ساختن شتاب دهنده ال اچ سي به مراحل پاياني خود نزديك شده

در جستجوي هيگز و انرژي تاريك

بوزون هاي هيگز توضيح مي دهد چرا همه ذرات ديگر داراي جرم هستند. براساس مدل استاندارد، ذرات جرم خود را از طريق كنش و واكنش با ميدان هيگز به دست مي آورند

بي بي سي _ پل رينكون: هنگام صرف قهوه در سرسراي ساختمان شماره ۴۰ در سرن، Cern( - مخفف آزمايشگاه اروپايي فيزيك ذرات) كه يك تاسيسات وسيع آزمايشي مستقر در مرز فرانسه و سوئيس است، پروفسور وردي مي گويد: علم فيزيك به يك تقاطع حياتي پا گذاشته است. در دهه ،۱۹۷۰ نظريه موسوم به مدل استاندارد كه تمام دانش موجود آن زمان درباره واكنش هاي ذرات تشكيل دهنده اتم را در بر مي گرفت، اوج موفقيت فيزيك نظري محسوب مي شد. امروز اما آن نظريه به ظاهر ناقص و تنها منزلي در راه رسيدن به نظريه اي كاملتر تلقي مي شود.
مدل استاندارد نمي تواند معروف ترين عضو چهار نيروي اساسي جهان يعني نيروي گرانش را توضيح دهد؛ به علاوه اين نظريه تنها در صدد توضيح ماده معمولي، كه تنها كسر كوچكي از جهان را تشكيل مي دهد برمي آيد و نمي تواند ماده و انرژي تاريك را توضيح بدهد. اكنون شتابدهنده «كوبنده بزرگ ذرات هادرون» يا ال اچ سي در مركز پژوهشي سرن، كه با هزينه ۳/۲ ميليارد دلاري ساخته شده است بايد به بزرگترين آرمان امروز علم فيزيك جان تازه اي ببخشد: نظريه اي كلان براي توضيح تمامي پديده هاي فيزيكي در طبيعت.
در عمق صدمتري زير زمين، در تونلي حلقوي به طول ۲۷ كيلومتر، دانشمندان در حال نصب قطعات سازنده دستگاه بي نهايت پيچيده و وسيع ال اچ سي هستند. زماني كه اين دستگاه در سال ۲۰۰۷ براي يك فعاليت آزمايشي روشن شود، دو دسته از ذرات را در سرعت هاي بسيار بالا به همديگر خواهد كوبيد تا شرايط حاكم بر جهان لحظاتي پس از انفجار بزرگ را بازآفريني كند. برخورد اين دو دسته بايد آبشاري از ذرات تازه به راه اندازد، كه آشكار كننده طبيعت فيزيكي وراي نظريه مدل استاندارد خواهد بود. ال اچ سي براي اينكه در اين آزمايش موفق باشد، بايد در مقايسه با شتابدهنده هاي ديگر به سرعت هاي خيلي بالاتر دست پيدا كند.
خلأ
اشعه هاي ذرات كه از پروتون ها يا يون هاي سرب تشكيل شده، در زنجيره اي از شتاب دهنده هاي موجود سرن توليد شده و سپس به كوبنده بزرگ ذرات ها درون تزريق خواهد شد. در اينجا آنها يك بار ديگر تقويت مي شوند تا به حداكثر ميزان انرژي ممكن برسند. در حدود ۱۲۳۲ آهن ربا اين اشعه هاي پرانرژي را از داخل خود حمل و آنها را در اطراف ال اچ سي خم مي كنند.
آزمايش ها در دماي منهاي ۲۷۱ درجه سانتيگراد (۹/۱ درجه كلوين)، كه دماي نهايي فعاليت ال اچ سي است انجام مي شود. اين تنها اندكي بالاتر از صفر مطلق است و از خلأموجود در فضاي بيرون جو نيز سردتر است. آهن رباها در هليوم مايع خوابانده مي شوند تا دماي آنها به منهاي ۲۷۱ درجه سانتيگراد افت كند. وقتي دماي هليوم به ۱۷/۲ كلوين مي رسد خواص خارق العاده اي به نمايش مي گذارد. در اين حالت ابر شاره، هليوم تقريبا بدون چسبندگي به جريان مي افتد و خاصيت شديد رسانايي براي حرارت بالا پيدا مي كند. به اين ترتيب به وسيله اي ايده آل براي سرد و پايدار ساختن يك سيستم بزرگ ابر رسانا مانند آنچه در ال اچ سي هست بدل مي شود.
مايك لامونت يكي از مسئولان هماهنگي ال اچ سي مي گويد: «چالش عظيمي خواهد بود. علاوه بر آهن رباها بايد ۲۷ كيلومتر دستگاه و ابزارآلات كنترل كه همه چيز آن بايد بي نهايت دقيق و همزمان كار كند را اداره كنيم.» در چهار نقطه از حلقه ال اچ سي، دو اشعه از يكديگر مي گذرند و باعث مي شوند ذرات از روبرو با هم برخورد كنند. در نزديكي هر يك از نقاط تقاطع يك آشكارساز، دستگاهي به اندازه يك كاخ براي ضبط و اندازه گيري ذرات تازه توليد شده در جريان برخورد وجود خواهد داشت. چهار آشكارساز ال اچ سي به ترتيب ال اچ سي بي (LHCb)، آليس، اطلس و كامپكت موئون سولنوئيد (سي ام اس) نامگذاري شده اند. هر يك از آنها تحت نظارت يك تيم ويژه از فيزيكدان هاست. ال اچ سي بي و آليس براي كاوش پديده هاي خاص فيزيكي طراحي شده اند، اما اطلس و سي ام اس آشكارسازهايي براي اهداف عمومي هستند.
هدف هر دو نوع آنها شناسايي ذرات بوزون هاي هيگز و همچنين جستجوي ذرات تقارن و تلاش براي يافتن ابعاد اضافي در فضا خواهد بود. به اين ترتيب، دانشمنداني كه روي آشكارساز اطلس كار مي كنند تا حدودي با گروه مديريت سي ام اس رقابت خواهند داشت. هر دو تيم قصد دارند نخستين كساني باشند كه هيگز را مي يابند و وظيفه تصديق اين يافته را به ديگري محول كنند.
بخشنده جرم
بوزون هاي هيگز يا هيگز بوزون (Higgs) توضيح مي دهد چرا همه ذرات ديگر داراي جرم هستند. براساس نظريه مدل استاندارد، ذرات جرم خود را از طريق كنش و واكنش با ميدان هيگز كه آكنده از ذرات بوزون است به دست مي آورند. واحدهاي سازنده اين دستگاه عظيم به طور جداگانه در آزمايشگاه هايي در گوشه و كنار جهان ساخته شده و براي مونتاژ به سرن منتقل شده اند.
دكتر الن بار، فيزيكدان در يونيوسيتي كالج لندن و عضو تيم اطلس مي گويد: همين اتفاق در مورد هواپيماهاي بزرگ مثل A380 مي افتد. قطعات آنها جداگانه ساخته مي شود و بعد آنها را روي هم سوار مي كنند.
وقت پس دادن امتحان
در آنسوي مرز سوئيس در شهر سسي فرانسه، تيم سي ام اس به زودي آزمايش ها به روي برش هاي دستگاه خود را آغاز مي كند تا ببيند آيا تك تك آنها قادر به رديابي اشعه هاي كيهاني از فضا هستند يا نه. بخش اعظم مونتاژ سي ام اس روي زمين انجام مي شود. عناصر بزرگ سپس توسط جرثقيل به داخل دالان هاي بزرگ زيرزميني كه براي جاسازي آنها ساخته شده پايين داده مي شوند. اين فرآيند تقريبا شش ماه زمان مي برد. پروفسور جان اليس، نظريه پرداز ارشد سرن، بر اين تصور است كه يافتن ذرات هيگز ممكن است بتواند به درك يكي از اسرار بزرگ ديگر فيزيك نيز كمك كند: انرژي تاريك.
كشف تاريك

در سال ،۱۹۹۸ دو تيم مطالعه كننده ابرنواخترها (سوپرنووا) نشان دادند كه انرژي تاريك باعث تسريع انبساط جهان مي شود. مطالعات بعدي آشكار ساخت كه انرژي تاريك ممكن است ۷۰ درصد جهان را تشكيل دهد اما بهترين نظريه ها قادر به توضيح آن نبودند. اما به گفته جان اليس، ميدان هيگز بهترين نامزد به عنوان منبع انرژي تاريك است. او توضيح مي دهد: ساز و كار هيگز تمام فضا را با يك ميدان پر مي كند. برخلاف ميدان جاذبه، كه پيرامون خورشيد و مركز كهكشان قوي است، ضريب قوت ميدان هيگز اساسا در همه جا يكسان است. اين ميدان، انرژي تاريك را توضيح مي دهد، به اين معني كه انرژي تاريك، چگالي انرژي در فضاي خالي به فاصله خيلي خيلي زياد از هر نوع ماده است. جان اليس مي گويد اين نظريه تنها يك ايراد كوچك دارد: رقمي كه از ميزان انرژي تاريك به دست مي دهد ده به توان ۱۲۰ بار بيش از ميزان محاسبه شده است. او افزود: «اگر هيگز را پيدا كنيم، كل اين نظريه را داير بر اينكه يك ميدان هيگز در سراسر كيهان وجود دارد كه باعث پيدايش انرژي تاريك مي شود تاييد خواهد كرد. سپس مي توانيم به سئوال بعدي بپردازيم كه چرا رقم متفاوتي ارائه مي كند.»

چنين پيشرفتي به بحث پيرامون يك نظريه وحدت يافته براي توضيح تمامي پديده هاي طبيعي جان خواهد داد. اكتشافاتي مانند ابرتقارن همچنين ممكن است شكاف ميان شواهد تجربي و نظريه ابرريسمان ها (stringtheory) را پر كند. نظريه ابرريسمان ها تلاشي براي ايجاد يك نظريه كلان در توضيح جهان است كه نسبيت عام و مكانيك كوانتوم را كاملا آشتي مي دهد. ال اچ سي ممكن است حتي چيزي كاملا غيرمنتظره را درباره طرز كار جهان ما آشكار كند. به گفته فيزيكدان ها چنين وضعي بيش از هر چيز نتايج زحمات آنها را لذت بخش خواهد كرد.