ابرتصادم گر هادرونی

هرچقدر كه طبیعت را با كاونده های انرژی زیاد بررسی می كنیم, در مقیاس های كوچكتر ساختار ماده تحقیق می كنیم آزمایش هایی كه در شتاب دهنده های كنونی انجام می شود, ماده را تا یك میلیاردیم یك میلیاردیم متر m ۱۸ ۱۰ مورد بررسی قرار داده است

ابرتصادم گر هادرون یك شتاب دهنده ذرات با انرژی و پیچیدگی بی نظیر و بی سابقه است كه نتیجه آن همكاری و مشاركت جهانی برای آشكارسازی بخش جدید پنهانی از حقیقت است.

وقتی دو پروتون كه با سرعت ۹۹۹۹۹۹/۹۹ درصد سرعت نور در حركت اند، با هم برخورد سر به سر دارند، انفجار زیراتمی حاصل به طور طبیعی ۱۴ تریلیون الكترولت (TeV) انرژی فراهم می كند. این انرژی كه برابر با ۱۴ هزار برابر انرژی ذخیره شده در جرم در حال سكون پروتون است میان ذرات كوچك تری كه پروتون را تشكیل می دهند (كوارك ها و گلوئون ها كه آنها را به هم متصل می كند) به اشتراك گذاشته می شود.

در اكثر برخوردهایی كه كوارك ها و گلوئون های مستقل تنها برخورد مماسی دارند، انرژی به هدر می رود و ذرات آشنایی كه توسط فیزیكدانان از مدت ها پیش طبقه بندی و شناخته شده اند، آزاد می شوند.

اما بعضی اوقات، دو كوارك با هم برخورد سر به سر دارند كه انرژی آن TeV ۲ یا بیشتر است.

فیزیكدانان معتقدند كه طبیعت حقه های جدیدی در آستین خود دارد كه باید در آن برخوردها برملا شوند، شاید یك ذره ناشناخته (مرموز) كه به بوزون هیگز معروف است، شواهد یك اثر معجزه آسا را كه ابرتقارن نامیده می شود یا شاید پدیده ای غیرقابل انتظار، فیزیك ذرات بنیادی را متحول سازد.

آخرین باری كه چنین برخوردهای شدید از كوارك ها به تعداد بسیار زیادی اتفاق افتاد، میلیارد ها سال پیش در اولین پیكو ثانیه های بعد از انفجار بزرگ بود. چنین برخوردهایی مجدداً در سال ،۲۰۰۷ در یك تونل زیرزمینی گرد، در حومه شهر ژنو و در نزدیكی مرز سوئیس فرانسه روی می دهد. تا آن هنگام هزاران دانشمند و مهندس از ده ها كشور انتظار اتمام ساختن آشكارسازهای بزرگ برای ابرتصادم گر هادرون (LHC) و شروع آزمایش ها را دارند.

این پروژه وسیع و از نظر فناوری دشوار، كه به وسیله سرن ، (آزمایشگاه اروپایی فیزیك ذرات) سازمان دهی می شود و عمده مسئولیت ساخت شتاب دهنده را به عهده دارد، هم اكنون در دست اجرا است. LHC انرژی ای در حدود ۷ برابر انرژی تصادم گر تواترون كه در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی در باتاویای آمریكا قرار دارد، فراهم می كند. كوارك بالا (Top) كه مدت ها در جست و جویش بودند در آزمایش های سال های ۱۹۹۲ تا ۱۹۹۵ در تواترون كشف شد. LHC به انرژی بی سابقه خود دست خواهد یافت. به رغم این كه داخل محدوده تونل ۲۷ كیلومتری موجود ساخته شده است. آن تونل محل استقرار تصادم گر الكترون _ پوزیترون بزرگ سرن (LEP) بود كه در سال های ۱۹۸۹ تا ۲۰۰۰ كار می كرد و از آن برای انجام دادن آزمایش های دقیق نظریه ذرات بنیادی در انرژی حدود یك درصد انرژی LHC استفاده می شد. با استفاده از تونل LEP ، LHC از مشكلات و هزینه بالای ساخت و نصب یك تونل جدید و بزرگ تر و ساخت ۴ شتاب دهنده تزریقی كوچك تر و تسهیلات وابسته رهایی می یابد. ولی خم كردن مسیر باریكه های پروتونTeV ۷- كه دور تونل قدیمی در حال حركت هستند، به میدان مغناطیسی قوی تری نسبت به آن هایی كه شتاب دهنده های پیشین استفاده می كردند، احتیاج دارد.

آن میدان ها به وسیله ۲۳۲/۱ مغناطیس ۱۵متری كه دور ۸۵ درصد محیط تونل نصب شده اند ایجاد خواهد شد. آهن رباها به وسیله كابل های ابررسانا كه حامل جریان ۱۲ هزار آمپر هستند تغذیه و به وسیله هلیوم ابرشاره تا دمای c ْ۲۷۱_ یعنی ْ ۲ بالای صفر مطلق خشك می شوند.

برای انجام آزمایش های فیزیكی سودمند، به چیزهایی بیشتر از پروتون های پرانرژی احتیاج داریم. آن چیزی كه باید در نظر گرفت انرژی برخوردهای بین كوارك ها و گلوئون های تشكیل دهنده پروتون است. LHC، باریكه های پروتون را با شدت بی نظیر و بی سابقه برخورد می دهد تا تعداد برخوردهای نادر و كمیاب بین كوارك ها و گلوئون را كه دارای انرژی زیادی است، افزایش دهد.

شدت (intensity) یا پرتوافكنیluminosity) ) LHC، ۱۰۰ برابر تصادم گرهای گذشته و ۱۰ برابر، ابرتصادم گر ابررسانا(SSC) خواهد بود. SSC می توانست یك رقیب پا به پا برای LHC باشد كه باریكه های پروتون Tev ۲۰ را در تونل با محیط ۸۷ كیلومتر دور واكساهاچی تگزاس می گرداند.

شدت بالاتر LHC، تقریباً انرژی پایین تر باریكه را جبران می كند ولی انجام آزمایش ها را مشكل تر می كند. به علاوه ، چنین شدت های بالایی می تواند مشكلاتی مثل آشفتگی و اغتشاش در مدار باریكه را برانگیزد كه برای پایدار و متمركز نگه داشتن باریكه، باید بر آنها غلبه كرد. در چهار منطقه از حلقه LHC، یك میلیارد برخورد در هر ثانیه اتفاق خواهد افتاد كه هر كدام ۱۰۰ ذره ثانویه ایجاد می كنند. آشكارسازهای عظیم (بزرگ ترین آنها به ارتفاع یك ساختمان ۶ طبقه است) كه از هزاران جزء پیچیده تشكیل شده اند، این آثار را مسیریابی و ردیابی می كنند. الگوریتم های پیچیده كامپیوتری باید این بهمن اطلاعات را به طور آنی (شاید ۱۰ تا ۱۰۰ ثانیه) به دقت بررسی كنند تا تصمیم بگیرند كه كدام مورد ارزش ثبت شدن را برای آنالیز كامل بعدی دارد.

● پرسش های بی پاسخ

هرچقدر كه طبیعت را با كاونده های انرژی زیاد بررسی می كنیم، در مقیاس های كوچكتر ساختار ماده تحقیق می كنیم. آزمایش هایی كه در شتاب دهنده های كنونی انجام می شود، ماده را تا یك میلیاردیم یك میلیاردیم متر ( m ۱۸-۱۰) مورد بررسی قرار داده است. پرتابه های LHC، حتی عمیق تر از این مقدار (پایین تر از m ۱۹-۱۰) به درون قلب ماده نفوذ خواهد كرد. این به تنهایی كافی خواهد بود تا اشتیاق و رغبت علمی را برانگیزاند ولی این مسابقه جدید قلمرو جدیدی را می گشاید كه جواب به این سئوالات بزرگ در این قلمرو جدید قرار می گیرد. در ۳۵ سال گذشته، فیزیكدانان ذرات، یك تصویر نسبتاً متحد یا به هم پیوسته را ارائه كرده اند (مدل استاندارد) كه ساختار ماده را تا ۱۸-۱۰ متر با موفقیت توصیف می كند. مدل استاندارد (قاب صفحه۱۵ را ببینید) تمامی اجزاء ماده و سه نیرو از چهار نیرو را كه رفتارشان را كنترل می كند، به طور مختصر و مفید توصیف می كند. اجزای ماده ۶ ذره به نام لپتون ها و ۶ ذره به نام كوارك ها است. یكی از نیروها، كه به نام نیروی قوی معروف است بر كوارك ها عمل می كند و آنها را به هم پیوند می دهد تا صدها ذره به نام هادرون را تشكیل دهند. پروتون و نوترون، هادرون هستند و اثر باقی مانده نیروی قوی آنها را به هم پیوند می دهد تا هسته اتم ساخته شود. دو نیروی دیگر نیروی الكترومغناطیسی و نیروی ضعیف نام دارند كه در برد كوتاهی عمل می كنند ولی عامل واپاشی رادیواكتیو بتا هستند و برای تامین انرژی خورشید ضروری اند.

مدل استاندارد با ظرافت، یكی شدن و متحد شدن این دو نیرو را به نیروی الكتروضعیف شرح می دهد و با وجود ظاهر متفاوتشان، خواص شان را به هم مربوط می كند. بیش از ۲۰ فیزیكدان به خاطر كارشان كه به مدل استاندارد منجر شد جایزه نوبل گرفتند. از تئوری الكترودینامیك كوانتومی (جایزه ۱۹۶۵) تا كشف نوترینو و ذره تاو (۱۹۹۵) و كار نظری آقایان گرادوس هوفت (Geradus,t Hooft) و مارتینوس ج.گ. ولتمن (Martinus J.G. Veltman) هنگامی كه در دانشگاه اوترشت (Utrecht) (سال ۱۹۹۹) بودند. اما با وجود این كه مدل استاندارد یك پیشرفت علمی بزرگ است و به وسیله تعداد زیادی آزمایش دقیق تائید شده، چند ایراد جدی دارد.

اول این كه این مدل به صورت سازگار، تئوری آلبرت اینشتین درباره خواص فضا، زمان و بر همكنش آن با ماده را شامل نمی شود. این تئوری (نسبیت عام)، توصیف زیبایی از نیروی چهارم یعنی گرانش است كه به وسیله آزمایش هم تائید شده است. مشكل اینجا است كه مدل استاندارد برخلاف نسبیت عام، یك تئوری كاملاً كوانتوم مكانیكی است و بنابراین پیش بینی هایش در مقیاس های خیلی كوچك (خیلی دورتر از ناحیه ای كه آزمایش شده است) نقض می شود. غیبت توصیف كوانتوم مكانیكی گرانش، مدل استاندارد را از لحاظ منطقی ناقص می كند.

دوم این كه مدل استاندارد با وجود این كه محدوده وسیعی از اطلاعات را با معادلات ساده اساسی توصیف می كند، آشكارا حاوی چند مقدار دلخواه است.

به عنوان مثال این مدل نشان نمی دهد كه چرا شش كوارك و شش لپتون داریم و نه چهار تا و یا توضیح نمی دهد كه چرا تعداد كوارك ها و لپتون ها با هم برابر است. آیا این اتفاق كاملاً تصادفی است؟ به طور نظری می توانیم تئوری هایی بسازیم كه دلیل ارتباط قوی بین كوارك ها و لپتون ها را برای ما توضیح دهد ولی نمی دانیم كه آیا این تئوری ها درست هستند یا نه؟

سوم این كه مدل استاندارد یك جزء تمام نشده و آزمایش نشده دارد. این یك جزء كوچك نیست بلكه یك جزء (مولفه) مركزی است. همان مكانیسمی كه جرم مشاهده شده ذرات را تولید كند. جرم ذرات خیلی خیلی مهم است. (به عنوان مثال تغییر دادن جرم الكترون تمام شیمی را تغییر می دهد و جرم های نوترینوها انبساط جهان را تحت تاثیر قرار می دهد.) جرم نوترینو نهایتاً چند میلیونیم جرم الكترون است ولی آزمایش های اخیر نشان داده كه جرم آن صفر نیست. دانشمندانی كه دو آزمایش پیشگام را سرپرستی كردند و به این كشف دست یافتند جایزه نوبل فیزیك ۲۰۰۲ را از آن خود ساختند.

● مكانیسم هیگز

فیزیكدانان بر این باورند كه ذرات در برهمكنش هایی با میدانی كه تمامی جهان را اشباع می كند، تولید می شوند؛ هرچه ذره ای با میدان مزبور برهمكنش قوی تری انجام دهد، جرمش بیشتر است. (تصویر صفحه۱۶ را ببینید) در هر حال سرشت این میدان ناشناخته باقی می ماند. ماهیت این میدان می تواند میدان بنیادی جدیدی باشد، كه به افتخار فیزیكدان بریتانیایی پیتر هیگز میدان هیگز نامیده می شود. شق دیگر آن است كه موجودی مركب باشد كه از ذرات جدیدی (به نام تكنیكوارك) تشكیل شده باشد كه به وسیله نیروی جدیدی (موسوم به تكنیكالر) به یكدیگر قویاً پیوند دارند. حتی اگر میدان یك میدان بنیادی باشد، باز هم سئوالات گوناگونی درباره میدان هیگز وجود دارد: چه تعداد میدان هیگز وجود دارد و ویژگی های دقیق آنها چیست؟ لیكن در هر حال ما با اطمینان تقریباً ریاضی می دانیم كه هر مكانیسمی كه عامل این امر باشد، باید پدیده های جدیدی در محدوده انرژی LHC مانند ذرات مشاهده پذیر هیگز یا تكنوذره ها را به وجود آورد. بنابراین هدف اصلی طراحی LHC كشف این پدیده ها و معین كردن مكانیسم جرم زایی مزبور است. آزمایش های LHC همچنین به پدیده های نوین دیگری حساس خواهند بود كه می توانند موید نظریه هایی باشند كه مدل استاندارد را بسط داده یا كامل می كنند.

برای مثال گمان بسیار می رود تئوری كامل تر باید شامل ابرتقارن باشد.

ابرتقارن شبكه روابط مابین نیروها و ذرات بنیادی را بسیار زیاد می كند. ابرتقارن موضعی خواه ناخواه گرانشی را نیز دربرخواهد داشت. برعكس تنها نظریه شناخته شده (تئوری ریسمان) كه می تواند با موفقیت نسبیت عام را با مكانیك كوانتومی تلفیق كند، نیازمند ابرتقارن است. اگر ابرتقارن درست باشد، فیزیكدان ها دلیل بسیار مناسبی در اختیار دارند مبنی بر اینكه LHC می تواند ذرات جدیدی را كه پیش بینی كرده است، بیابد. این آزمایش ها می توانند پدیده های نوینی در ورای دامنه ای كه قبلاً توسط LEP كاوش شده بود، بیابند. لیكن حتی اگر آنها LHC را بسازند تنها قله كوه یخ دیگری را آشكار خواهند كرد و LHC همان جایی است كه فیزیكدان ها بررسی های گسترده فرآیندهای نوین را انجام می دهند.

اگر تواترون این پدیده های جدید را مشاهده نكند، در آن صورت LHC طعمه را صید خواهد كرد. توان كاوشگری LHC دربرگیرنده توان LEP و تواترون است و هیچ گونه شكافی باقی نمی گذارد كه پدیده های فیزیكی جدید در آن پنهان بماند. علاوه بر این اندازه گیری های با دقت زیاد كه در دهه گذشته در LEP مركز شتاب دهنده خطی استانفورد و آزمایشگاه فرمی انجام گرفته اند، اساساً این نگرانی را كه بوزون هیگز ممكن است بیرون از دسترس محدوده انرژی LHC باشد، برطرف ساخته است. اكنون روشن است كه بوزون هیگز و یا پدیده های فیزیكی جدید دیگری كه وابسته به تولید جرم باشند در LHC یافت خواهند شد.

Scientific American,Jul.۲۰۰۰

كریس للولین اسمیت

ترجمه: مهسا وهابی- محمدرضا مولایی

---