ده سال در خط مقدم علم؛ برخورد دهنده هادرونی بزرگ چه می کند؟

دهم سپتامبر 2008 برابر با بیستم شهریور 1387 برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC) برای اولین بار در مرکز تحقیقاتی سرن (CERN) آغاز به کار کرد. بزرگ ترین و قوی ترین شتاب دهنده ذره در جهان طی این یک دهه فعالیت در رخدادهای علمی مهمی نقش داشته که مهم ترین آنها، کشف بوزون هیگز در سال 2013 بوده است. در این مطلب می خواهیم مهم ترین دستاوردهای این ابزار تا به امروز و نقشی که در آینده علم بشری خواهد داشت را مرور کنیم.

برخورد دهنده هادرونی بزرگ چیست؟

برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC) نه تنها بزرگ ترین شتاب دهنده ذره در جهان است، بلکه بزرگ ترین ماشین جهان هم محسوب می شود. LHC از حلقه ای به طول 27 کیلومتر به دور پرتو ذرات، هزاران قطعه آهنربای قدرتمند و سیستم خنک سازی پیشرفته با هلیوم مایع تشکیل شده است.

این حلقه دو لوله مجزا دارد که پرتو ذرات پر انرژی را در خلاف جهت یکدیگر می چرخانند. آهنرباهای الکتریکی ابر رسانا می توانند این ذرات را به نزدیکی سرعت نور برسانند ولی برای این کار باید به شدت سرد نگه داشته شوند، یعنی 271.3- درجه سانتیگراد؛ دمایی که سردتر از فضای اطراف زمین است. به همین دلیل هلیوم مایع برای خنک سازی استفاده می شود، چون تنها عنصریست که در این دما به صورت مایع وجود خواهد داشت.

بیش از 1232 قطعه آهنربای دوقطبی که طول هرکدام به 15 متر می رسد، پرتو را به گونه ای هدایت می کنند که ذرات پرانرژی، پیچ و خم های مسیر را پشت سر بگذارند. 392 قطعه آهنربای چهارقطبی به طول 5 تا 7 متر هم ذرات را متمرکز می کنند تا پرتو باریک تری شکل بگیرد.

زمانی که ذرات به سرعت مورد نظر رسیدند، تازه نمایش اصلی شروع می شود. در یکی از چهار قسمت ویژه در مسیر حلقه می توان دو پرتو را به سمت یکدیگر هدایت کرد. البته قبل از این کار باید با استفاده از آهنرباهای بیشتر، پرتو ها را به قدری باریک نمود که احتمال تصادم ذرات آنها با هم بیشتر شود.

به محض تصادم ذرات، آبشاری از ذرات دیگر به وجود می آیند، به ویژه ذرات خاصی که در حالت عادی روی زمین نمی توان به آنها دست یافت. برای مشاهده نتایج این برخورد، آشکارسازهای ذرات در این چهار قسمت تعبیه شده اند که با سنجش مسیر، اتلاف انرژی، سرعت و جرم ذرات، آنها را شناسایی می کنند.

چرا برخورد دهنده هادرونی بزرگ را ساختیم؟

تصادم ذرات با یکدیگر می تواند بسیاری از سؤالات بنیادی ما در مورد جهان را پاسخ دهد. به عنوان مثال مدل استاندارد کنونی فیزیک ذرات به ما می گوید که کوارک ها و لپتون ها کوچک ترین ذرات ماده هستند، ولی قبلاً همین نظر را در مورد اتم ها داشتیم، واژه ای که از ریشه یونانی به معنای غیر قابل مشاهده می آید. اوایل قرن بیستم بود که تازه فهمیدیم اتم ها هم از اجزای بنیادی کوچک تری تشکیل شده اند. در دهه 60 میلادی دوباره تصورمان اشتباه از آب درآمد و با کوارک ها و لپتون ها آشنا شدیم. حالا LHC به ما کمک می کند که ببینیم آیا ذرات کوچک تری هم وجود دارند یا خیر.

سؤالات دیگری را هم می توان با برخورد دهنده هادرونی بزرگ پاسخ داد؛ مثلاً چرا پادماده در دنیا اینقدر کم است، یا اینکه آیا در مقیاس های کوچک به بُعدهای جدیدی می رسیم یا خیر. LHC می تواند در مورد ماهیت اسرارآمیز ماده تاریک که حدود 80 درصد کل ماده در جهان را تشکیل می دهد نیز اطلاعاتی به ما بدهد.

دستاوردهای برخورد دهنده بزرگ هادرونی

همان طور که گفتیم، برخورد دهنده هادرونی بزرگ برای اولین بار در تاریخ دهم سپتامبر سال 2008 میلادی آغاز به کار کرد و پروتون ها را به گردش درآورد، ولی متأسفانه 9 روز بعد به مشکل اساسی برخورد که تعمیر کردنش حدود یک سال زمان برد. به همین دلیل نخستین تصادم پروتون در این دستگاه به نوامبر سال 2009 بر می گردد.

پس از اولین برخورد، به سرعت شاهد کشف های متوالی بودیم. سال بعدش تیم علمی LHC هسته های سرب را با یکدیگر برخورد داده و پلاسمای کوارک-گلوئون ساختند، نوعی از ماده که در اولین لحظات پس از انفجار بزرگ، کل جهان هستی را تشکیل داده بود. در این حالت داغ و چسبناک که به سوپ کوارک نیز معروف است، ذرات زیراتمی به کوارک ها و گلوئون های شناور تبدیل شده و سپس به سرعت به ماده عادی تغییر حالت می دهند. البته پیش از این هم سوپ کوارک را ساخته بودیم، ولی دانشمندان مرکز سرن کشف کردند طبق پیش بینی فیزیکدان ها، این حالت از ماده در وضعیت پرانرژی بیشتر شبیه یک سیال با گرانروی پایین رفتار می کند و به گاز شبیه نیست.

در سال 2011 برخورد دهنده هادرونی بزرگ توانست نخستین ذره جدیدش را کشف کند. این ذره که chi b(3p) نام دارد از یک کوارک زیبایی (کوارک ته) و پادکوارک تشکیل شده که به شکل ضعیف به هم پیوند خورده اند. سال گذشته نیز LHC توانست یکی دیگر از ذرات تئوری دنیا حاوی دو کوارک افسون را تولید کند که اسم عجیب و غریبی هم دارد (++Xi_cc یا باریون خی دابل چارم).

بوزون هیگز

شاید بتوان یک دهه فعالیت برخورد دهنده هادرونی بزرگ را در کشف بوزون هیگز یا ذره خدا خلاصه کرد. بوزون هیگز به عنوان آخرین قطعه از پازل مدل استاندارد فیزیک بنیادی، جرم دیگر ذرات بنیادی را تشکیل می دهد و کشف آن از همان ابتدا یکی از اهداف اصلی پروژه LHC بود.

نام این بوزون از پیتر هیگز گرفته شده، یکی از دو فیزیکدانی که برای اولین بار وجود آن را پیشنهاد کردند. قبل از دهه 1960 میلادی، مدل استاندارد از یک نقص بزرگ رنج می برد و دانشمندان هیچ توضیحی برای جرم ذرات بنیادی نداشتند. برای پر کردن این خلاء، فیزیکدان ها وجود یک میدان فراگیر به نام میدان هیگز را پیشنهاد کردند که از ذرات هیگز تشکیل شده است. در واقع ذرات بنیادی با میدان هیگز برهمکنش داشته، سرعتشان کم شده و جرم به دست می آورند.

مشاهده بوزون هیگز را می توان نقطه عطف فیزیک ذرات دانست. در ابتدا دانشمندان هیچ ایده ای در مورد جرم این ذره نداشتند و می گفتند احتمالاً باید بین 18 مگا الکترون ولت تا بیش از 100 گیگا الکترون ولت جرم داشته باشد. با این حال بیش از یک دهه آزمایشات مختلف، بازه جرم این ذره را تا حد ممکن کاهش داد.

پس از اینکه برخورد دهنده های قبلی در کشف این ذره شکست خوردند، دانشمندان احتمال دادند که جرم بوزون هیگز بیشتر از 114 گیگا الکترون ولت باشد، در حالی که مدل استاندارد هم نشان می داد بوزون هیگز حداکثر 800 گیگا الکترون ولت جرم دارد. برخورد دهنده هادرونی بزرگ در سال های اولیه فعالیتش توانست این بازه را به 116 تا 130 گیگا الکترون ولت کاهش دهد.

نهایتاً در سال 2012 نشانه هایی از یک ذره کاملاً جدید در آشکارسازهای LHC هویدا شد. این ذره با جرم 125 گیگا الکترون ولت کاملاً به بوزون هیگز فرضی نزدیک بوده و خصوصیات دیگرش هم با پیش بینی های مدل استاندارد مطابقت داشت. با این حال دانشمندان هنوز مطمئن نبودند و این ذره را بوزن شبه-هیگز نامیدند. بررسی های بیشتر، هویت این ذره را تأیید کرد و برای فیزیکدان هایی که وجود بوزون هیگز را پیش بینی کرده بودند، یعنی فرانسوا انگلرت و پیتر هیگز، جایزه نوبل فیزیک سال 2013 را به ارمغان آورد.

طی سال های پس از این کشف تاریخی، محققین دریافتند که تمامی خصوصیات بوزون هیگز از جمله اسپین، پاریته و برهم کنش با دیگر ذرات، با پیش بینی های مدل استاندارد همخوانی دارد. چند ماه قبل دانشمندان LHC اعلام کردند بوزون هیگز به یک کوارک زیبایی و پادکوارک آن واپاشیده می شود، وضعیتی که طبق پیش بینی مدل استاندارد در 58 درصد مواقع رخ می دهد.

تأیید وجود بوزون هیگز تازه آغاز ماجراست. دانشمندان مرکز سرن می گویند این ذره، ابزار قدرتمندی برای تست محدودیت ها و کاستی های مدل استاندارد فیزیک بنیادی خواهد بود.

چه آینده ای در انتظار برخورد دهنده هادرونی بزرگ است؟

با یکجا نشستن نمی توان پیشرفت کرد، به همین دلیل چند ماه قبل تصمیم برای ارتقاء برخورد دهنده هادرونی بزرگ گرفته شد. طی این فرایند، LHC به HL-LHC ارتقاء می یابد، تونل های جدیدی حفر می شوند، ساختمان های تازه ای سر بر می آورند و بیش از 1.2 کیلومتر از دستگاه با قطعات جدید جایگزین می گردد.

با ارتقاء LHC با آهنرباهای جدید، پرتو ذرات در محل های تصادم حتی باریک تر از قبل شده و احتمال برخورد به مراتب بالاتر می رود. کارآیی دستگاه هم بیشتر شده و تدابیری هم برای ساده سازی عملیات تعمیر و نگهداری اندیشیده شده است. در این بازه زمانی، LHC همچنان به کار خود ادامه می دهد، اما دوره های خاموشی زیادی خواهد داشت.

نهایتاً در سال 2026 با کامل شدن HL-LHC همه این تلاش ها نتیجه خواهد داد؛ دستگاه تا 7 برابر قوی تر شده و می تواند هفت میلیارد ذره را در هر ثانیه به یکدیگر برخورد دهد، یعنی طی 10 سال پیش رو می تواند تا 10 برابر اطلاعات بیشتری جمع آوری کند. با این دستگاه می توان بوزون هیگز را دقیق تر مطالعه کرد و مرزهای علم فیزیک بنیادی کنونی را درنوردید.

شاید HL-LHC بتواند به سؤالاتی از این دست پاسخ دهد: آیا ذراتی کوچک تر از کوارک ها و لپتون ها وجود دارند؟ آیا هر ذره ای در جهان همتای ابرمتقارن دارد؟ آیا جاذبه در ابعاد دیگر هم کار می کند؟ و آیا بالاخره می توان در یکی از این تصادم ها به ماده تاریک اسرارآمیز رسید؟

پیشرفت های علم فیزیک طی ده سال فعالیت برخورد دهنده هادرونی بزرگ، ما را به آینده هیجان انگیز در این حوزه امیدوار می کند.