دنیای ما آنچنان غرق در اسرار و ناشناختههاست که هرچه قواعد جدیدی در آن کشف میکنیم با قفلهای جدیدتر و بیشتری روبرو میشویم. این پازل بیانتها ذهن دانشمندان بسیاری را از سراسر کره خاکی به خود مشغول کرده و برخورد دهنده بزرگ ذرات سرن که بزرگترین ماشین ساخت بشر است نیز برای کمک به حل معماهای جدید بار دیگر در حال آمادهسازی است. فیزیک ذرات نوین در دورانی حساس قرار دارد که در آن هر کشف علمی میتواند دریچهای جدید به سوی درک ماهیت واقعی جهان بگشاید.
برخورد دهنده بزرگ هادرون چیست؟
برخورد دهنده بزرگ هادرون یا LHC بزرگترین و قدرتمندترین شتابدهنده ذرات در جهان است که در مرز بین سوئیس و فرانسه واقع شده است. این دستگاه عظیم که توسط سازمان اروپایی پژوهشهای هستهای موسوم به سرن ساخته شده، یک تونل حلقوی به طول ۲۷ کیلومتر را در عمق زمین در بر میگیرد. در این تونل، پروتونها و یونهای سنگین با سرعتی نزدیک به سرعت نور شتاب گرفته و با یکدیگر برخورد میکنند.
هدف اصلی از ساخت این دستگاه عظیم، شبیهسازی شرایطی است که بلافاصله پس از انفجار بزرگ وجود داشته است. دانشمندان با بررسی ذرات تولید شده در این برخوردها، امیدوارند به رازهای بنیادین جهان پی ببرند. هزینه ساخت این دستگاه بیش از ۴ میلیارد یورو بوده و هزاران دانشمند از سراسر جهان در پروژههای آن مشارکت دارند.
نحوه عملکرد شتابدهنده
شتابدهنده هادرون با استفاده از آهنرباهای ابررسانای قدرتمند، ذرات را در مسیر دایرهای هدایت میکند. این آهنرباها که تا دمای منفی ۲۷۱ درجه سانتیگراد سرد میشوند، قادرند میدانهای مغناطیسی بسیار قوی ایجاد کنند. پروتونها در دو لوله جداگانه در جهتهای مخالف حرکت کرده و در نقاط مشخصی با یکدیگر برخورد میکنند.
- آهنرباهای دوقطبی برای خم کردن مسیر ذرات
- آهنرباهای چندقطبی برای تمرکز باریکه ذرات
- حفرههای رادیویی برای افزایش انرژی ذرات
- سیستم خنککننده هلیوم مایع
کشف بوزون هیگز و اهمیت آن در فیزیک مدرن
پس از گذشت دو سال از فعالیت اولیه هادرون کولایدر بزرگ آزمایشگاه سرن که منجر به کشف ذره خدا یا بوزون هیگز شد، اکنون زمان آن رسیده که این ماشین عظیم بار دیگر برای سلسله آزمایشهای جدیدی که با عنوان فصل دوم شناخته شده روشن شود. کشف بوزون هیگز در تاریخ چهارم ژوئیه ۲۰۱۲ به عنوان یکی از مهمترین دستاوردهای علمی قرن بیست و یکم شناخته میشود.
بوزون هیگز یک ذره بنیادی است که توسط مکانیسم هیگز پیشبینی شده بود. این ذره نقش اساسی در توضیح چگونگی کسب جرم توسط ذرات بنیادی دارد. بدون وجود میدان هیگز، تمام ذرات بدون جرم بوده و جهان ما شکل امروزی خود را نمیگرفت. پیتر هیگز و فرانسوا انگلرت، فیزیکدانانی که این نظریه را مطرح کردند، به خاطر این دستاورد برنده جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۳ شدند.
میدان هیگز و جرم ذرات
میدان هیگز مانند یک چسب نامرئی در سراسر جهان وجود دارد. ذراتی که با این میدان تعامل بیشتری دارند، جرم بیشتری کسب میکنند. پروتونها و نوترونها که تشکیلدهنده اتمها هستند، بخش بزرگی از جرم خود را از انرژی اتصال کوارکها میگیرند، اما جرم ذرات بنیادی مانند الکترونها مستقیماً از تعامل با میدان هیگز ناشی میشود.
جرم ذرات بنیادی، تفاوتهای بین الکترومغناطیس که توسط فوتونها ایجاد میشود و نیروی هستهای ضعیف که توسط بوزونهای W و Z ایجاد میشود در ساختار میکروسکوپیک و بهطبع ماکروسکوپیک ماده مؤثر هستند. بنابراین، بوزون هیگز یک مؤلفه بسیار مهم در دنیای ماده است. این ذره پل ارتباطی بین نیروی ضعیف هستهای و الکترومغناطیسی محسوب میشود.
فصل دوم آزمایشات: اهداف و چالشهای نوین
با تایید شناسایی بوزون هیگز، فیزیک ذرات مدل استاندارد تکمیل شده است. اما دانشمندان احتمال وجود ذرات دیگر را به کلی نادیده نگرفته و همچنان در پی جنبههای احتمالی ناشناخته در این مدل هستند. فصل دوم آزمایشات که پس از ارتقای فنی دستگاه آغاز شده، با انرژی بسیار بالاتری انجام میشود.
در این مرحله جدید، انرژی برخوردها به ۱۳ تراالکترونولت افزایش یافته است. این افزایش انرژی به دانشمندان امکان میدهد تا به ذرات سنگینتری دسترسی پیدا کنند و پدیدههای نادیده گرفته شده در آزمایشات قبلی را بررسی کنند. شدت باریکه ذرات نیز افزایش یافته که منجر به تعداد برخوردهای بیشتری در هر ثانیه میشود.
ارتقاهای فنی انجام شده
- افزایش انرژی برخورد از ۸ به ۱۳ تراالکترونولت
- بهبود سیستمهای خنککننده آهنرباها
- نصب آشکارسازهای جدید با دقت بالاتر
- ارتقای سیستمهای محاسباتی برای پردازش دادهها
- بهینهسازی سیستمهای تزریق ذرات
ماده تاریک: بزرگترین معمای جهان
در میان شاهکارهای متعدد برنامهریزی شده، دانشمندان این مرکز بزرگ تحقیقاتی این بار تلاش خواهند کرد ماده تاریک را بر روی زمین تولید کنند. تصور میشود ۹۵ درصد از جهان بیانتها ما از ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل شده باشد. مادهای که هنوز هم ماهیت دقیق و خصوصیات ویژه آن بر ما پوشیده است و سرانجام شرایط آزمایشگاهی مطالعه بر روی آن پدید آمده است.
ماده تاریک برخلاف ماده معمولی، نور تولید یا جذب نمیکند و از طریق تعامل گرانشی با ماده عادی شناسایی میشود. دانشمندان از طریق مشاهده سرعت چرخش کهکشانها و پدیده لنز گرانشی به وجود این ماده پی بردهاند. بدون وجود ماده تاریک، کهکشانها نمیتوانستند به شکل امروزی خود وجود داشته باشند و ستارگان از مدار خود خارج میشدند.
روشهای تولید ماده تاریک در آزمایشگاه
دانشمندان امیدوارند که در برخوردهای پرانرژی پروتونها، ذرات ماده تاریک تولید شوند. این ذرات نمیتوانند مستقیماً توسط آشکارسازها شناسایی شوند، اما از طریق عدم توازن انرژی و تکانه میتوان به وجود آنها پی برد. اگر ذرهای ناپدید شود و انرژی از دست رفتهای قابل توجیه نباشد، احتمالاً ذره ماده تاریک تولید شده است.
چندین نظریه مختلف برای ماهیت ماده تاریک وجود دارد. یکی از محبوبترین این نظریهها وجود ذراتی به نام وییمپی است. این ذرات جرمی حدود صد برابر جرم پروتون دارند و به شدت ضعیف با ماده عادی تعامل میکنند. نظریه دیگر مربوط به ذرات اکسیون است که جرم بسیار کمی دارند و در برخوردهای پرانرژی میتوانند تولید شوند.
ابعاد فراتر از سه بعد: جستجوی ابعاد اضافی
در ادامه طی فصل دوم آزمایشات که به لطف برخورد دهنده بزرگ امکانپذیر خواهد شد، دانشمندان این مرکز به دنبال نشانههایی از ابعاد جدید در فضا و زمان خواهند گشت تا راهی برای جای دادن جاذبه در مدلهای استاندارد فیزیک ذرات بدست آیند. این مساله که در حال حاضر یکی از نواقص اصلی دانش ما در فیزیک به شمار میرود، شاید بتواند بسیاری از پارادوکسهای علمی را حل کند.
نظریه ریسمان و نظریه کالابی-یاو پیشبینی میکنند که جهان ما ممکن است بیش از سه بعد فضایی داشته باشد. این ابعاد اضافی آنقدر کوچک هستند که در زندگی روزمره قابل مشاهده نیستند. اما در انرژیهای بسیار بالا که در برخورد دهنده بزرگ ایجاد میشود، ممکن است اثرات این ابعاد قابل مشاهده باشند.
نظریه فرضیه کالوزا-کلاین
این نظریه که در اوایل قرن بیستم مطرح شد، نشان میدهد که با اضافه کردن یک بعد فضایی اضافی میتوان نظریه گرانش نیوتن را با الکترودینامیک ماکسول统一 کرد. در نسخههای مدرن این نظریه، وجود ابعاد اضافی میتواند توضیح دهد که چرا نیروی گرانش بسیار ضعیفتر از نیروهای دیگر است. شاید ذرات حامل این نیرو به ابعاد دیگر فرار کنند و به همین دلیل آن را ضعیف مشاهده میکنیم.
فراتر از مدل استاندارد: نظریه فرانظریهپذیری
مدل استاندارد فیزیک ذرات با وجود موفقیتهای بزرگ، هنوز ناقص است. این مدل نمیتواند گرانش، ماده تاریک، انرژی تاریک و نوسان نوترینوها را توضیح دهد. نظریه فرانظریهپذیری یا سوپرسیمتری یکی از نامزدهای اصلی برای گسترش این مدل است که پیشبینی میکند هر ذره دارای یک ذره شریک است.
اگر نظریه فرانظریهپذیری صحیح باشد، جهان ما باید پر از ذرات ناشناخته باشد. این ذرات شریک میتوانند کاندیدای مناسبی برای ماده تاریک باشند. آزمایشات فصل دوم به دنبال نشانههایی از این ذرات فرانظریهپذیر خواهند بود. کشف هر یک از این ذرات میتواند انقلابی در درک ما از جهان ایجاد کند.
- شریک الکترون به نام سلکترون
- شریک کوارک به نام اسکوارک
- شریک فوتون به نام فوتینو
- شریک گلوون به نام گلویینو
نظامهای آشکارسازی پیشرفته
برای ثبت برخوردهای میلیاردها ذره در هر ثانیه، نظامهای آشکارسازی پیشرفتهای طراحی شدهاند. این آشکارسازها که به اندازه یک ساختمان چندطبقه هستند، لایههای مختلفی برای شناسایی انواع ذرات دارند. هر لایه با استفاده از اصول فیزیکی متفاوت، اطلاعات مربوط به ذرات عبوری را ثبت میکند.
آشکارسازهای اصلی برخورد دهنده بزرگ شامل آتلاس، سیاماس، آلیس و لاچبی هستند. آتلاس و سیاماس آشکارسازهای همهمنظورهای هستند که برای کشف ذرات جدید طراحی شدهاند. آلیس برای مطالعه پلاسما کوارک-گلویون و لاچبی برای مطالعه تخریب بوزونهای بی طراحی شدهاند.
فناوریهای نوین در آشکارسازها
آشکارسازها از ترکیبی از فناوریهای مختلف استفاده میکنند. ردیابهای سیلیکونی با دقت میکرونی مسیر ذرات را ثبت میکنند. کالریمترها انرژی ذرات را با جذب آنها اندازه میگیرند. اتاقهای سیمدار آشکارساز قوی میدان مغناطیسی ذرات باردار را خم کرده و از روی میزان خمش، میزان بار و جرم آنها را محاسبه میکنند.
چالشهای پردازش دادهها
برخورد دهنده بزرگ در هر ثانیه حدود یک میلیارد برخورد تولید میکند. این حجم عظیم دادهها نمیتواند به طور کامل ذخیره شود. سیستمهای فیلترینگ پیشرفته با استفاده از الگوریتمهای هوشمند، برخوردهای جالب توجه را انتخاب کرده و بقیه را حذف میکنند. با این حال، دادههای ثبت شده سالانه دهها پتابایت حجم دارند.
برای پردازش این دادهها، سرن از یک شبکه محاسباتی توزیعشده استفاده میکند. این شبکه شامل مراکز محاسباتی در سراسر جهان است که به هم متصل شدهاند. فناوری شبکه محاسباتی که برای این پروژه توسعه یافته، در بسیاری از حوزههای دیگر از جمله پزشکی و هواشناسی نیز کاربرد دارد.
آینده فیزیک ذرات و پروژههای جدید
موفقیتهای برخورد دهنده بزرگ الهامبخش پروژههای جدیدتری شده است. دانشمندان در حال طراحی شتابدهندههای جدیدی هستند که با انرژی و شدت بیشتری کار کنند. یکی از این پروژهها، برخورد دهنده خطی بینالمللی است که در ژاپن ساخته خواهد شد. پروژه دیگر، برخورد دهنده دایرهای آینده است که با طول ۱۰۰ کیلومتر، بزرگترین دستگاه علمی تاریخ خواهد بود.
این پروژههای جدید میتوانند به کشف ذراتی منجر شوند که در انرژیهای فعلی قابل تولید نیستند. همچنین، شدت بالاتر باریکه ذرات امکان مطالعه دقیقتر خواص بوزون هیگز و دیگر ذرات بنیادی را فراهم میکند. شاید با این دستگاههای جدید بتوانیم به درک کاملتری از جهان هستی دست یابیم.
نتیجهگیری: گامی نو به سوی فهم جهان هستی
برخورد دهنده بزرگ هادرون نماد تلاش بیپایان بشر برای فهم جهان پیرامون خود است. از کشف بوزون هیگز تا جستجوی ماده تاریک، این دستگاه عظیم مرزهای دانش را هر روز جلوتر میبرد. فصل دوم آزمایشات با انرژی و شدت بیشتر، امیدهای تازهای برای حل معماهای بنیادین فیزیک ایجاد کرده است.
شاید نتوان پیشبینی کرد که کشف بعدی چه خواهد بود، اما مطمئناً هر کشف جدید، پرسشهای تازهای را نیز به همراه خواهد داشت. این چرخه بیپایان پرسش و پاسخ، موتور محرک پیشرفت علم است و انسانیت را به درک عمیقتری از جایگاه خود در جهان نزدیک میکند. آینده فیزیک ذرات، آیندهای روشن و پر از امید برای کشف اسرار هستی است.
نظرات
0دیدگاه خود را ثبت کنید
برای ارسال نظر و مشارکت در گفتگو، لطفا وارد حساب کاربری خود شوید.