بوق مغناطيسي

البوق المغناطيسي أو بوق النيوترينو (المعروف أيضًا باسم بوق فان دير مير ) هو جهاز تركيز نبضي عالي التيار، اخترعه الفيزيائي الهولندي سيمون فان دير مير في مركز سيرن ، حيث يقوم بانتقاء البيونات والكاونات المتناثرة وتركيزها في حزمة دقيقة. ^{[ 1 ]} كان التطبيق الأصلي للبوق المغناطيسي في سياق فيزياء النيوترينو، حيث يجب تركيز حزم البيونات بدقة. ^{[ 2 ]} وعندما تتحلل البيونات إلى ميونات ونيوترينوات أو نيوترينوات مضادة، يتم الحصول على حزمة نيوترينو مركزة. ^{[ 1 ]}

يعمل البوق المغناطيسي باستخدام تيارات نبضية عالية الشدة (مئات الكيلو أمبير ^{[ 3 ]} ) لتوليد مجال مغناطيسي حلقي قوي حول حزمة البروتونات، مما يؤدي إلى انحراف الجسيمات المشحونة المتناثرة نحو الداخل. يتولد المجال الحلقي نتيجة تدفق التيار إلى الخارج عبر الموصلات الداخلية، ثم عودته عبر الموصلات الخارجية. تشير قوة لورنتز إلى الداخل، عمودية على سرعة الجسيمات وخطوط المجال المغناطيسي المحيطة بالبوق، مما يؤدي إلى تركيز الحزمة. ^{[ 1 ] [ 4 ]}

يُعدّ اختراع البوق المغناطيسي أحد الأسباب (إلى جانب كفاءة الاستخلاص) التي دفعت إلى تحويل حزم النيوترينو من استخدام الأهداف الداخلية بشكل عام إلى "الاستخلاص السريع" عن طريق تحويل نبضات قصيرة (حوالي 10⁻⁶ ^ثانية ) من البروتونات بسرعة من الحزمة الرئيسية إلى الهدف. يتطلب حجم البوق المغناطيسي عملية استخلاص، كما أن استخدامه للطاقة النبضية لتوفير تيارات عالية يستلزم سرعة عالية. ويمكن لفترة الحزمة القصيرة أيضًا أن تسمح لأجهزة الكشف بتقليل التداخل الناتج عن الأشعة الكونية عن طريق تجاهل الإشارات خارج فترة النشاط القصيرة. ^{[ 2 ] [ 5 ]}

تتضمن عملية إنتاج حزمة النيوترينوات عمومًا توجيه البروتونات نحو هدف ثابت من مادة صلبة. ^{[ 1 ]} تتفاعل البروتونات عبر القوة النووية القوية مع نوى الهدف، منتجةً مجموعة متنوعة من الهادرونات الثانوية ، بما في ذلك البيونات والكاونات. ^{[ 2 ]} تُختار طاقة حزمة البروتونات ومادة الهدف بحيث تكون هذه الهادرونات في معظمها من البيونات والكاونات . ينتج عن تحلل كل من هذين الجسيمين نيوترينوات. ^{[ 2 ]} مع ذلك، بدون بوق النيوترينو، تكون حزمة النيوترينوات الناتجة واسعة جدًا، سواءً من الناحية الهندسية (مثل 7.5 درجة) ^{[ 2 ]} أو من حيث تشتت الطاقة. ويعود ذلك إلى أن الجسيمات الثانوية تُنتج بزوايا وطاقات متنوعة، ثم عند تحللها، تُنتج النيوترينوات مرة أخرى بزوايا وطاقات متنوعة. قبل استخدام البوق المغناطيسي، كانت الجسيمات الثانوية والنيوترينوات تُجمع ببساطة عند زاوية الانحراف الرئيسية. ^{[ 2 ]}

لا يمكن تركيز النيوترينوات نفسها باستخدام المجالات الكهربائية أو المغناطيسية لأنها متعادلة كهربائيًا. بدلًا من ذلك، يمكن استخدام بوق مغناطيسي واحد أو أكثر لتركيز الجسيمات الثانوية. يمكن ضبط شكل البوق وقوة المجال المغناطيسي لاختيار نطاق طاقات الجسيمات المراد تركيزها على النحو الأمثل. بهذه الطريقة، يكون شعاع النيوترينو الناتج مركزًا هندسيًا وموجهًا بنطاق طاقات محدد. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن اضمحلال الهادرونات الثانوية لا يزال يُضفي بعض الاتجاه العشوائي على النيوترينوات، لذا سينتشر الشعاع دائمًا إلى حد ما بغض النظر عن كفاءة عمل البوق.

تتميز مادة الموصلات في الأبواق المغناطيسية برقة سمكها وانخفاض كثافتها لمنع تفاعلها مع الجسيمات الثانوية التي تركزها، ولكن يجب أن تكون في الوقت نفسه قوية بما يكفي لتحمل قوى لورنتز والصدمة الحرارية التي تتعرض لها نتيجة التيارات النبضية عالية الشدة. ^{[ 3 ]} كما يجب أن تتمتع بمقاومة كهربائية منخفضة للغاية . ^{[ 3 ]} في تجربة T2K ، استُخدمت سبيكة خاصة من الألومنيوم تُسمى A6061-T6 نظرًا لقوة شدها العالية (310 ميجا باسكال مقابل 70 ميجا باسكال تقريبًا للألومنيوم النقي) ومقاومتها الكهربائية المنخفضة (4.0 × ^{10⁻⁸ أوم} ، أي 233% من النحاس النقي و161% من الألومنيوم النقي). ^{[ 3 ]} تُبرّد الموصلات بالماء بعد كل نبضة نظرًا لكمية الحرارة المتولدة. ^{[ 3 ]}

تُسبب الجسيمات الثانوية الناتجة عن حزمة البروتونات نشاطًا إشعاعيًا في الغازات والسوائل المحيطة بالبوق المغناطيسي. في حال وجود النيتروجين (المكون الرئيسي للهواء) داخل البوق، يتكون أكسيد النيتروجين (NO). في الأنظمة المبردة بالماء، يتفاعل أكسيد النيتروجين مع الماء مُنتجًا حمض النيتريك (HNO₃ ₎ والهيدروجين (H₂ ₎ ، مما يُؤدي إلى زيادة حموضة الماء وتآكل الألومنيوم، فضلًا عن ملء البوق المغناطيسي بغاز الهيدروجين القابل للاشتعال. يُمكن معالجة هذه المشكلة بملء البوق بغاز آخر، مثل الهيليوم. كما تُعاني الأنظمة المبردة بالماء من مشكلة الماء المُشع، ويرجع ذلك أساسًا إلى تكوّن نظير ^{البريليوم-7 (} ⁷Be) والهيدروجين ^{-3 (} ³H) . عالجت تجربة T2K مشكلة البريليوم ^-7 عن طريق التبادل الأيوني ، ومشكلة الهيدروجين ^-3 ببساطة عن طريق تخفيفه حتى وصل إلى مستويات إشعاع أقل من المستويات المسموح بها. ^{[ 3 ]}

• يستخدم شعاع NuMI ، المستخدم في تجارب MINOS و NOνA و MINERνA ، بوقين مغناطيسيين لإنتاج شعاع نيوترينو الميون بطاقة 3 جيجا إلكترون فولت. ^{[ 6 ]}
• استخدمت غرفة الفقاعات غارغاميل ، التي لوحظت فيها أول تفاعلات التيار المحايد ، حزمة من النيوترينو المضاد للميونات بقوة 20 جيجا إلكترون فولت مركزة بواسطة بوق واحد.

• الوسائط المتعلقة بالبوق المغناطيسي على ويكيميديا ​​كومنز

• GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung، القرن المغناطيسي