برخورد نهایی

آغاز به کار آزمایشگاه زیرزمینی غول آسایی در قلب اروپا, اخبار علمی و حتی تمام خبرهای چند روز اخیر جهان را تحت الشعاع خود قرار داد در واقع دانشمندان و به ویژه فیزیکدانان ۳۰ سال است که چشم انتظار این لحظه بوده اند, چشم انتظار آغاز به کار تاسیسات عظیمی به طول ۲۷ کیلومتر موسوم به برخورد دهنده بزرگ هادرون Large HadronCollider LHC به بیان ساده پرقدرت ترین شتاب دهنده ذره در جهان است

آغاز به کار آزمایشگاه زیرزمینی غول‌آسایی در قلب اروپا، اخبار علمی و حتی تمام خبرهای چند روز اخیر جهان را تحت‌الشعاع خود قرار داد. در واقع دانشمندان و به‌ویژه فیزیکدانان ۳۰ سال است که چشم انتظار این لحظه بوده‌اند، چشم انتظار آغاز به کار تاسیسات عظیمی به طول ۲۷ کیلومتر موسوم به برخورد‌دهنده بزرگ هادرون Large HadronCollider). LHC) به بیان ساده پرقدرت‌ترین شتاب‌دهنده ذره در جهان است. LHC که در مرز میان فرانسه و سوئیس و در آزمایشگاه CERN گسترانده شده به این امید طراحی شده است که به برخی از عمیق‌ترین و اساسی‌ترین پرسش‌ها درباره جهان پاسخ دهد: منشاء ماده چیست؟ چرا ما به جای ماده از ضدماده ساخته نشده‌ایم؟ ماده تاریک از چه ساخته شده است؟ علاوه بر این پرسش‌ها، دانشمندان امید دارند LHC بتواند سرنخ‌هایی از شرایط حاکم بر جهان در آغازین لحظاتش را به نمایش بگذارد.

لحظاتی که در آن، چهار نیروی اساسی طبیعت (نیروی گرانش، نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی الکترومغناطیسی) در قالب یک «ابرنیرو» درهم تنیده بودند. ابرنیرویی که تاکنون هیچ یک از تئوری‌های فیزیک نتوانستند به آن دست یابند، حتی تئوری‌هایی چون نسبیت، کوانتوم و ریسمان. LHC برای پاسخ دادن به این عمیق‌ترین پرسش‌های بشر، باید پروتون‌ها را با سرعتی معادل ۹۹.۹۹۹۹۹۹۱ درصد سرعت نور، در تونل زیرزمینی و دایره شکلی به طول ۲۷ کیلومتر، به حرکت درآورد. پروتون‌ها پس از رسیدن به چنین سرعت سرسام‌آوری، در چهار نقطه از این تونل دایره شکل با یکدیگر برخورد می‌کنند که هر یک از این برخوردها در محاصره انبوهی از تجهیزات آزمایشگاهی خواهند بود. انرژی تولید شده از این برخورد ۱۴ ترا الکترون ولت (TeV، تریلیون الکترون ولت) است که در مقایسه با نزدیک‌ترین همتای LHC یعنی شتاب‌دهنده «تواترون» (Tevatron) در آزمایشگاه فرمی (Fermilab) در ایالات متحده، هفت‌برابر بیشتر خواهد بود. البته این میزان انرژی در مقایسه با انرژی‌هایی که ما در زندگی روزمره‌مان با آنها سر و کار داریم به هیچ‌وجه بزرگ نیست. برای مثال انرژی جنبشی پشه چیزی در حدود یک ترا الکترون ولت است. اما آنچه باعث خاص بودن LHC می‌شود این است که این مقدار انرژی در فضایی متمرکز خواهد شد که یک تریلیون بار کوچک‌تر از یک ذره غبار است.

برخورد‌دهنده بزرگ هادرون جدیدترین نمونه از سنت دیرپایی در ساخت شتاب‌دهنده‌های ذرات است که از سال‌ها پیش توسط فیزیکدانان برای کشف اجزای سازنده ماده و نیروهای موثر میان آنها مورد استفاده قرار می‌گرفت. در واقع نزدیک به صدسال پیش بود که ارنست رادرفورد (E.Rutherford)، فیزیکدان نیوزیلندی با شلیک ذرات آلفا به یک ورق بسیار نازک طلا به منظور آشکار کردن ساختار اتم، این سنت را پایه‌گذاری کرد. بعدها فیزیکدانان در دهه ۱۹۳۰ برای نخستین‌بار از میدان‌های الکترومغناطیسی استفاده کردند تا بتوانند با افزایش سرعت پروتون‌ها در لوله‌های خلاء طویل، به انرژی‌های بالا دست یابند. سپس این پروتون‌ها در انرژی‌های بسیار بالایی با هم برخورد داده می‌شدند تا از ترکیب تکه پاره‌ها و انرژی حاصل از این برخورد، ذرات جدیدی به وجود آیند.

اما آنچه قرار است در LHC رخ دهد با آزمایش‌های انجام شده در دهه ۱۹۳۰ به کلی متفاوت خواهد بود. میزان تمرکز انرژی در LHC به حدی بالا است که برخورد پروتون‌ها در برخورد‌دهنده بزرگ هادرون می‌تواند شرایطی مشابه با آنچه در ۲۵-۱۰ ثانیه پس از انفجار بزرگ وجود داشت، یعنی اندکی پس از آنکه ذرات و نیروهایی که جهان ما را تشکیل می‌دهند، به وجود آمدند را بازسازی کند. با توجه به مقادیر عظیم انرژی موجود در این برخورد‌دهنده، LHC باید بتواند برخی ذرات بسیار سنگین را برای نخستین‌بار در آزمایشگاه به وجود آورد. فیزیکدانان امیدوارند در میان این ذرات سنگین، ذره‌ای موسوم به «بوزون هیگز» (Higgs Boson) نیز وجود داشته باشد، ذره‌ای که تمام ذرات بنیادی دیگر جرم‌شان را از آن به دست می‌آورند. در فیزیک ذرات بنیادی، «بوزون» اسمی عام است که به هر ذره ناشناخته که وجود آن در تئوری ثابت شده باشد، اطلاق می‌شود. در واقع بوزون هیگز که به نام فیزیکدانی که این ذره را پیشنهاد داد نامگذاری شده است، ذره‌ای است که تمام ذرات بنیادی دیگر جرم‌شان را از آن به دست آورده‌اند و به نوعی می‌توان آن را بنیادی‌ترین ذره و منشاء ماده به حساب آورد. فیزیکدانان علاوه بر این ذره به دنبال کشف شواهدی از مفهوم نظری دیگری موسوم به «ابرتقارن» (Supersymmetry) نیز هستند که ممکن است بتواند سرنخ‌هایی از چگونگی چهار نیروی بنیادی طبیعت در نخستین لحظات پیدایش جهان را در اختیارمان قرار دهد. بنا به پیش‌بینی نظریه ابرتقارن، هر ذره‌ای که ما می‌شناسیم یک «همدست ابرمتقارن سنگین» نیز دارد.

در واقع بر اساس این تئوری، سبک‌ترین ذره ابرمتقارن می‌تواند یکی از محتمل‌ترین گزینه‌ها برای «ماده تاریک» باشد، موجودیت ناپیدایی که گمان می‌رود بیش از ۹۵ درصد از جرم جهان را تشکیل داده باشد. با اینکه برخی نظریه‌پردازان و فیزیکدانان نظری، سناریوهای بسیار عجیب و غریب‌تری را در مورد آزمایش‌های LHC، در سر می‌پروانند که ممکن است هرگز رخ ندهند اما دست‌کم ذره «بوزون هیگز» و «تئوری ابرتقارن»، پایه‌های نظری بسیار سفت و محکمی دارند. در واقع تقریبا تمام فیزیکدانان مواجه شدن با این دو موضوع را محتمل‌ترین سناریوهای ممکن در آزمایش‌های LHC می‌دانند. اما به هر حال سناریوهای دیگری مثل به وجود آمدن ابعاد اضافی، سیاهچاله‌های کوچک، نیروهای جدید و ذراتی کوچک‌تر از کوارک‌ها و الکترون‌ها نیز مطرح می‌شود. و شاید عجیب‌تر از همه اینها، آزمایشی برای سفر در زمان نیز از سوی برخی فیزیکدانان پیشنهاد شده است.

اساسا طرح ساخت برخورد‌دهنده بزرگ هادرون نخستین‌بار در سال ۱۹۷۹ مطرح شد. این آزمایشگاه غول‌پیکر که در عمق ۱۰۰ متری زمین قرار دارد، در تونل دایره شکلی برپا شده است که زمانی دستگاه دیگری موسوم به «برخورد‌دهنده بزرگ الکترون پوزیترون» (LEPC) در آن قرار داشت که این دستگاه در سال ۲۰۰۰ برای همیشه خاموش شد. اساس کار LHC به این شکل است که پروتون‌ها پیش از تزریق به تونل برخورد‌دهنده، از زنجیره‌ای از شتاب‌دهنده‌های کوچک‌تر عبور می‌کنند تا به سطوح بسیار بالایی از انرژی برسند. با توجه به اینکه سرعت پروتون‌ها به هنگام ورود به تونل و تقریبا معادل سرعت نور است، این ذرات در هر ثانیه بیش از ۱۱ هزار بار به دور تونل ۲۷ کیلومتری LHC می‌چرخند. سرانجام در چهار نقطه از پیش تعیین شده در تونل، این پروتون‌ها با پروتون‌های دیگری که در جهت مخالف می‌چرخند، شاخ به شاخ خواهند شد.

در اطراف هر یک از این چهار نقطه تلاقی، چهار آشکارساز غول‌پیکر به نام‌های ATLAS، CMS، LHCb و ALICE وجود دارند که وظیفه نشان دادن اتفاقات ناشی از برخوردها به عهده آنها است. ATLAS و CMS به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که برای مشاهده تمام انواع ذرات به وجود آمده در برخوردها می‌توان از آنها استفاده کرد، اما LHCb و ALICE آشکار‌سازهایی تخصصی‌اند که برای مقاصد خاص طراحی شده‌اند.

آشکارساز LHCb به‌گونه‌ای طراحی شده است که بتواند اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق و حساسی از ذراتی موسوم به «مزون بی» (B meson) انجام دهد. در واقع «مزون بی» ذره‌ای است که به اعتقاد فیزیکدانان می‌تواند از تفاوت‌های بسیار موشکافانه میان‌ماده و ضدماده پرده‌بردارد. ذرات «مزون بی» پیش از واپاشی عمر بسیار کوتاهی خواهند داشت که این فرآیند می‌تواند تحت تاثیر عوامل بسیاری از جمله حضور ذره بوزون هیگز، ذرات ابرمتقارن یا حتی برخی پدیده‌های فیزیکی نوین قرار بگیرد که هنوز ناشناخته‌اند.

اما چهارمین آشکارساز یعنی ALICE در مقایسه با سه آشکارساز دیگر ویژگی‌های متفاوت‌تری دارد و تا پیش از نوامبر سال ۲۰۰۹ (دو ماه دیگر)، کارش را آغاز نخواهد کرد.

این آشکارساز زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که برخورد‌دهنده بزرگ هادرون به مدت چند هفته دست از شاخ به شاخ کردن پروتون‌ها برمی‌دارد و جای آنها را به یون‌های عنصر سنگین سرب می‌دهد. برخوردهای جدیدی که این‌بار میان یون‌های سرب رخ می‌دهد چنان دمایی تولید می‌کند که از داغ‌ترین نقطه مرکز خورشید نیز ۱۰۰ هزار بار داغ‌تر خواهد بود، حرارت غیرقابل تصوری - به اعتقاد فیزیکدانان - برای آشکار شدن حالت جدیدی از ماده موسوم به «پلاسمای کوارک-گلوئون» (Quark-Gluon Plasma). در واقع فیزیکدانان امیدوارند با بررسی این حالت جدید از ماده بتوانند چگونگی فرآیندی را دریابند که طی آن کوارک‌ها و گلوئون‌های به وجود آمده از کره آتش ناشی از «انفجار بزرگ» به صورت پروتون‌ها و نوترون‌هایی که امروزه ما می‌بینیم، چگالیده شده‌اند. علاوه بر این چهار آشکارساز بزرگ، تجهیزات آزمایشگاهی کوچکتری موسوم به LHCf و Totem نیز وجود دارند که برای آزمایش تئوری‌های «تابش‌های کیهانی فوق پرانرژی» و اندازه‌گیری ابعاد پروتون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای انجام چنین آزمایش‌های بزرگ و فوق‌العاده حساسی که شاید چند دهه پیش در خیال فیزیکدانان هم نمی‌گنجید، بیش از شش هزار دانشمند در LHC و آشکارسازهای آن مشغول به کار خواهند بود؛ کاری که تاکنون بیش از ۱۰ میلیارد دلار هزینه داشته است.

بسیاری از مردم در مورد آزمایش‌هایی که قرار است از این به بعد در برخورد‌دهنده بزرگ هادرون انجام شود ابراز نگرانی کرده‌اند. نگرانی‌هایی که به طور قطع از عدم‌آگاهی و احاطه کامل به موضوع سرچشمه می‌گیرد. البته این عدم‌آگاهی تنها به مردم عادی مربوط نمی‌شود و در بسیاری از موارد دانشمندان و فیزیکدانان نیز در آن سهیم‌اند. در واقع تاکنون سناریوهای متفاوتی از سوی فیزیکدانان به عنوان پیامدهای احتمالی آزمایش‌های LHC مطرح شده است که شاید جنجالی‌ترین آنها احتمال به وجود آمدن سیاهچاله باشد. برخی از نظریه‌پردازان بر این باورند که در خلال آزمایش‌های LHC ممکن است سیاهچاله‌هایی در ابعاد میکروسکوپی به وجود آیند که می‌توانند با به هم پیوستن و رفته‌رفته بزرگ شدن، در نهایت کره زمین را در کام خود فرو برند. اما دانشمندان CERN احتمال این خطر را نزدیک به صفر ارزیابی کرده‌اند. اگر هم سیاهچاله‌هایی در تونل برخورد‌دهنده بزرگ هادرون به وجود آیند، ظرف مدت ۲۶-۱۰ثانیه بخار و ناپدید می‌شوند. در واقع به ادعای فیزیکدانان CERN، از بین رفتن سیاهچاله‌های احتمالی در چنین زمان بی‌نهایت کوتاهی، بر اساس فرآیندی رخ می‌دهد که نخستین‌بار توسط فیزیکدان برجسته معاصر، استیون هاوکینگ (S.Hawking)، توضیح داده شد.

با این وجود اگر فرض کنیم که هاوکینگ هم در اشتباه است و سیاهچاله‌ها از بین نخواهند رفت،فیزیکدانان می‌توانند دلایل تجربی بسیار محکمی ارائه دهند که خیال‌تان راحت شود: انرژی پرتوهای کیهانی متعلق به فضای دور دست، بسیاربسیار بیشتر از انرژی‌ای است که در LHC تولید خواهد شد. آیا در طول چند میلیارد سالی که پرتوهای بسیار پرانرژی به سیارات منظومه شمسی و کره زمین برخورد می‌کنند، مشکلی به وجود آمده است؟ علاوه بر این تعداد برخورد‌هایی که میان این پرتوهای کیهانی رخ می‌دهد بسیار بیشتر از برخوردهایی است که قرار است در LHC مورد آزمایش قرار گیرد. و هنوز هیچ سیاهچاله‌ای سیاره‌های مشتری و کیوان را قورت نداده است. دانشمندان برخورد‌دهنده بزرگ هادرون بدون هیچ ترسی از سیاهچاله‌ها، در اولین ساعات روز دهم سپتامبر جاری نخستین گروه از ذرات پروتون را به درون تونل LHC ارسال کردند. اگر همه چیز به خوبی پیش برود، نخستین برخوردها چند هفته دیگر و با سطح انرژی کاهش‌یافته‌ای معادل با ۱۰ تریلیون الکترون ولت، انجام خواهد شد.

کیوان فیض‌اللهی