هیچ رازی مخفی نمی ماند حتی رازهای طبیعت

اهمیت و دستاوردهای فیزیک ذرات بنیادی

موضوع اصلی رشته فیزیک ذرات، شناسایی و بررسی خواص و ویژگی‌های ذرات تشکیل‌دهنده مواد و انواع برهمکنش بین آنهاست. در قرن نوزدهم، نیروی الکترومغناطیس و برهمکنش بین ذرات باردار شناخته شد. به این ترتیب مشخص شد که نیروهای الکتریسته و مغناطیس از یک نوع و در نتیجه قابل تبدیل به هم هستند. در ابتدای قرن بیستم، فیزیک جهش‌های بزرگی داشت و فیزیک کوآنتوم توانست قواعد مربوط به رفتار ذرات بسیار کوچک را کشف کند. لازم به ذکر است که بسیاری از خواص ذرات ریز سازنده اتم‌ها و نوع رفتار آنها با خواص و رفتار مواد بزرگ متفاوت است و از قوانین دیگری پیروی می‌کند که در فیزیک کوآنتوم بررسی می‌شود. با گذشت زمان، قوانین حاکم بر رفتار ذرات تشکیل‌دهنده اتم‌ها شناخته شد. بعدها نیز با گسترش علم فیزیک، دانشمندان به وجود نیروهای دیگری پی‌بردند که درون هسته اتم‌ها وجود دارد. یکی از نقش‌های مهم نیروی الکترومغناطیس این است که الکترون‌ها را در مدارهایی به دور هسته اتم نگه‌می‌دارد، ولی بعدها که علم پیشرفت کرد، دانشمندان توانستند با به‌کارگیری ابزارهای پیشرفته‌تر دریابند که درون هسته اتم نیز نیروهای دیگری وجود دارد که ذرات درون هسته اتم را به هم متصل نگه می‌دارد. این نیروها به دو دسته نیرهای هسته‌ای قوی و ضعیف تقسیم می‌شوند. پس با این توضیحات دریافتیم که سه نیروی مهم وجود دارد که عامل برهمکنش بین ذرات تشکیل‌دهنده مواد است. پس هدف اصلی علم فیزیک ذرات بنیادی این است که کوچک‌ترین ذرات سازنده اجسام (که خودشان را نمی‌توان به ذرت دیگری تقسیم کرد)، شناسایی و انواع برهمکنش بین آنها را بررسی کند.

با گسترش علم فیزیک مشخص شد هسته اتم‌ها از پروتون و نوترون تشکیل شده است و البته خود این ذرات، ذرات بنیادی نیستند به این معنی که خودشان نیز از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده‌‌اند. این ذرات کوآرک نام دارند و تاریخ کشف آنها بسیار طولانی و مفصل است. البته خود کوآرک‌ها به دسته‌های مختلفی مانند سبک و سنگین تقسیم می‌شوند. کوآرک‌های سبک ذراتی هستند که در ساخت پروتون و نوترون نقش دارند. البته می‌دانیم که کوآرک‌های سنگین‌تری هم هستند که در طبیعت نمی‌توانند به حالت آزاد وجود داشته باشند. یعنی حتما این ذرات باید در کنار هم قرار گیرند تا بتوانند یک پروتون یا یک نوترون را پدید آورند. البته کوآرک‌های سنگین‌تری هم هستند که چون انرژی بیشتری دارند، در ذرات موجود در طبیعت دیده نمی‌شوند. مانند کوآرک تاپ و کوآرک باتم که کوآرک تاپ، یکی از موضوع‌های تحقیق آقای «رضا گلدوزیان» بود. این کوآرک در حالت عادی در هسته وجود ندارد، ولی وقتی که در آزمایشگاه کار می‌کنیم، می‌توانیم این ذره را مشاهده کنیم. این ذره، سنگین‌ترین ذره‌ای است که ما می‌شناسیم.

برای شناسایی و بررسی بهتر خواص این ذرات و چگونگی رفتار آنها در وضعیت‌های مختلف باید آنقدر انرژی داشته باشیم که هسته و پروتون‌ها را بشکافیم تا بتوانیم به آن ذرات ریزتر سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها دسترسی داشته باشیم. در آزمایشگاه برای آنکه بتوانیم ذرات بنیادی سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها را بررسی کنیم، باید انرژی بسیار زیادی به این ذرات دهیم تا به سرعت‌های بسیار زیادی برسند، سپس این ذرات را به صورت روبه‌رو با هم برخورد می‌دهیم تا با انرژی بسیار زیاد با هم برخورد کنند و برهمکنش‌هایی بین آنها انجام می‌شود. اگر پروتون‌ها و نوترون‌ها دارای ساختار داخلی نبودند، یعنی خودشان از ذرات دیگری تشکیل نشده بودند، برهمکنش‌های آنها از نوع خاصی بود، اما وقتی که رفتار جدید و برهمکنش‌های دیگری بین آنها می‌بینیم به این نتیجه می‌رسیم که خودشان از اجزای دیگری تشکیل شده‌اند. هنگام برخورد ذرات پروتون، کوآرک‌ها با هم برهمکنش می‌کنند و ممکن است ذرات دیگری پدید‌ آید. برای آنکه بتوان به ساختار داخلی ذرات پی برد لازم است که از شتاب‌دهنده‌هایی استفاده کنیم. شتاب‌دهنده‌ها دستگاه‌هایی هستند که بتوانند به این ذرات شتاب دهند و آنها را به سرعت‌های بسیار زیاد برسانند.

برخورددهنده‌ها یا کولایدرها نیز از جمله دیگر ابزارهای لازم هستند. کار این دستگاه نیز این است که ذراتی را که شتاب گرفتند و به سرعت‌های زیاد رسیدند، با یکدیگر برخورد دهد. این دستگاه‌ها باید دقت و همچنین توان بسیار بالایی داشته باشند. در اثر این برخوردها، ذرات تازه‌ای پدید می‌آید که باید آنها را آشکار کرد تا امکان بررسی خواص آنها فراهم آید. بنابراین در محل برخورد باید آشکارسازها یا دتکتورهایی قرار دهیم که این ذرات را تشخیص دهد. برای توضیح بهتر شاید بتوان گفت که آشکارساز همانند یک دوربین عکاسی عمل می‌کند به این معنی که زمانی که برخوردی صورت می‌گیرد، آشکارساز عکسی از محصولات تهیه و ذخیره می‌کند تا بتوان آنها را بعدها مطالعه و بررسی کرد و دریافت این ذرات از چه جنس و نوعی بودند و چه خواصی داشتند. یکی از مهم‌ترین آشکارسازهایی که در سرن وجود دارد، «سی‌ام‌اس» است و جالب آنکه بدانیم ایران نیز در ساخت و بهره‌برداری از آن نیز نقش داشته است. کار اصلی آشکارساز «سی‌ام‌اس» این است که پس از برخورد پروتون‌ها به یکدیگر، عکسی از محصولات این فرآیند تهیه و ذخیره می‌کند تا در آینده بتوان آنها را با دقت بررسی کرد. البته باید تاکید کرد که ما برای درک بهتر ماجرا، آشکارساز را به یک دوربین عکاسی تشبیه کردیم، اما واقعیت این است که این آشکارساز، حدود ۱۲هزار تن وزن دارد و می‌تواند با دقت بسیار زیادی از همه پدیده‌هایی که در هنگام برخوردها روی می‌دهد، اطلاعات جمع‌آوری کند.

دانشمندان شاغل در سرن، همه اطلاعات جمع‌آوری‌شده در این آشکارسازها را بررسی کردند و از روی آن یک مدل استاندارد ساختند یعنی یک فرمول‌بندی کامل از همه چیزهایی که درباره ذرات بنیادی می‌دانیم، تهیه کردند. با توجه به خواص این ذرات و انواع برهمکنش‌های بین آنها و قواعد حاکم بر رفتار آنها، مدلی ارایه شد که مدل استاندارد ذرات بنیادی نام گرفت. برای آنکه این مدل از هر لحاظ کامل باشد، به وجود ذره‌ای به‌نام ذره هیگز نیاز بود. این ذره خواص بسیار مهمی دارد از جمله اینکه عامل جرم‌دارشدن ذرات دیگر است. البته آقایان «هیگز» و «انگلرت» پس از پژوهش‌های بسیار وجود چنین ذره‌ای را پیشنهاد کردند. اما نکته بسیار مهم این بود که به‌رغم اهمیت این ذره، در آزمایشگاه و به شکل عملی مشاهده نشده بود، به‌همین دلیل شتاب‌د‌هنده‌های بزرگ‌تر، برخورددهنده‌های بهتر و آشکارسازهای دقیق‌تری ساختند. دانشمندان از ابتدای دهه ۱۹۸۰ به دنبال آن بودند که چنین ذره‌ای را در آزمایشگاه مشاهده کنند. سرن نیز از سال ۲۰۰۰ ساخت ابزار تازه‌ای به‌نام ال‌اچ‌سی را آغاز کرد که به معنای برخورددهنده بزرگ هادرونی است و می‌تواند پروتون‌ها را به سرعت‌هایی نزدیک سرعت نور برساند و آنها را به هم برخورد دهد. این پروتون‌ها در هر ثانیه، چندمیلیون‌بار به هم برخورد می‌کنند و این آشکارسازها هم در هر ثانیه چندمیلیون بار از آنها عکس می‌گیرد. دانشمندان با بررسی مقدار بسیار زیادی از این اطلاعات درنهایت توانستند به شواهد تجربی لازم برای تایید تجربی این ذره دست یابند که درنهایت نیز جایزه نوبل فیزیک را برای ارایه‌دهندگان نظریه وجود این ذرات به ارمغان آورد.

حامد بخشیان

پژوهشگر پژوهشگاه دانش‌های بنیادی