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 ...
در دیجیاتو ثبت‌نام کنید
جهت بهره‌مندی و دسترسی به امکانات ویژه و بخش‌های مختلف در دیجیاتو عضو ویژه دیجیاتو شوید.
عضویت در دیجیاتوتازههای تکنولوژی
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.
شتابدهنده با آهنرباهای بسیار قوی کار می‌کنند و به ذرات سرعتی برابر 99.99درصد 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 9600 قطعه از این آهنرباها استفاده شده است.
برای سرد کردن آهنرباها دمای آنها را به 271/25 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 2012 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 150میلیون حسگر و شناساگر هستند. اطلاعاتی که این حسگرها در هر ثانیه به کامپیوتر‌ها و مراکز پردازش اطلاعات می‌فرستند 700مگابایت است! این به این معنی است که اگر LHC بی وقفه در یک سال کار کند 15میلیون 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 2012 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.
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 5 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.»
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 13.8 میلیارد سال قبل چطور عالم به وجود آمده و چه ویژگیهایی داشته است.
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.
برای گفتگو با کاربران ثبت نام کنید یا وارد حساب کاربری خود شوید.