عند وصوله إلى الطرف الآخر حيث الثلج، يبرد ويعود للتكثف مجددا ليعود إلى الحالة السائلة، فيصبح الهواء الموجود في قعر الوعاء مشبعا جدا بقطرات الكحول، ويتشكل ما يشبه الضباب ضمن الوعاء. أصبح الجزء العلوي من الوعاء مملوءا بالهواء العادي والجزء السفلي منه مملوءا بالهواء المشبع بندى الكحول. عندما تعبر الجسيمات وعاء الضباب تصطدم بجزيئات الهواء العادي و تحرر بعضا من إلكتروناتها محولة هذه الجزيئات إلى أيونات مشحونة. تنجذب جزيئات الكحول الموجودة في الضباب إلى هذه الأيونات وتلتصق بها. هذه الحركة تخلف وراءها مسارا ضبابيا يشبه ما تخلفه الطائرات وراءها أثناء تحليقها. وبحسب شكل هذه المسارات الضبابية تستطيع معرفة الجسيمات العابرة التي سببت هذه العملية.

- إذا كانت هذه المسارات قصيرة وثخينة فهذا يعني أنك تشاهد جسيمات الرادون الموجودة في الهواء العادي وقد حررت جسيم ألفا ( جسيم ألفا هو نواة الهيليوم التي تحتوي على بروتونين ونترونين )، و لأن هذه الجسيمات ثقيلة وذات طاقة منخفضة فإن أثرها يكون سميكا وقصيرا، ولا تعتبر هذه من الأشعة الكونية، لأن جسيمات الرادون موجودة في هواءنا العادي.

- إذا كانت المسارات طويلة مستقيمة فستكون قد بدأت بالتقاط الأشعة الكونية، وهذه المسارات ناتجة عن الميونات ( الميون هو الأخ الأكبر للإلكترون، فهو ذو كتلة أكبر بكثير وشحنته سالبة ).

- عندما تشاهد مساراً شبه حلزوني ( أي حلزوني بشكل زيك زاك ) فستكون قد حصلت على إلكترون أو بوزترون. تنتج هذه الجسيمات عند اصطدام الأشعة الكونية بالهواء العادي مخلفة وراءها هذا المسار. عندما تشاهد مسارا يشبه الحرف Y، تكون قد شاهدت للتو عملية تفكك لجسيم ما، إذ أن العديد من الجسيمات تعتبر غير مستقرة وتتفكك إلى جسيمات أكثر استقرارا.

يبين الفيديو التوضيحي التالي خطوات العمل والمسارات الضبابية التي تتشكل بفعل مرور الجسيمات عبر الكاشف

المصدر: هنا

حقوق الصورة: Artwork by Sandbox Studio، Chicago