کارنامه برخورددهنده سرن در شکار ضدماده و بازسازی پس از بیگ بنگ

مهر - سال 1389 سالی درخشان در عرصه فیزیک ذرات بود. در این سال برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن سوئیس آغاز به کار کرد و توانست به نتایج مهمی از جمله شکار ضدماده و بازسازی اولین لحظات پس از بیگ بنگ دست یابد.

به گزارش خبرنگار مهر، سال 1389 با آغاز به کار برخورددهنده بزرگ (LHC) در سرن ژنو واقع در مرز بین فرانسه و سوئیس آغاز شد.

فروردین سال گذشته در چنین روزهایی 30 مارس 2010 (10 فروردین 1389)، برخورد دهنده بزرگ LHC پس از 25 سال تلاش دانشمندان آغاز به کار کرد و پروتونها را با انرژی 7 هزار میلیارد الکتروولت در یک تونل 27 کیلومتری به حرکت در آورد.

اولین طراحیهای این شتابگر بیش از 25 سال قبل آغاز شد. در آن زمان دانشمندان سرن (شورای تحقیقات فیزیک هسته ای اروپا) ساخت سازه هایی را که بتوانند میزبان شتابگر باشند آغاز کردند. این سازه ها برای یک دستگاه برخورد دهنده الکترونی- پوزیترونی آماده شدند. سپس این دانشمندان به امکان ساخت ماشین دیگری با ابعاد قابل قیاس با دستگاه اول که بتواند با کارایی بیشتری این انرژی را ایجاد کند، اندیشیدند. به این ترتیب ساخت برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) آغاز شد.

سرانجام پس از سالها تلاش و آماده سازی فناوریها و تجهیزات، اولین فعال سازی برخورد دهنده بزرگ سرن در سپتامبر 2008 آغاز شد اما به دلیل مشکلات فنی و خرابی این ماشین عظیم پس از دقایقی LHC از کار بازماند.

در نوامبر 2009 (پاییز 1388) و پس از 14 ماه تلاش، دانشمندان سرن موفق شدند دو دسته پرتو پروتونی ثابت را به صورت آزمایشی وارد تونل 27 کیلومتری برخورد دهنده بزرگ کنند و موفق شدند انرژی برخورد این دو شعاع را به 2/1 ترا الکترون ولت برسانند، اما به دلیل خرابی سیستم خنک سازی شتابگر، این دستگاه عظیم مجددا از کار باز ایستاد تا فروردین 89 فعالیت خود را رسما آغاز کند.

نظر کارشناسی

در این راستا و به دلیل اهمیت موضوع، گروه فناوریهای نوین خبرگزاری مهر بلافاصله مصاحبه ای را با "جان لوئیجی آردوئینی" (Gianluigi Arduini) فیزیکدان ماشینهای شتابگر و معاون رئیس کمیسیون سخت افزار LHC انجام داد.
در آن زمان این دانشمند بخش سخت افزار LHC در خصوص برنامه های این برخورددهنده بزرگ ذرات در سال 2010 (1389) به خبرنگار مهر توضیح داد: برنامه سرن جمع آوری نوری معادل "1 فمتوبارن وارونه" است که آن طور که گفته می شود دستیابی به این درخشندگی باعث می شود که LHC از Tevatron پیش افتد. "فمتوبارن وارونه" (inverse femtobarn) واحد اندازه گیری برخورد ذرات در هر فمتوبارن است. هر فمتوبارن معادل 34- ^10 متر (10 به توان منفی 43 متر) است.

به علاوه در پایان سال 2010 به مدت حدود یک ماه LHC علاوه بر پروتون، پرتو یونهای سرب را هم شتاب خواهد داد. هدف از این کار، مطالعه بر روی این ماده در شرایط با فشار بسیار بالای انرژی است. در این انرژی بسیار بالا حالت "کوارک- گلون پلاسما" (quark-gluon plasma) تشکیل خواهد شد. این حالت به توده ای گفته می شود که در آن کوارکها برای لحظات بسیار کوتاهی به حالت تقریبا آزاد در می آیند.

جان لوئیجی آردوئینی، وسط تصویر در روز آغاز به کار برخورددهنده بزرگ هادرون در 10 فروردین 1389

آغاز به کار آزمایشات

بلافاصله پس از آغاز به کار برخورد دهنده بزرگ، 6 آشکارساز بزرگ ALICE (آزمایش یک برخوردهنده یونی بزرگ) در کنار اطلس، CMS، LHCb، TOTEM و LHCf آزمایشات خود را در داخل LHC شروع کردند.

پائولو جوبلینو (Paolo Giubellino)، مدیرکل پروژه "آلیس" در خصوص راه اندازی این آزمایشات به خبرنگار مهر توضیح داد: "بیش از 20 سال قبل سرن مذاکراتی را درباره احتمال ساخت یک شتابگر پروتون آغاز کرد که بعدها به LHC تبدیل شد. بلافاصله پس از آغاز این مذاکرات، دانشمندان امکاناتی را تصور کردند که این شتابگر جدید می توانست ارائه کند و بنابراین آزمایشاتی را طراحی کردند."

کشف نشانه ای کلیدی از بوزون هیگز توسط آزمایش اطلس

بوزون هیگز، ذره ای بنیادین است که گفته می شود جرم تمامی مواد از آن ناشی می شود. تئوری وجود این ذرات در سال 1964 مطرح شد اما تاکنون هرگز امکان ردیابی این ذرات به وجود نیامده است.

تنها یک روز پس از آغاز به کار بزرگترین آزمایشگاه فیزیک جهان - برخورد دهنده بزرگ هادرون - حسگر اطلس توانست اولین نشانه ها از ذرات بوزون W را به ثبت برساند.

ذرات بوزون W تقریبا به صورت آنی به لپتونها و نوترینوها تبدیل می شوند. ردیابی این ذره جدید توسط اطلس بسیار جالب توجه بود زیرا گفته می شود که ذرات کلیدی بوزون هیگز به ذرات بوزون W تجزیه می شوند و از این رو کشف این ذرات در یافتن بوزون هیگز از اهمیت ویژه ای برخوردارند.

بازسازی نخستین لحظات پس از بیگ بنگ توسط آزمایش آلیس

در آذر 89 پروژه آشکارساز Alice (آزمایش یک برخوردهنده یونی بزرگ) موفق شد دمای نخستین لحظات پس از Big Bang (انفجار بزرگ) را دوباره ایجاد کند.

آزمایش آلیس یک پروژه جهانی است که در آن 116 موسسه تحقیقاتی از 33 کشور مختلف شرکت دارند.

این دانشمند سرن بازسازی نخستین لحظات پس از بیگ بنگ را اینگونه توضیح داد: "کاری که ما انجام می دهیم تولید یک حالت از ماده بی نهایت فشرده و گرم در دمای 1700 میلیارد درجه است یعنی 100 هزار برابر بیش از دمای مرکز خورشید. هدف از تحقیقات ما مطالعه این مسئله است که این ذرات عادی که دنیای ما را می سازند چگونه از یک پلاسما تشکیل می شوند. این فرایندی است که جهان نخستین از آن عبور کرده است. در حقیقت ما موفق شدیم دمای حدود 10 میلیونیم ثانیه پس از بیگ بنگ را دوباره ایجاد کنیم. جهان هر روز وسعت می یابد و خنک می شود. در چند میلیونیم ثانیه پس از بیگ بنگ جهان از شکل پلاسمای مرکب از ذرات "کوارک" و "گلوئن" به شکل "هادرونها" درآمده است. (همانطور که پروتونها و نوترونها هسته ها را ساخته اند)."

دو آزمایش "اطلس" و CMS نیز با انجام تحقیقات مشابهی، بازسازی نخستین لحظات پس از بیگ بنگ را تائید کردند.

دیوید اوانز" (David Evans) مدیر تیم فیزیکدانان دانشگاه بیرمنگام در پروژه ALICE نیز در پی انتشار آخرین نتایج خلق انفجار بزرگ در مقیاسی کوچک به سئوالات گروه فناوریهای نوین خبرگزاری مهر درباره این آزمایش و ابعاد مختلف آن پاسخ داد و اظهار داشت: "با برخورد دادن هسته های یونی با یکدیگر با کمک انرژی بی نهایت برخورد دهنده بزرگ هادرون، توانستیم گلوله های آتشین تحت اتمی را با حرارتی برابر 10 تیلیارد درجه، یعنی میلیونها بار داغتر از مرکز خورشید به وجود آوریم. در واقع با انجام این کار ما توانستیم وضعیتی را که گفته می شود 10 میکروثانیه پس از بیگ بنگ در جهان حکمفرما بوده است را در مقیاسی بسیار کوچک باز خلق کنیم."

بازسازی نخستین لحظات پس از بیگ بنگ

ضد ماده به دام افتاد

در همان روزها گروهی دیگر از فیزیکدانان از دانشگاه کالگاری در مرکز سرن توانستند برای اولین بار ضدماده را تولید کنند.

این ضدماده در حقیقت 38 اتم ضدهیدروژن بود. با این کشف بزرگ، به نظر می رسید تخیل "دن براون" خالق آثاری چون "رمز داوینچی" و "دیوان و فرشتگان" به تحقق رسیده باشد. در حقیقت "دن براون" در رمان "دیوان و فرشتگان" نوشته است که یک فیزیکدان سرن با استفاده از برخورددهنده LHC موفق می شود ضدماده تولید کند که سال گذشته این پیش بینی هر چند در ابعاد کوچکتر به واقعیت بدل شد.

در انتظار بوزون هیگز

فاکس نیوز در طبقه بندی پایان سال 2010 پیش بینی کرد که سرن در سال 2011 (1390) موفق به کشف ذرات "بوزون هیگز" خواهد شد.

جوبلینو در این باره به مهر اظهار داشت: "معتقدیم که اگر این مدل استاندارد که در حال حاضر پایه تعریف ما از ذرات ابتدایی است صحیح و کامل باشد بنابراین احتمال بسیار زیادی وجود دارد که "هگیز" امسال کشف شود اما با احتمال بیشتری در سال آینده کشف خواهد شد. این یک رویداد کم نظیر است و بنابراین برای رسیدن به تعدادی کافی از برخوردها نیاز به جمع آوری هزاران برخورد است تا به کمک آنها به یک اندازه گیری مطمئن رسید. به دیگر سخن، یافتن بوزون هیگز یک کشف بسیار مهم است. معتقدیم که بین سالهای 2011 تا 2012 باید موفق شویم چیزی بسیار بسیار شگفت انگیز و مهم را کشف کنیم."