ابرتصادم گر هادرونى

 

 

كريس للولين اسميت

ترجمه: مهسا وهابى- محمدرضا مولايى

 

 

 

 

ابرتصادم گر هادرون يك شتاب دهنده  ذرات با انرژى و پيچيدگى بى نظير و بى سابقه است كه نتيجه آن همكارى و مشاركت جهانى براى آشكارسازى بخش جديد پنهانى از حقيقت است. وقتى دو پروتون كه با سرعت 99.999999  درصد سرعت نور در حركت اند، با هم برخورد سر به سر دارند، انفجار زيراتمى حاصل به طور طبيعى ۱۴ تريليون الكترولت (TeV)  انرژى فراهم مى كند. اين انرژى كه برابر با ۱۴ هزار برابر انرژى ذخيره شده در جرم در حال سكون پروتون است ميان ذرات كوچك ترى كه پروتون را تشكيل مى دهند (كوارك ها و گلوئون ها كه آنها را به هم متصل مى كند) به اشتراك گذاشته مى شود. 

در اكثر برخوردهايى كه كوارك ها و گلوئون هاى مستقل تنها برخورد مماسى دارند، انرژى به هدر مى رود و ذرات آشنايى كه توسط فيزيكدانان از مدت ها پيش طبقه بندى و شناخته شده اند، آزاد مى شوند.اما بعضى اوقات، دو كوارك با هم برخورد سر به سر دارند كه انرژى آن TeV ۲  يا بيشتر است. فيزيكدانان معتقدند كه طبيعت حقه هاى جديدى در آستين خود دارد كه بايد در آن برخوردها برملا شوند، شايد يك ذره  ناشناخته مرموز) كه به بوزون هيگز معروف است، شواهد يك اثر معجزه آسا را كه ابرتقارن ناميده مى شود يا شايد پديده اى غيرقابل انتظار، فيزيك ذرات بنيادى را متحول سازد. 

آخرين بارى كه چنين برخوردهاى شديد از كوارك ها به تعداد بسيار زيادى اتفاق افتاد، ميليارد ها سال پيش در اولين پيكو ثانيه هاى بعد از انفجار بزرگ بود. چنين برخوردهايى مجدداً در سال ،۲۰۰۷ در يك تونل زيرزمينى گرد، در حومه  شهر ژنو و در نزديكى مرز سوئيس فرانسه روى مى دهد. تا آن هنگام هزاران دانشمند و مهندس از ده ها كشور انتظار اتمام ساختن آشكارسازهاى بزرگ براى ابرتصادم گر  هادرون (LHC)  و شروع آزمايش ها را دارند.

اين پروژه وسيع و از نظر فناورى دشوار، كه به وسيله  سرن ، (آزمايشگاه اروپايى فيزيك ذرات) سازمان دهى مى شود و عمده مسئوليت ساخت شتاب دهنده را به عهده دارد، هم اكنون در دست اجرا است. LHC  انرژى اى در حدود ۷ برابر انرژى تصادم گر تواترون كه در آزمايشگاه شتاب دهنده ملى فرمى در باتاوياى آمريكا قرار دارد، فراهم مى كند. كوارك بالا (Top)  كه مدت ها در جست و جويش بودند در آزمايش هاى سال هاى ۱۹۹۲ تا ۱۹۹۵ در تواترون كشف شد.

LHC  به انرژى بى سابقه خود دست خواهد يافت. به  رغم اين كه داخل محدوده تونل ۲۷ كيلومترى موجود ساخته شده است. آن تونل محل استقرار تصادم گر الكترون _ پوزيترون بزرگ سرن (LEP)  بود كه در سال هاى ۱۹۸۹ تا ۲۰۰۰ كار مى كرد و از آن براى انجام دادن آزمايش هاى دقيق نظريه ذرات بنيادى در انرژى حدود يك درصد انرژى LHC استفاده مى شد. با استفاده از تونل LEP ، LHC   از مشكلات و هزينه بالاى ساخت و نصب يك تونل جديد و بزرگ تر و ساخت ۴ شتاب دهنده  تزريقى كوچك تر و تسهيلات وابسته رهايى مى يابد. ولى خم كردن مسير باريكه هاى پروتون TeV ۷-  كه دور تونل قديمى در حال حركت هستند، به ميدان مغناطيسى قوى ترى نسبت به آن هايى كه شتاب دهنده هاى پيشين استفاده مى كردند، احتياج دارد.

آن ميدان ها به وسيله   مغناطيس ۱۵مترى كه دور ۸۵ درصد محيط تونل نصب شده اند ايجاد خواهد شد. آهن رباها به وسيله كابل هاى ابررسانا كه حامل جريان ۱۲ هزار آمپر هستند تغذيه و به وسيله هليوم ابرشاره تا دماى  سلسیوس ْ۲۷۱_ يعنى ْ ۲ بالاى صفر مطلق خشك مى شوند.

براى انجام آزمايش هاى فيزيكى سودمند، به چيزهايى بيشتر از پروتون هاى پرانرژى احتياج داريم. آن چيزى كه بايد در نظر گرفت انرژى برخوردهاى بين كوارك ها و گلوئون هاى تشكيل دهنده پروتون است.  LHC،  باريكه هاى پروتون را با شدت بى نظير و بى سابقه برخورد مى دهد تا تعداد برخوردهاى نادر و كمياب بين كوارك ها و گلوئون را كه داراى انرژى زيادى است، افزايش دهد.شدت (intensity) يا پرتوافكنىluminosity)  LHC، ۱۰۰ ) برابر تصادم گرهاى گذشته و ۱۰ برابر، ابرتصادم گر ابررسانا (SSC)  خواهد بود.

 SSC  مى توانست يك رقيب پا به پا براى LHC  باشد كه باريكه هاى پروتون  Tev ۲۰  را در تونل با محيط ۸۷ كيلومتر دور واكساهاچى تگزاس مى گرداند. شدت بالاتر LHC،  تقريباً انرژى پايين تر باريكه را جبران مى كند ولى انجام آزمايش ها را مشكل تر مى كند. به علاوه ، چنين شدت هاى بالايى مى تواند مشكلاتى مثل آشفتگى و اغتشاش در مدار باريكه را برانگيزد كه براى پايدار و متمركز نگه داشتن باريكه، بايد بر آنها غلبه كرد. در چهار منطقه از حلقه LHC،  يك ميليارد برخورد در هر ثانيه اتفاق خواهد افتاد كه هر كدام ۱۰۰ ذره  ثانويه ايجاد مى كنند. آشكارسازهاى عظيم (بزرگ ترين آنها به ارتفاع يك ساختمان ۶ طبقه است) كه از هزاران جزء پيچيده تشكيل شده اند، اين آثار را مسيريابى و رديابى مى كنند. الگوريتم هاى پيچيده كامپيوترى بايد اين بهمن اطلاعات را به طور آنى (شايد ۱۰ تا ۱۰۰ ثانيه) به دقت بررسى كنند تا تصميم بگيرند كه كدام مورد ارزش ثبت شدن را براى آناليز كامل بعدى دارد.

 

 

 

 

پرسش هاى بى پاسخ

هرچقدر كه طبيعت را با كاونده هاى انرژى زياد بررسى مى كنيم، در مقياس هاى كوچكتر ساختار ماده تحقيق مى كنيم. آزمايش هايى كه در شتاب دهنده هاى كنونى انجام مى شود، ماده را تا يك ميليارديم يك ميليارديم متر 10 ^{- 18} m  مورد بررسى قرار داده است. پرتابه هاى LHC،  حتى عميق تر از اين مقدار (پايين تر از   10 ^{- 19} m  به درون قلب ماده نفوذ خواهد كرد. اين به تنهايى كافى خواهد بود تا اشتياق و رغبت علمى را برانگيزاند ولى اين مسابقه جديد قلمرو جديدى را مى گشايد كه جواب به اين سئوالات بزرگ در اين قلمرو جديد قرار مى گيرد. در ۳۵ سال گذشته، فيزيكدانان ذرات، يك تصوير نسبتاً متحد يا به هم پيوسته را ارائه كرده اند (مدل استاندارد) كه ساختار ماده را تا ^۱۸-۱۰ متر با موفقيت توصيف مى كند. مدل استاندارد (قاب صفحه۱۵ را ببينيد) تمامى اجزاء ماده و سه نيرو از چهار نيرو را كه رفتارشان را كنترل مى كند، به طور مختصر و مفيد توصيف مى كند. اجزاى ماده ۶ ذره به نام لپتون ها و ۶ ذره به نام كوارك ها است. يكى از نيروها، كه به نام نيروى قوى معروف است بر كوارك ها عمل مى كند و آنها را به هم پيوند مى دهد تا صدها ذره به نام هادرون را تشكيل دهند. پروتون و نوترون، هادرون هستند و اثر باقى مانده نيروى قوى آنها را به هم پيوند مى دهد تا هسته  اتم ساخته شود. دو نيروى ديگر نيروى الكترومغناطيسى و نيروى ضعيف نام دارند كه در برد كوتاهى عمل مى كنند ولى عامل واپاشى راديواكتيو بتا هستند و براى تامين انرژى خورشيد ضرورى اند.

مدل استاندارد با ظرافت، يكى شدن و متحد  شدن اين دو نيرو را به نيروى الكتروضعيف شرح مى دهد و با وجود ظاهر متفاوتشان، خواص شان را به هم مربوط مى كند. بيش از ۲۰ فيزيكدان به خاطر كارشان كه به مدل استاندارد منجر شد جايزه نوبل گرفتند. از تئورى الكتروديناميك كوانتومى (جايزه ۱۹۶۵) تا كشف نوترينو و ذره تاو (۱۹۹۵) و كار نظرى آقايان گرادوس هوفت (Geradus,t Hooft)  و مارتينوس ج.گ. ولتمن (MartinusJ.G. Veltman)  هنگامى كه در دانشگاه اوترشت (Utrecht) سال ۱۹۹۹) بودند. اما با وجود اين كه مدل استاندارد يك پيشرفت علمى بزرگ است و به وسيله تعداد زيادى آزمايش دقيق تائيد شده، چند ايراد جدى دارد.

اول اين كه اين مدل به صورت سازگار، تئورى آلبرت اينشتين درباره خواص فضا، زمان و بر همكنش آن با ماده را شامل نمى شود. اين تئورى (نسبيت عام)، توصيف زيبايى از نيروى چهارم يعنى گرانش است كه به وسيله آزمايش هم تائيد شده است. مشكل اينجا است كه مدل استاندارد برخلاف نسبيت عام، يك تئورى كاملاً كوانتوم مكانيكى است و بنابراين پيش بينى هايش در مقياس هاى خيلى كوچك (خيلى دورتر از ناحيه اى كه آزمايش شده است) نقض مى شود. غيبت توصيف كوانتوم مكانيكى گرانش، مدل استاندارد را از لحاظ منطقى ناقص مى كند.

دوم اين كه مدل استاندارد با وجود اين كه محدوده وسيعى از اطلاعات را با معادلات ساده اساسى توصيف مى كند، آشكارا حاوى چند مقدار دلخواه است. به عنوان مثال اين مدل نشان نمى دهد كه چرا شش كوارك و شش لپتون داريم و نه چهار تا و يا توضيح نمى دهد كه چرا تعداد كوارك ها و لپتون ها با هم برابر است. آيا اين اتفاق كاملاً تصادفى است؟ به طور نظرى مى توانيم تئورى هايى بسازيم كه دليل ارتباط قوى بين كوارك ها و لپتون ها را براى ما توضيح دهد ولى نمى دانيم كه آيا اين تئورى ها درست هستند يا نه؟

سوم اين كه مدل استاندارد يك جزء تمام نشده و آزمايش نشده دارد. اين يك جزء كوچك نيست بلكه يك جزء (مولفه) مركزى است. همان مكانيسمى كه جرم مشاهده شده ذرات را توليد كند. جرم ذرات خيلى خيلى مهم است. (به عنوان مثال تغيير دادن جرم الكترون تمام شيمى را تغيير مى دهد و جرم هاى نوترينوها انبساط جهان را تحت تاثير قرار مى دهد.) جرم نوترينو نهايتاً چند ميليونيم جرم الكترون است ولى آزمايش هاى اخير نشان داده كه جرم آن صفر نيست. دانشمندانى كه دو آزمايش پيشگام را سرپرستى كردند و به اين كشف دست يافتند جايزه نوبل فيزيك ۲۰۰۲ را از آن خود ساختند.

 

• مكانيسم هيگز

فيزيكدانان بر اين باورند كه ذرات در برهمكنش هايى با ميدانى كه تمامى جهان را اشباع مى كند، توليد مى شوند؛ هرچه ذره اى با ميدان مزبور برهمكنش قوى ترى انجام دهد، جرمش بيشتر است. (تصوير صفحه۱۶ را ببينيد) در هر حال سرشت اين ميدان ناشناخته باقى مى ماند. ماهيت اين ميدان مى تواند ميدان بنيادى جديدى باشد، كه به افتخار فيزيكدان بريتانيايى پيتر هيگز ميدان هيگز ناميده مى شود. شق ديگر آن است كه موجودى مركب باشد كه از ذرات جديدى (به نام تكنيكوارك) تشكيل شده باشد كه به وسيله نيروى جديدى (موسوم به تكنيكالر) به يكديگر قوياً پيوند دارند. حتى اگر ميدان يك ميدان بنيادى باشد، باز هم سئوالات گوناگونى درباره ميدان هيگز وجود دارد: چه تعداد ميدان هيگز وجود دارد و ويژگى هاى دقيق آنها چيست؟ ليكن در هر حال ما با اطمينان تقريباً رياضى مى  دانيم كه هر مكانيسمى كه عامل اين امر باشد، بايد پديده هاى جديدى در محدوده انرژى LHC  مانند ذرات مشاهده پذير هيگز يا تكنوذره ها را به وجود آورد. بنابراين هدف اصلى طراحى LHC  كشف اين پديده ها و معين كردن مكانيسم جرم زايى مزبور است. آزمايش هاى  LHC  همچنين به پديده هاى نوين ديگرى حساس خواهند بود كه مى توانند مويد نظريه هايى باشند كه مدل استاندارد را بسط داده يا كامل مى كنند.

 

 

 

براى مثال گمان بسيار مى رود تئورى كامل تر بايد شامل ابرتقارن باشد. 

ابرتقارن شبكه روابط مابين نيروها و ذرات بنيادى را بسيار زياد مى كند. ابرتقارن موضعى خواه ناخواه گرانشى را نيز دربرخواهد داشت. برعكس تنها نظريه شناخته شده (تئورى ريسمان) كه مى تواند با موفقيت نسبيت عام را با مكانيك كوانتومى تلفيق كند، نيازمند ابرتقارن است. اگر ابرتقارن درست باشد، فيزيكدان ها دليل بسيار مناسبى در اختيار دارند مبنى بر اينكه LHC  مى تواند ذرات جديدى را كه پيش بينى كرده است، بيابد. اين آزمايش ها مى توانند پديده هاى نوينى در وراى دامنه اى كه قبلاً توسط  LEP  كاوش شده بود، بيابند. ليكن حتى اگر آنها LHC  را بسازند تنها قله كوه يخ ديگرى را آشكار خواهند كرد و  LHC  همان جايى است كه فيزيكدان ها بررسى هاى گسترده فرآيندهاى نوين را انجام مى دهند.
اگر تواترون اين پديده هاى جديد را مشاهده نكند، در آن صورت  LHC  طعمه را صيد خواهد كرد. توان كاوشگرى LHC  دربرگيرنده توان LEP   و تواترون است و هيچ گونه شكافى باقى نمى گذارد كه پديده هاى فيزيكى جديد در آن پنهان بماند. علاوه بر اين اندازه گيرى هاى با دقت زياد كه دردهه گذشته در LEP  مركز شتاب دهنده خطى استانفورد و آزمايشگاه فرمى انجام گرفته اند، اساساً اين نگرانى را كه بوزون هيگز ممكن استبيروناز دسترس محدوده انرژى LHC  باشد، برطرف ساخته است. اكنون روشن است كه بوزون هيگز و يا پديده هاى فيزيكى جديد ديگرى ك هوابسته به توليد جرم باشند در LHC  يافت خواهند شد.

 

• رقابت با مهبانگ

پرداختن به اين نوع فيزيك مستلزم بازتوليد شرايطى است كه تنها يك تريليونيوم ثانيه پس از مهبانگ وجود داشته است؛ كارى كه فناورى هاى نوين را به مرزها و ماوراى آنها سوق مى دهد. مغناطيس ها براى نگهدارى پرتوهاى پروتون 7  TeV  طى مسير بايد ميدانى به قدرت ۳/۸ تسلا را توليد كنند. اين شدت ميدان تقريباً ۱۰۰ هزار برابر ميدان مغناطيسى زمين است و بالاترين شدت ميدانى است كه تاكنون در شتاب دهنده اى به كار رفته است. اين آهن رباها مبتنى بر فناورى ابررسانايى هستند: جريان هاى عظيم بدون هيچ گونه مقاومتى از ميان سيم هاى نازك ابررسانا شارش مى كنند كه حاصل آن آهن رباهاى فشرده اى است كه مى توانند ميدان مغناطيسى اى توليد كنند كه شدت آن با آهن رباهاى معمول ساخته شده توسط سيم هاى مسى غيرقابل حصول است. [تصوير صفحه ۱۵ را ببينيد.] براى ابقاى ابررسانايى در اين وضعيت- با جريان ۱۲ هزار آمپر- هسته هاى آهن رباها بايد در طول مسير ۴/۲۲ كيلومترى تونل در دماى ۲۷۱- درجه سانتيگراد نگه داشته شود. تلاش براى رسيدن به تبريد در اين مقياس هيچ گاه صورت نگرفته است. در دسامبر ۱۹۹۴ يك قطعه از نمونه اصلى كامل LHC  به مدت ۲۴ ساعت به كار پرداخت، كه ثابت كرد محك  فنى كليدى براى انتخاب آهن رباها صحيح اند. از آن زمان تاكنون آزمون هايى روى نمونه هاى اوليه انجام شده و اجراى LHC  را به مدت ده سال شبيه سازى كرده اند. هم اكنون آهن رباهايى كه از معيارهاى طراحى روز بالاتر ند در حال ساخت و تحويل به CERN  است تا براى آ زمودن  نهايى و نصب به كار رود. با كنار گذاشتن طراحى  TeV ،۴۰ SSC  در سال ۱۹۹۳ LHC، TeV ۱۴  تنها پروژه شتاب دهنده در دنيا شد كه مى تواند يك برنامه تحقيقاتى متنوع در مرزهاى انرژى زياد را اجرا كند. پرتوها متشكل از خوشه هاى پروتون هستند كه مانند مهره هاى يك زنجيره رشته ر شته شده اند. در هر نقطه برخورد، جفت هايى از اين خوشه ها ۴۰ ميليون بار در ثانيه از بين يكديگر عبور خواهند كرد و هر بار حدود ۲۰ برخورد پروتون- پروتون را به وجود خواهند آورد. برخوردها چنان زياد خواهند بود كه هنگامى كه برخورد بعدى روى مى دهد ذراتى از برخورد قبلى هنوز در حال عبور از آشكارسازها خواهند بود. از اين ۸۰۰ ميليون برخورد در ثانيه تنها حدود يك در يك ميليارد برخورد رودرروى كواركى است.

 

 

 

براى آنكه پا به پاى اين سرعت سرسام آور پيش برويم، اطلاعات از آشكارگر به درون خط الكترونيكى لوله خواهد رفت كه آنقدر طولانى هست كه داده هاى مربوط به هزاران برخورد را نگاهدارى كند. اين امر به دستگاه هاى الكترونيك «پايين رودخانه» آنقدر زمان مى دهد تا در اين مورد تصميم گيرى نمايد كه آيا يك برخورد جالب است و بايد قبل از رسيدن داده ها به پايان خط لوله و ناپديد شدن ضبط و ثبت شود يا نه. آشكارگر هاى LHC   ده ها ميليون كانال بازخوانى خواهند داشت. جفت و جور كردن تمام علائم موجود در خط لوله كه از يك برخورد پروتون- پروتون يكسان سرچشمه مى گيرند، هدفى بلندپروازانه خواهند بود.

 

• وقتى كوارك ها برخورد مى كنند

در حقيقت آشكارسازهاى ذرات با تلاش مجدانه براى تماشاى هر برخورد به منظور ارائه علائم رويدادهاى جالب چشم هاى الكترونيكى فيزيكدانان محسوب مى شوند. LHC  چهار آشكارساز ذره اى خواهد داشت. از اين مجموعه دو آشكارساز عظيم و همانند عروسك روسى ماتريوسكا است كه بخش هاى آن به خوبى در يكديگر تنگ چين شده اند و نقطه برخورد باريكه اى به سمت مركز آشكارساز هدايت مى شود. هر بخش انباشته از فناورى هاى نوين و براساس سفارش طراحى و ساخته شده است. تا پيش از آنكه ذرات به لايه بعدى برسند، مشاهده هاى ويژه اى روى آنها انجام مى شود.

آشكارسازهاى چندمنظوره ATLAS و CMS  كه به اندازه ۲۲ متر بلندى دارند، ذرات هيگز و ابرتقارن را جست وجو مى كنند و با ثبت و ضبط آثار باقى مانده از برخورد تا آنجا كه مقدور است، گوش به زنگ وقايع غيرمنتظره خواهند بود. دو آشكارساز كوچك تر، ALICE و LHC  بر حوزه هاى گوناگون خاصى از فيزيك متمركز خواهند شد. هم ATLAS و هم CMS براى آشكار ساختن موئون ها، الكترون ها و فوتون هاى پرانرژى كه حضورشان مى تواند توليد ذرات نوين منجمله بوزون هاى هيگز را نشان دهد، بهينه شده اند. با وجود اين آنها راهكارهاى بسيار متفاوتى را دنبال مى كنند. سال ها شبيه سازى رايانه اى نشان داده است كه آنها مى توانند هر پديده نوينى كه طبيعت ممكن است از خويش به نمايش بگذارد آشكار سازند. پايه ريزى ATLAS  مبتنى بر يك آهن رباى عظيم است كه مجهز به آشكارسازهايى است كه به منظور تشخيص موئون ها در هوا طراحى شده اند.

CMS ( سولنوئيد موئونى فشرده) از رهيافت سنتى تر استفاده از اتاقك هاى داخل يوغ بازگشتى يك آهن رباى سولنوئيدى بسيار قدرتمند براى آشكار ساختن موئون ها استفاده مى كند. قسمتى از آشكارساز CMS  از بلورهايى تشكيل مى شود. هنگامى كه الكترون ها و فوتون ها داخل آن مى شوند، نور مى  دهند يا چشمك مى زنند. چنين بلورهايى را بسيار دشوار مى توان درست كرد و CMS  از تجربه اى كه آزمايش هاى اخير L3 در CERN   كسب كرده است، كه آن هم از بلورها استفاده كرده، بهره مند مى شود.

(آشكارساز L3 ) يكى از چهار آشكارسازى بود كه از سال ۱۹۸۹ تا سال ۲۰۰۰ در تصادم گر LEP  به كار رفت و با انجام بررسى هاى موشكافانه نيروى ضعيف آشكار ساخت. كه دقيقاً سه گونه نوترينوى با جرم صفر يا كم جرم وجود دارد) پيش از L3 چنين بلورهايى فقط در مقادير اندك ساخته شده بودند، ليكن L3  يازده هزار تا از آنها را نياز داشت. مشابه اين بلورها كه براى L3  ساخته شد در ابزارهاى تصويرسازى پزشكى بسيار مورد استفاده قرار گرفته اند. بلورهاى برتر CMS  در زمان مقتضى احتمالاً حتى تاثير عظيم ترى در حوزه پزشكى خواهند داشت.

 ALICE (يك آزمايش بزرگ تصادم گريونى) آزمايش تخصصى ترى است و هنگامى كه LHC هسته هاى سرب با انرژى بسيار زياد TeV۱۵۰/۱ را به يكديگر تصادم مى دهد، اين فرصت را پيدا مى كنيم تا توانايى هايش را به نمايش بگذارد.انتظار مى رود كه اين انرژى بيش از ۴۰۰ پروتون و نوترون را در هسته هاى تصادم كننده «گداخته كند» و با اين وصف كوارك ها و گلوئون هاى آنها را آزاد مى سازد تا گويچه اى از پلاسماى كوارك- گلوئون تشكيل دهند

(QGP)  كه حدود ۱۰ هزارم ثانيه پس از انفجار بزرگ بر جهان حكمفرما بود.  ALICE  به دوره آهن رباى آزمايش L3 نصب شده و مجهز به آشكارسازهاى نوينى است كه براى بررسى QGP  بهينه شده اند. شاهدهاى بسيارى وجود دارد كه آزمايش ها در CERN قبلاً پلاسماى كوارك- گلوئون را توليد كرده اند.