در پی بنیادی‌ترین سوالات بشر: در دل شتابدهنده‌ها چه خبر است؟

در پی بنیادی‌ترین سوالات بشر: در دل شتابدهنده‌ها چه خبر است؟

سیستمی که از طریق آن در حال مطالعه این مطلب هستید، لباسی که تن شماست، صندلی که روی آن نشسته‌‎اید و غذایی که می‎خورید، از اتم‌‎هایی تشکیل شده‌‎اند که در قدیم فرض می‎شد بنیادی‎‌تر از آنها وجود ندارد و کوچک‎ترین ذرات سازنده همه چیز در جهان هستند؛ اما امروزه می‎دانیم ذرات بسیار کوچک‎تر دیگری هم وجود دارند که اتم از آن‎ها ساخته شده ‎است.

پروتون و نوترون هسته اتم را می‎سازند و الکترون‎‌ها ذراتی با بار منفی هستند که به دور هسته اتم می‌‎چرخند اما قضیه اینجا هم تمام نمی‎‌شود و هم‎چنان ماجرای بنیادی‎‌ترین ذرات ادامه پیدا می‎کند. زیرا که درون هسته اتم هم ذرات خیلی کوچکی وجود دارد که فیزیک ذرات بنیادین به مطالعه و آزمایش درباره‌‎شان می‎‌پردازد.

شاید به نظر بیاید فیزیک‎دان‎‌های ذرات بنیادی همگی همکار هستند و کارهای مشابهی انجام می‎‌دهند ولی واقعیت این است که کار این متخصصان به دو دسته نظری و تجربی تقسیم می‌‎شود که هر کدامش زمین تا آسمان با دیگری فرق دارد.‌

یک گروه مدام در آزمایشگاه در حال تجربه و آزمایش هستند، داده‌‎ها را تحلیل می‎‌کنند و سعی در کشف و بررسی ذرات جدید دارند و گروه دیگر فیزیک‎دان‎‌های نظری هستند که تلاش می‎‌کنند پدیده‎‌های درون آزمایشگاه را توصیف کنند و دلایل رخ دادن پدیده‎‌ها را توضیح بدهند. در این مطلب قصد داریم به سراغ عجیب‎‌ترین و بزرگ‌ترین آزمایشگاه‌‎های فیزیک دنیا برویم و ببینیم فیزیک‎دان‌‎ها در دل آن به دنبال چه هستند؟

ذرات چه طور شتاب می‌‎گیرند؟

ذراتی که بار الکتریکی داشته باشند وقتی در یک میدان الکتریکی قرار می‎گیرند رفتار جالبی از خودشان نشان می‎دهند. به طوری که حرکت آنها شتاب‎دار می‎شود یعنی سرعت حرکت آن‌ها با آهنگ زمان تغییر می‎کند. حالا اگر ذرات باردار را در میدان مغناطیسی  قرار دهیم، شروع به پیچ خوردن در اطراف خطوط فرضی نیروی این میدان می‎کنند.

کشف این خاصیت‎‌ها باعث شد دانشمندان به فکر استفاده‎‌های مختلف از آن بیفتند. آنها دست به کار شدند و شتابدهنده‎‌های خطی که با میدان الکتریکی و شتابدهنده‌‎های مداری که با میدان مغناطیسی عمل می‌‎کنند را ساختند تا بتوانند پرسش‎‌های بی‎شمارشان در دنیای فیزیک را پاسخ بدهند.

ALICE detector during Long Shutdown 2 at CERN - Stock Image - C046/2658 - Science Photo Library

شتاب‌دهنده با آهنرباهای بسیار قوی کار می‌کنند و به ذرات سرعتی برابر ۹۹.۹۹درصد سرعت نور می‌دهد. این آهنرباها از نوع ابر رسانا هستند و صدها تن وزن دارند. در ساخت تونل شتاب‌دهنده «سِرن» در مرز سوییس و فرانسه از ۹۶۰۰ قطعه از این آهنرباها استفاده شده است.

برای سرد کردن آهنرباها دمای آن‌ها را به ۲۷۱/۲۵ درجه سلسیوس زیر صفر می‌رسانند که حتی از دمای خلا بیرون از جو زمین هم سردتر است. جالب است بدانید مسیر تونل شتابدهنده‌ها کاملا خالی است یعنی عاری از هر گونه مولکول اضافه؛ به این خاطر که اگر حتی یک ذره مزاحم در مسیر باشد می‎تواند جهت حرکت پروتون‎‌ها یا الکترون‎‌ها را عوض کند و نتیجه آزمایش‌‎ها را تغییر دهد.

چرا ذرات را شتاب می‎دهند؟

افزایش در انرژی شتابدهنده امکان می‌دهد که انواع جدیدی از ذرات بنیادی با ‏جرم‌‎های بزرگ‎تر بدست بیایند. در ‏انرژی‌های پایین‎، این نوع ذرات از نظر ‏قوانین بقای انرژی و اندازه حرکت نمی‌توانند تشکیل شوند.‏

اما وقتی از دستگاه‌های شتابدهنده استفاده شود این امکان وجود دارد که ذرات زیر اتمی یعنی الکترون و پروتون‌‎ها را تا مرز سرعت نور شتاب بدهیم و سطح انرژی آن‎‌ها را از حالت عادی تا چند میلیون برابر افزایش دهیم. با این روش می‎شود اطلاعات تازه‌‎ای از رفتار آن‌ها به دست آورد و پازل ذرات بنیادین را کامل و کامل‎‌تر کرد.

مدل استاندارد شامل ۶۱ ذره‌ بنیادی است و ذره‌ هیگز، سال‌ها عنصر گم‌شده‌ این مدل بود که بالاخره در سال ۲۰۱۲ پیدا شد. این مدل ترکیبی از دو نظریه مهم دنیای فیزیک است یکی نظریه نسبیت اینشتین و دیگری نظریه کوانتوم. این نظریات با سه تا از چهار نیروی اساسی جهان یعنی نیروی الکترومغناطیسی، نیروی قوی هسته‌‎ای و نیروی ضعیف هسته‎‌ای سروکار دارند.

بررسی ذرات مختلف مدل استاندارد در دل شتابدهنده‎‌ها و کشف رفتارهای‌شان کمک می‎‌کند تا ببینیم کیهان چه طور شکل گرفته ‎است؟ زیرا همین ذرات بودند که ساختارهای مختلف کیهانی را شکل دادند و به مرور آنچه امروز از عالم می‎شناسیم را پدید آوردند.

شتاب دادن ذراتی که می‎‌شناسیم و برخورد دادن‎شان با یگدیگر گاهی ذرات تازه‌‎ای را به وجود می‌‎آورند که پیش‌تر نمی‎‌شناختیم؛ اما کار فیزیک‎دان‎‌های ذرات این است که بر اساس خواص و ویژگی‎‌هایی که ذره‎‌ها دارند بتوانند آن‌ها را پیش‌‎بینی کنند و به این ترتیب تکه‎‌های ناشناخته پازل را کامل کنند.

بنابراین باید آنچه در دل شتابدهنده ها رخ می‎‌دهد برای فیزیک‎دان ها قابل مشاهده باشد اما چه‌‎طور؟

از آن جایی که ذراتی در حد و اندازه پروتون‎‌ها و الکترون‎‌ها بسیار کوچک هستند و نمی‎‌توان آن‌ها را دید، باید حسگرها و شناساگرهایی در مسیر شتاب‌دهی و برخوردشان وجود داشته باشد تا بتوان رفتارشان را زیر نظر گرفت.

LHC و تمام آزمایشگاه‎‌های آن دارای ۱۵۰میلیون حسگر و شناساگر هستند. اطلاعاتی که این حسگر‌ها در هر ثانیه به کامپیوتر‌ها و مراکز پردازش اطلاعات می‌فرستند ۷۰۰مگابایت است! این به این معنی است که اگر LHC بی وقفه در یک سال کار کند ۱۵میلیون گیگابایت اطلاعات از آزمایش‎‌های آن جمع آوری می‌شود.

این حجم اطلاعات شگفت انگیز است و البته پردازش وقت‎گیر و طاقت‎ فرسایی را هم می‌‎طلبد.رایانه‌‎ای که بتواند این حجم از اطلاعات را پردازش کند باید بسیار عظیم و گران‎ قیمت باشد برای همین دانشمندان به جای آن که از اَبَر رایانه‌‎ها استفاده کنند از روش پردازش موازی یا Parallel Computing کمک می‌‎گیرند.

در این روش اطلاعات به جای پردازش در داخل مرکز به چندین کامپیوتر در نقاط مختلف فرستاده می‌شود و هر کامپیوتری قسمتی کوچک از پردازش را انجام می‌دهد ولی در عوض مجموع این پردازش‌ها، انبوهی از اطلاعات پردازش شده و آماده مطالعه می‌شود.

تعدادی از این رایانه‌‎ها در سرن قرار دارد و بقیه آن‌ها در کشورهای مختلفی از جمله کانادا، فرانسه، آلمان، ایتالیا، اسپانیا، سوئیس، تایوان، هلند، انگلستان، آمریکا و یکی از کشور‌های اسکاندیناوی. رایانه‎‌های بسیاری از دانشگاه‎‌ها و مراکز علمی هم برای تحلیل داده‎‌های به دست آمده در این مجموعه همکاری دارند و بعد از پایان بررسی‌‎ها نتایج را برای سیستم‎‌های اصلی سرن می‌فرستند.

شتابدهنده‌‎ها قرار است چه معماهایی را حل کنند؟

شاید از خودتان بپرسید اصلا چرا باید ذرات خیلی کوچک درون اتم‎‌ها را با هم برخورد بدهیم تا ببینیم چه اتفاقی می‌‎افتد؟ یا به این فکر کنید که تکمیل شدن جدول ذرات بنیادین در فیزیک چه تفاوتی در زندگی ما ایجاد می‎کند یا اصلا چرا این همه برایش هزینه می‎‌شود؟

واقعیت این است که این آزمایشگاه‌‎های شتابدهنده عظیم و گران‎‌قیمت نظیر «سرن» و «فرمی»  فقط قرار نیست به پرسش‌‎های حوزه فیزیک ذرات پاسخ بدهند بلکه با هدف کشف رازهای هستی طراحی و ساخته شده است. بیایید با هم ببینیم که شتابدهنده‌‎ها و به طور خاص سرن که بزرگترین آزمایشگاه دست ساخته بشر روی زمین است برای چه هدف‎‌هایی طراحی شده‌‎اند؟

مواد چطور دارای جرم می شوند؟

پس از کشف ذره‌ هیگز در سال ۲۰۱۲ و طی تحقیقات و آزمایش‌های مختلف سرن یکی دیگر از سوالات بنیادین بشر پاسخ داده شد. این که چرا مواد دارای جرم هستند و در اثر چه فرایندی در اولین لحظات شکل گیری عالم ماده جرم دار به وجود آمده است؟ «بوزون هیگز» در پاسخ گویی به موجودیت دنیا و وجود ماده ای که جرم دارد، آن قدر حائز اهمیت بود که دو دانشمندی که در کشف این ذره مهم نقش داشتند، برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.

The Large Hadron Collider | CERN

به دنبال پاسخ برای معمای «پاد ماده»
یکی دیگر از اهداف سرن پیدا کردن پاسخی برای معمای «پاد ماده» است. سوالی که مدت هاست ذهن دانشمندان را درگیر کرده و همچنان حل نشده باقی مانده است.

این که شواهد نشان می دهد میزان ماده و پاد ماده موجود در عالم تقریبا با هم برابر است و این به معنای آن است که نباید جهان به شکل پایدار امروز وجود داشته باشد چرا که ماده و پاد ماده با مقدار حدودی مساوی، باعث خنثی شدن یکدیگر و در نهایت نابودی هم می شوند. همه این آزمایش‌ ها نیازمند نیروی بسیار عظیمی خواهد بود.

تکلیف ماده تاریک باید روشن شود
«فابیولا جیانوتی» مدیر کل سرن، در مصاحبه‌‎ها وقتی از او درباره مهم‌‎ترین هدف سرن می‌‎پرسند این‎طور پاسخ می‎‌دهد: «هدف ما شناخت سمت تاریک جهان هستی و عناصر سازنده آن است. در حقیقت وقتی به ستاره‎‌ها، سیاره‌‎ها و کهکشان نگاه می‎‌کنیم، تنها ۵ درصد آن ها برای ما قابل مشاهده است. ۹۵ درصد دیگر برای‎مان نامرئی است و از ماده و انرژی تاریک تشکیل شده است، ناشناخته بودن آن سوال بزرگی است. دلیل این که نامش را ماده تاریک گذاشته‎‌ایم اشاره به نادانی ما در شناخت آن دارد و البته دلیل دیگر این است که با ابزارهای ما قابل ردیابی نیستند. ما وجود آن‌ها را با شواهد غیر مستقیم مانند آثار جاذبه اثبات می کنیم.»

How is the HET uniquely capable of studying dark matter and dark energy? - Ask an Astronomer

در واقع ماده تاریک و پرده‌‎برداری از اسرارش هدف مهمی است که دانشمندان سرن مدت‌‎هاست درباره‌‎اش تحقیق می‎‌کنند.

کیهان چه‌‎طور پدید آمده است؟
و در نهایت یکی از آرزوهای در حال تحقق بشر این است که بتواند شرایط لحظه پیدایش عالم را شبیه‌سازی کند. با بازسازی این شرایط می‎‌توانیم بالاخره بفهمیم که در ۱۳.۸ میلیارد سال قبل چطور عالم به وجود آمده و چه ویژگی‌‎هایی داشته است.

What Really Put The 'Bang' In The Big Bang? | by Ethan Siegel | Starts With A Bang! | Medium

بازسازی شرایط بیگ بنگ البته از آن ماجراهایی است که منتقدان و دلواپسان زیادی دارد. عده ای تصور می‌‎کنند که قرار است دانشمندان در سرن یک کلید را فشار دهند و یک مهبانگ (انفجار بزرگ) دیگر به وجود آورند که جهان را تهدید خواهد کرد بهتر است تصورات منفی را از خود دور کنند.

«پروفسور چارلتون»، استاد دانشگاه بیرمنگام می گوید: یکی از قوانین پایه‌‌ای در فیزیک این است که شما فراتر از آن چه به عنوان انرژی به سامانه وارد می‌کنید، انرژی دریافت نخواهید کرد. ما قادر به خلق دنیای جدید یا انفجارهایی در حد بیگ ‌بنگ نخواهیم بود. چگالی و تراکم انرژی شبیه‎‌سازی شده به آن چه در ایجاد جهان اولیه وجود داشته شبیه خواهد بود، اما ما آن حجم انرژی که در بیگ‎ بنگ اولیه وجود داشته را وارد دستگاه نمی‌کنیم.

ویجیاتو

نظرات ۰

وارد شوید

برای گفتگو با کاربران، وارد حساب کاربری خود شوید.

ورود

Digiato

رمزتان را گم کرده‌اید؟

Digiato