شتاب دهنده بزرگ هادرونی

شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی

مقدمه.

LHC چیست و قرار است چه آزمایش‌هایی انجام دهد؟ اگر آزمایش‌های این شتاب‌دهنده با موفقیت به پایان برسد به چه سوالاتی در فیزیک پاسخ داده می‌شود؟ استفن هاوکینگ درباره‌ی LHC چه می‌گوید؟ می‌شود لینکِ شبیه‌سازهای این شتاب‌دهنده را ارائه کنید؟

این‌ها سوالاتی است که قرار است در این مقاله به آن‌ها پاسخ دهم.

در ابتدا باید بگویم که LHC مخفف Large Hadron Collider به معنای «تصادم‌دهنده‌ی بزرگ هادرون» یا «شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی» است. اما پیش از آنکه بروم سراغ مقاله‌ی اصلی لازم است تا توضیحاتی درباره‌ی هادرون بدهم.

ذرات بنیادی

تعریف مهم: ذره‌ی بنیادین به ذره‌ای گفته می‌شود که خود از ماده و ذره‌ی دیگری تشکیل نشده باشد یا به عبارت دیگر ذره‌ی بنیادین به ذره‌ای گفته می‌شود که قابل تجزیه به مواد ِ ریزتر نباشد.

از چند صد سال پیش از میلاد مسیح تا اواخر قرن 19م میلادی٬ همواره اتم را به عنوان جزء ِ تجزیه‌ناپذیر ماده تصور کرده‌اند. اما در اواخر قرن 19م و اوایل 20م میلادی بود که برای اولین بار کشف شد که اتم٬ خود از ذرات کوچکتری به نام‌های الکترون٬ پروتون و نوترون ساخته شده است. در آن زمان این سه ذره را ذرات بنیادین تصور کردند.

اما ماجرا به همین‌جا ختم نشد. پس از مدتی کشف شد که پروتون و نوترون هم به نوبه‌ی خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند. مثلاً پروتون خود به تنهایی از ترکیبِ سه ذره‌ی دیگر (دو کوارک بالا و یک کوارک پایین) ساخته شده است.

نظریه‌ای در فیزیک که این ذرات بنیادی را توجیه می‌کند و درباره‌ی آن‌ها سخن می‌گوید٬ مدل استاندارد (Standard Model) نامیده می‌شود.

مدل استاندارد برای اتم٬ بیش از 60 ذره‌ی کوچک نام می‌برد که بسیاری از آنها از دیدگاه این مدل بنیادی‌اند. (یعنی از ذرات کوچکتری ساخته نشده‌اند.) هر چند ما در بسیاری از رشته‌های فیزیک و شیمی٬ حتی در سطوح بالای دانشگاهی هم با این 60 نوع ذره آشنا نمی‌شویم – چرا که آشنا شدن با آن‌ها در درجه‌ی اول دشوار است و در ثانی اصلاً ضرورتی ندارد – اما حتی اگر کار به همین 60 ذره هم خاتمه می‌یافت باز هم جای شکرش باقی بود اما ای دریغ که ماجرا پیچیده‌تر از این حرف‌هاست!

ده‌ها ذره‌ی دیگر هم در اتم هستند که مدل استاندارد از آن‌ها نام نمی‌برد یا قادر به توجیه آن‌ها نیست (مانند گراویتون‌ها) اما از دیدگاه فیزیک‌دانان وجود آن‌ها قطعی است یا حداقل احتمال وجود آن‌ها فراوان است. همچنین نظریه‌ای با نام تئوری ریسمان (String theory) نیز در فیزیکِ مدرن مطرح است که ادعا می‌کند خودِ این ذرات بنیادین از ذرات دیگری (یا بهتر است بگوییم از ذراتِ انرژیِ دیگری) با نام ریسمان ساخته شده‌اند. – و قابل حدس زدن است که ریسمان‌ها هم خود ویژگی‌های متفاوتی دارند که تفاوت ویژگی در ریسمان‌ها به تفاوت در ساختار ماده‌ها ختم می‌شود! – هم‌چنین نظریه‌ی وحدت نیروها نیز که بسیاری از فیزیک‌دانان آن‌را دنبال می‌کنند سعی در تصحیح مدل استاندارد دارد چرا که این مدل قادر به برقرار کردن اتحاد بین تئوری گرانشی آینشتین و تئوری مکانیک کوانتومی نیست.

در ضمن تمام تئوری‌ها که – که از آن‌ها نام برده شد – تنها درباره‌ي ساختارهای عادی اتمی بحث می‌کنند؛ اما در مورد ماده‌ی تاریک ماجرا کاملاً متفاوت است چرا که ماده‌ی تاریک اصلاً از الکترون٬ پروتون و نوترون یا سایر ذرات بنیادی ساخته نشده است٬ بلکه ساختار ناشناخته و کاملاً متفاوتی دارد!

بگذریم! از آخر این هادرون چیه!؟

گفتیم که از دیدگاه فیزیک‌دانان «مدل استاندارد» مدلی نارسا است. با این حال فعلاً بهترین تئوریِ موجود در مورد ذرات بنیادین در فیزیک مدرن همین مدل استاندارد است. به همین خاطر فعلاً٬ در این مقاله٬ سایر تئوری‌ها مانند نظریه‌ی ریسمان و نظریه‌ی اتحاد نیروها را به کنار می‌گذاریم و می‌چسبیم به همین مدل استاندارد!

مدل استاندارد معتقد است که ما دو دسته ذرات بنیادین داریم: فرمیون‌ها (Fermion) و بوزون‌ها (boson). فرمیون‌ها ذراتی هستند که با ماده سر و کار دارند. بوزون ها ذراتی‌اند با انتقال نیرو بین مواد مرتبط-اند. مدل استاندارد وجود بیش از 30 نوع فرمیون و بوزون را در طبیعت پیش‌بینی می‌کند که از بین تمام این 30 ذره‌ی بنیادین٬ تنها ذره‌ی کشف نشده بوزونی با نام بوزون هیگز (Higgs boson) است که LHC قرار است آن را کشف کند. تمام ذرات دیگر را دانشمندان پیش‌تر٬ در آزمایش‌های مختلف کشف کرده یا وجود آن‌ها را به اثبات رسانده‌اند.

قبل از اینکه برسیم به بحث LHC بگویم که از ترکیب ذرات بنیادین با هم٬ ذرات جدیدی تشکیل می‌شوند که آن‌ها را هادرون می‌نامند. مثلاً پروتون و نوترون معروف‌ترین هادرون‌های شناخته شده هستند. به این دلیل نام ِ «شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی» را بر روی این دستگاه گذارده‌اند که قرار است پروتون‌ها (که یکی از انواع هادرون هستند) را با سرعتی معادل 99.999999 ٪ سرعت نور و با انرژی فوق‌العاده عظیمی به هم برخورد دهند و به بررسی نتایج این برخورد بپردازند.

برای اطلاعات بیشتر درباره‌ی ذرات بنیادی می‌توانید به مقاله‌ی «همه چیز درباره‌ی اتم» از سایت هوپا و یا مقاله‌ی «لیست ذرات» از ویکی پدیای انگلیسی مراجعه کنید.

LHC قرار است به چه سوالاتی پاسخ دهد؟

خب اجازه بدهید برسیم به اصل مطلب و اینکه از آخر این LHC قرار است چه گلی به سر دانشمندان بزند!؟

مهم‌ترین هدف از ساخت ِ LHC٬ کشفِ بوزونِ هیگز است که اگر کشف شود به سوالاتِ فراوانی در فیزیک پاسخ می‌دهد. به طور مثال دانشمندان٬ وجودِ خاصیتی به نام جرم در مواد را مدیون همین ذره می‌دانند. حالا تصور کنید که این آزمایش نشان دهد که ذره‌ای با نام بوزون هیگز اصلاً وجودِ خارجی ندارد. آن وقت چه اتفاقی می‌افتد؟

استفن هاوکینگ در مصاحبه‌ای که در تاریخ 9م سپتامبر 2008 (یک روز پیش از آغاز به کار ِ شتاب‌دهنده‌ی هادرونی) با BBC انجام داد در همین رابطه گفت: «فکر می‌کنم که خیلی هیجان‌انگیزتر باشد اگر که ما هیگز را کشف نکنیم؛ چرا که این نشان خواهد داد که چیزی اشتباه است و ما نیاز داریم که باز هم مجدداً فکر کنیم. من سر 100 دلار شرط می‌بندم که ما بوزون هیگز را نخواهیم یافت!» می‌توانید این مصاحبه را به طور کامل در اینجا بشنوید.

اما قرار نیست که این پروژه‌ی چند میلیارد دلاری (که با نام بزرگ‌ترین پروژه‌ی علمی تاریخ بشر لقب گرفته) تنها به آزمایش بر روی همین یک ذره بپردازد. همان‌طور که هاوکینگ در مصاحبه‌اش می‌گوید چه این ذره کشف بشود و چه نه٬ دانشمندان پاسخ به بسیاری از سوالاتِ خود را در نتیجه‌ی این آزمایش‌ها کسب خواهند کرد. دیگر آزمایش‌هایی که LHC قرار است انجام دهد عبارت است از:

شبیه‌سازی مهبانگ: مهبانگ٬ انفجار بزرگ یا Big Bang نام تئوری‌ای است که برای توجیهِ آغاز جهان از آن بهره می‌برند. آزمایش‌های LHC پاسخ بسیاری از سوالات ما را درباره‌ی مهبانگ خواهد داد. مثلاً به هنگام تولدِ جهان٬ ماده و پاد‌ماده به صورت مساوی به وجود آمده است٬ اما در حال حاضر مقدار ماده بسیار بیشتر است از مقدار پادماده؛ بر سر این پادماده‌ی گم شده چه آمده است؟

تک‌قطبی‌های مغناطیسی: LHC قرار است درباره‌ی وجود موادی که با نام تک‌قطبی مغناطیسی (Magnetic monopole) نامیده می‌شوند٬ تحقیق کند. تک‌قطبی‌های مغناطیسی ذراتی فرضی هستند که دیراک در کنار تئوری کوانتومی خود ارائه نمود و فیزیک نظری معتقدِ به وجود آن‌ها است اما هنوز توسط هیچ آزمایشی وجودشان به اثبات نرسیده است.

سیاه‌چاله‌های کوچک: این آزمایش قرار است بر روی سیاه‌چاله‌های کوچکی (Micro black hole) که فیزیک مدرن از آن‌ها سخن می‌گوید تحقیق کند. بر اساس تئوری «تابش هاوکینگ» سیاه‌چاله‌ها٬ اندک اندک و به مرور زمان جرم خود را از دست می‌دهند تا اینکه به مرور از بین می‌روند. اما اگر یک سیاه‌چاله از اندازه‌های معمولی خود بسیار کوچک‌تر باشد آن‌وقت آن‌قدر زود از بین می‌رود که اثرات آن برای ما قابل مشاهده نیست. در ضمن اگر تابش هاوکینگ درست باشد آن وقت سیاه‌چاله‌هایی که در آغاز آفرینش به وجود آمده‌اند تا به امروز باید به اندازه‌ی یک میکروسیاه‌چاله‌ی در آمده باشند. در این آزمایش قرار است بررسی شود که آیا واقعاً امکان تشکیل سیاه‌چاله‌هایی در ابعاد بسیار کوچک وجود دارد؟ اگر پاسخ مثبت است خواص این سیاه‌چاله‌ها چیست؟ و واقعاً چه بلایی به سر آن‌ها می‌آید؟

LHC قرار است علاوه بر این‌ها آزمایش‌های فراوان دیگری را هم درباره‌ی ابعاد اضافی جهان و امکان رؤیت آن‌ها٬ ذرات ابرمتقارن٬ ماهیت ماده‌ی تاریک٬ علت ضعیف بودن نیروی گرانش نسبت به سایر نیروهای بنیادین و بسیاری موارد دیگر انجام دهد.

برای اطلاعات بیشتر درباره‌ی مشخصات فنی LHC یا آزمایش‌های آن می‌توانید مراجعه کنید به «سایت رسمی LHC« بر روی پایگاه اینترنتی موسسه‌ی CERN و یا مقاله‌ی «شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی» از ویکی‌پدیای انگلیسی.

تصاویر و فلش‌هایی از این آزمایش

فلش: برای مشاهده‌ی شبیه‌ساز آشکارگر اطلس٬ یکی از شش آشکارگر LHC که قرار است یکی از مهم‌ترین آزمایش‌هایِ آن را هم انجام دهد می‌توانید این فلش ساده و کم‌حجم را ببینید.

پانوراما: برای مشاهده‌ی LHC و یک گشت‌و‌گذار مجازی در تاسیسات آن٬ می توانید این پانورامای زیبا و کم‌حجم از LHC را ببینید.

تصویر: 44 تصویر از LHC هم در اینجا قابل مشاهده است. همچنین لوگوی گوگل به مناسبت افتتاح این پروژه را در اینجا ببینید.