رمزگشایی از اسرارآمیزترین ذرات بنیادی

اگر عضو یکی از شبکه‌های زیر هستید می‌توانید این مطلب را به شبکه‌ی خود ارسال کنید:

Twitter

Google

Yahoo

Delicious

بالاترین

دنباله

[2015-04-05]   [ حامد الطافی مهربانی]

تا به امروز مهندسان سرن مشغول تعمیر و تقویت ابزارها بودند تا برخورددهنده بتواند دوره بعدی فعالیتش را با توان و انرژی بیشتری آغاز کند. آنان 18 آهن ربای فوق هادی از مجموع 1232 آهن ربا را جایگزین کردند، سامانه خلأ را که باریکه ذرات را از هجوم مولکول های سرگردان محافظت می کرد ارتقا دادند و سامانه های سرمایشی آهن رباهای عظیم آن را بازسازی کردند.

اگر همه چیز بدرستی پیش رود، در بهار سال آینده دستگاه برخورد دهنده روشن خواهد شد. این بار انرژی برخوردی ذرات به 13 تِراالکترون ولت خواهد رسید؛ 5 تِرا الکترون ولت بالاتر از بیشینه انرژی برخوردها در دوره پیشین فعالیت. فاصله زمانی تولید بسته های پروتون های پر انرژی که قرار است در شتاب دهنده تا سرعت های نزدیک به سرعت نور برسند و به هم برخورد کنند از 50 نانوثانیه به 25 نانوثانیه کاهش خواهد یافت. به این ترتیب تعداد ذرات و فراوانی برخوردها افزایش می یابد و داده های بیشتری برای بررسی دانشمندان تولید می شود؛ اطلاعاتی چنان زیاد که محققان بیش از 60 هزار هسته جدید برای جمع آوری و بیش از 100 پتابایت حافظه جانبی برای ذخیره آنها تهیه و نصب کرده اند.

همه این تلاش ها با این هدف انجام می شود که دانشمندان بتوانند در عین حال که به دنبال ذرات جدیدی می گردند، یافته های قبلی خود را با دقت و اطمینان بیشتر به اثبات برسانند. یکی از مهم ترین کشف های محققان در دوره قبلی فعالیت شتاب دهنده، با یکی از اسرار آمیزترین ذرات بنیادی و درواقع گریزان ترین آنها مرتبط بود؛ بوزون هیگز.

شواهدی از بوزون هیگز کشف می شود

ماجرا به چهاردهم تیر 1391 بازمی گردد. در آن روز سرانجام تلاش ۷۹۳۱ دانشمند و مهندس (به نمایندگی از ۵۸۰ دانشگاه و مؤسسه تحقیقاتی از ۸۰ کشور جهان) و 2600 کارمند تمام وقت در سازمان اروپایی پژوهش های هسته ای (سرن) که سال ها به دنبال ذره مرموز هیگز بودند به نتیجه رسید و آنان برای اولین بار با شواهدی از این ذره رو به رو شدند. آنها نوری ضعیف و جرقه مانند را در صفحه نمایش ابزارهای آشکارسازشان دیدند که معنای عمیقی برایشان داشت، اما این همه ماجرای کشف و شناسایی ذره هیگز نبود.

فیزیکدانان آماده می شدند تا در لذت و هیجان «دیدن» بوزون هیگز ـ همان ذره مرموزی که میدانی موسوم به میدان هیگز را تولید می کند و خاصیت جرم داشتن به ذرات بنیادی می دهد ـ غرق شوند، اما در عمل همه می دیدند که آنان فقط دسته ای از اعداد و نمودارها و داده ها را مشاهده کرده اند. پیام این اطلاعات غیرتصویری به دانشمندان یک حقیقت مهم بود که در جریان نشست خبری در سِرن (سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای) روی تلکس خبرگزاری های جهان قرار گرفت: «بوزون هیگز آشکارسازی شده است.»

آنچه براساس گزارش های فیزیکدانان از این آزمایش ها به دست آمده بود، این بود که احتمال شناسایی قطعی بوزون هیگز به اندازه یک در 3.5 میلیون است! یعنی در 3.5 میلیون آزمایشی که انجام می شود، فقط در یک آزمایش امکان مشاهده و آشکارسازی ذره هیگز وجود دارد! همین احتمال بسیار اندک هم دانشمندان سرن را تشویق می کرد به کار خود ادامه دهند و با امیدواری کامل به تکرار آزمایش بپردازند.

با این حساب اگر دانشمندان در سرن انتظار دیدن چیزی شبیه ذره هیگز را، آن هم به این آسانی نداشتند پس واقعا دنبال چه بودند؟! آنان مدت های طولانی سرگرم واکاوی این حقیقت بودند که چگونه ذراتی مانند الکترون ها و کوارک ها که عناصر سازنده اتم ها و مولکول ها هستند جرم دارند. از سوی دیگر تعبیر و نمایش ریاضی فیزیکدانان از جهان متقارن و فرمول بندی آنان، بجز در حالتی که ذرات بنیادی را بدون جرم در نظر می گرفتند به درستی کار نمی کرد.

«پیتر هیگز» (که این ذره به نام او نامگذاری شده) و برخی از همکارانش ایده ای جالب مطرح کرده بودند: به جای این که تلاش کنیم نشان دهیم چگونه می توانیم معادلات حاکم بر رفتار ذرات بنیادی را به گونه ای بهینه سازی کنیم که با رفتار واقعی ذرات جرم دار سازگار باشند، بیاییم اساس کار را بر درستی روابط ریاضیاتی بگذاریم و این فرض را اضافه کنیم که ذرات بنیادی در میدانی کار می کنند که آن میدان حرکت و رفتار خاصی را به ذرات اعمال می کند. اگر این فرض به شرایط واقعی نزدیک باشد، ممکن است چیزی بیابیم که در این میدان با ایجاد مقاومت در برابر حرکت ذرات، به آنها خاصیتی مانند جرم اضافه می کند. مگسی را تصور کنید که وزوز کنان از مقابل تان می گذرد. مگس در حرکتش در هوای آرام نیروی مقاومت بسیار کمی احساس می کند، تا این که با باد مخالفی مواجه می شود. ناگهان مگس سریع و کوچک ما، سنگینی زیادی احساس می کند که ناشی از مقاومت هوای جریان باد مخالف است. ممکن است در مورد ذراتی که در میدان هیگز در حال حرکتند نیز وضعیت مشابهی برقرار باشد.

فیزیکدانان به دنبال ذراتی بودند که میدان ایجاد کننده جرم، یا همان «میدان هیگز» را می ساختند. آنها تصور می کردند اگر می توانستند شرایطی را که بلافاصله بعد از مهبانگ ایجاد شده بود بازسازی کنند، تلاش و جستجوی آنان موفقیت آمیز می شد. در چنان شرایطی می توانستیم ببینیم چگونه چیزهایی مثل کوارک ها و لپتون ها تولید می شوند و سرگردان در فضا حرکت می کنند تا این که به ذراتی مرکب مانند پروتون ها تبدیل شوند. اگر در این میان چیزی مانند بوزون هیگز که جرم ذرات دیگر را فراهم می کرد نیز تولید می شد، آن هم می توانست قابل شناسایی باشد.

برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) چطور کار می کند؟

برخورددهنده بزرگ هادرونی، برای پروتون های در حال حرکت (و همچنین برخی یون های سنگین) که سرعت های بالا دارند، به جاده مسابقه اتومبیل رانی شباهت دارد. این پروتون ها با سرعت و انرژی خیلی زیاد (و در راستاهای مخالف) حرکت می کنند، مسیری دایره ای به طول 27 کیلومتر را طی می کنند و میلیون ها بار در ثانیه از کنار یکدیگر می گذرند. وقتی تعدادی از این پروتون ها به هم برخورد می کنند، ذرات مرکب به اجزای کوچک تر سازنده خود یعنی کوارک ها و لپتون ها فرو می پاشند. انرژی بسیار زیادی در برخوردها آزاد می شود که کمک می کند ذرات جدیدی را که ایجاد می شوند، ببینیم.

دانشمندان می توانند مسیر ذرات در حال حرکت را با اعمال میدان مغناطیسی بسیار قوی دستخوش تغییراتی کنند و به شکل منحنی درآورند. اگر این کار انجام گیرد می بینیم که ذرات مختلف واکنش های متفاوتی نسبت به میدان مغناطیسی نشان می دهند. بعضی از ذرات که «اندازه حرکت» (یا تکانه، که به طور ساده آن را به صورت جرم ذره × سرعت آن تعریف می کنند) زیادی دارند چندان منحرف نمی شوند و همچنان در مسیر مستقیم به راه خود ادامه می دهند. ذراتی با اندازه حرکت کمتر تأثیر بیشتری از میدان مغناطیسی می پذیرند. این ذرات از راستای اولیه خود خارج می شوند و مسیری مارپیچی در پیش می گیرند. پس میزان انحراف و چگونگی حرکت ثانویه ذرات در میدان مغناطیسی، به نوع ذره و اندازه حرکت آن بستگی دارد. از این رو اندازه حرکت از ویژگی های مفیدی است که محققان و فیزیکدانان برای شناسایی هویت ذرات بررسی و مطالعه می کنند.

علاوه بر میدان مغناطیسی، راهکارهای دیگری برای شناسایی و تشخیص هویت ذرات در شتاب دهنده ها وجود دارد. برای مثال، «تجهیزات ردیابی» در دستگاه های آشکارساز بسیار سودمند هستند. ابزارهای ردیابی، نشانه ها و علائم الکترونیکی را که هنگام عبور سریع ذرات از میان آشکارسازها به جا می ماند ثبت می کنند. این کار ایجاد نمایی گرافیکی از مسیر حرکت ذره را ممکن می سازد.

حرارت سنج (کالری متر) داخلی آشکارسازها نیز به شناسایی ذرات کمک می کنند. حرارت سنج ها انرژی ای را که ذرات پس از برخورد از دست می دهند، اندازه می گیرند. در ادامه فیزیکدانان می توانند تابشی را که از ذرات گسیل می شود، مطالعه کنند. این کار به آنان کمک می کند برخی ویژگی ها را که به ذرات ویژه ای تعلق دارد شناسایی و تعیین کنند.

حال با همه این اوصاف، بوزون هیگز به چه چیزی شباهت دارد؟! فیزیکدانان در پاسخ به این سوال می گویند: «از این که شما را ناامید کنیم متنفریم! اما واقعیت این است که نمی توانیم ذره هیگز را ببینیم». هیگز، ذره بسیار کوچکی است که امکان دیدن مستقیم اش وجود ندارد. آنچه به عنوان ذره هیگز می بینیم مجموعه ای از نمودارها و داده هاست. نمای ذره هیگز چیزی بیش از نمودارها و طرح های گرافیکی شلوغ که مسیر و انرژی ذرات برخوردکننده و ذرات ثانویه را مشخص می کنند، نیست. همه آنچه در آشکارسازها شناسایی شده به داده های عددی تبدیل می شوند. این اعداد و ارقام مشخص می کنند اتفاقات بسیاری در برخورددهنده رخ می دهد که وجود ذرات هیگز را اثبات می کنند.

با این حال خیلی هم نباید ناامید شویم! فیزیکدانانی که در سرن کار می کنند، افراد خوبی هستند که می دانند ما چه می خواهیم: تصویری زیبا که نمایی از بوزون هیگز نشان می دهد. آنان تلاش می کنند چنین نمایی را برایمان تهیه و فراهم کنند. اگر می خواهید شبیه سازی ای گرافیکی از برخوردهای درون شتاب دهنده ها ببینید و چیزی را که ذره هیگز در عمل به آن شباهت دارد مشاهده کنید، به پایگاه اینترنتی سرن به نشانی اینترنتی home.web.cern.ch سر بزنید.

فیزیکدانان درباره ذره هیگز می گویند...

«هیگز» یکی از ذرات بنیادی است که مدل استاندارد فیزیک ذرات وجود آن را پیش بینی کرده است. گفته می شود ذره هیگز عامل ایجاد جرم (یا به بیانی نه چندان دقیق؛ سنگینی و وزن) در ذرات بنیادی است. این ذره تنها ذره مدل استاندارد است که تا قبل از سال 2012 شناسایی و مشاهده نشده بود.

یکی از خواص کوانتومی ذرات بنیادی اسپین آنهاست. معادل مکانیکی یا کلاسیک اسپین را به صورت چرخش در نظر می گیرند. اسپین همان چرخش نیست، بلکه بیانی برای تجسم و درک اثر اسپین و مقادیر متفاوت آن در ذرات بنیادی مختلف است.

ذرات بنیادی را براساس اسپین شان به دو گروه تقسیم می کنند: فرمیون ها و بوزون ها. فرمیون ها ذراتی با اسپین نیم صحیح (مثل یک دوم یا دوسوم و... )اند و بوزون ها ذراتی هستند که اصطلاحا اسپین صحیح (یا غیرکسری) مثل یک یا دو یا... دارند. اسپین بوزون را معادل صفر در نظر می گیرند. ذره بنیادی هیگز در این طبقه بندی در دسته ی بوزون ها قرار می گیرد.

از آنجا که ویژگی های فیزیکی، ازجمله جرم پیش بینی شده برای بوزون هیگز، در محدوده توان آشکارسازی ابزارهای کنونی مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider=LHC) قرار دارد، به نظر دانشمندان آشکارسازی آن (در صورتی که واقعا وجود داشته باشد) کار غیرممکنی نیست. بنابراین در سال های دهه اخیر تلاش های بسیاری برای آشکارسازی و شناسایی آن انجام می شد تا این که سرانجام در نیمه تیر 1391 تلاش ها نتیجه داد.

---

مطلب‌های دیگر از همین نویسنده در سایت آینده‌نگری:

+ رمزگشایی از اسرارآمیزترین ذرات بنیادی 

منبع:

نسخه‌ی چاپی ارسال اين مطلب به دوستان

---

[نظر دهید]    [تعداد نظرهای ثبت شده در پیوند با این مطلب: ] 

.

---