کاوشی در منشا پیدایش جهان

صد متر زیر زمین، درست در زیر مرز سوییس و فرانسه، دانشمندان در حال بازگشت به عقب در زمان هستند تا به مطالعه ی ماده، در کسر هایی از ثانیه پس از پیدایش جهان بپردازند. آنان از بزرگترین ابزار علمی جهان استفاده می کنند تا به آنها در فهم اینکه این ماده ی آغازین، چگونه تبدیل به سنگ بناهای نخستینی شد که امروزه این گوناگونی وسیع را به وجود آورده است، کمک کند. این دانشمندان، کاوشگرانی هستند که افق های دید ما را در زمان و مکان وسیع تر نموده، و می خواهند به این سوال اساسی پاسخ دهند که : ما از کجا آمده ایم؟
مشاهده های ستاره شناسان دلالت بر این دارد که جهان هنوز هم در حال انبساط از یک توده ی بسیار چگال و پرانرژی، پس از یک «انفجار بزرگ داغ» رخ داده در حدود ١٥ میلیارد سال پیش است. اما سوال آنجا است که ماده ی امروزی جهان، چگونه از چنین توده ای تحول پیدا کرده است؟ این یکی از مهم ترین سوال هایی است که پژوهش های نوین فیزیک ذرات، مایل به پاسخ گویی به آن است. برخورد های پر انرژی ذرات زیر اتمی می تواند ما را در زمان آنقدر به عقب ببرد تا آنجا که بتوانیم ماده ی تشکیل شده در کسر های اولیه ی پس از مه بانگ ( انفجار بزرگ) را شبیه سازی نماییم. از این راه، بررسی ماده در کوچکترین مقیاس (ذرات زیراتمی) در ارتباط تنگاتنگ با بزرگترین مقیاس ممکن (جهان) است. فیزیک ذرات امروز با ستاره شناسان، نیرو های خود را برای کاوش منشا پیدایش جهان و بطور اخص، منشا پیدایش ماده، بسیج کرده اند.
● تاریخچه‌ی فیزیک ذرات
در طول دو قرن گذشته، دانشمندان به پیشرفت های بزرگی در فهم آنچه ما و جهان اطراف ما از آن ساخته شده ایم، دست یافته اند. نخست، درک این مطلب بود که ماده، از عناصر ی با خواص فیزیکی و شیمیایی کاملا معین تشکیل شده است. این عناصر در محدوده ی هیدروژن (به عنوان سبک ترین) و اورانیوم و عناصر فراتر از آن قرار دارند.
هر عنصر از واحد های ساختمانی – اتم ها – که برای هر کدام منحصر به فرد می باشد، تشکیل شده و اتم های گوناگون، می توانند با هم ترکیب شوند و تنوع بی شماری ترکیبات، از ماده ی ساده ای مانند آب گرفته تا مواد پیچیده ای مانند پروتئین ها را به وجود بیاورند. با اینحال، چنانچه دانشمندان در اواخر سده ی نوزدهم کشف کردند، اتم ها ساده ترین واحد های سازنده ی ماده نیستند.
ما امروزه می دانیم که بیشتر جرم اتم در یک هسته ی کوچک، چگال و با بار مثبت متمرکز شده است. ابر کوچکی از الکترون ها ی با بار منفی هسته را از فاصله ای دور احاطه کرده اند و بنابراین بیشتر فضای اتم را فضای خالی تشکیل می دهد. در بیشتر اتم ها ، هسته حاوی دو نوع ذره با جرم تقریبا برابر است: پروتون های با بار مثبت و نوترون های بدون بار الکتریکی. برای خنثی نگه داشتن کل اتم، تعداد پروتون ها دقیقا با تعداد الکترون ها برابری می کند.
در ١٨٩٠، دو فیزیکدان به طور جداگانه، شروع به کاوش در فضای داخل اتم نمودند. اولی، جوزف (‘J.J.’) تامسون نخستین ذره ی زیر اتمی – الکترون - را کشف کرد که در همین حین، یکی از شاگردان او به نام ارنست رادرفورد، آغاز به کاوش در پدیده ی جدید رادیواکتیویته، که در آن اتم از یک نوع به نوعی دیگر تبدیل می شد نمود. این کاوش ها سرانجام به کشف هسته ی اتم، در همکاری با هانس گایگر ( که با شمارگر رادیواکتیویته ی گایگر مشهور است) و ارنست مارسدن در ١٩١٠-١٩٠٩ منتهی گردید. سپس رادرفورد دریافت که ذرات با بار مثبت موجود در هسته ی اتم، با هسته ی هیدروژن یکسان اند. او این ذرات را پروتون نامید. و در ١٩٣٢، جیمز چادویک نشان داد که هسته ها باید شامل نوترون ها هم باشند. از آن زمان به بعد بود که رادرفورد و همکاران او، تصویر نوین اتم را بنا نهادند.
این تنها شروع ماجرا بود. الکترون، پروتون و نوترون اعضای پیش قراول رژه ی باشکوه ذرات زیر اتمی بودند. در خلال دهه های ١٩٣٠و ٤٠، بسیاری از فیزیکدانان به مطالعه ی تابش کیهانی – بارش مداوم ذرات زیر اتمی پر انرژی که از فضا نشات می گرفتند – پرداختند.
برخورد های تابش های کیهانی پر انرژی با ذرات جو زمین، موجب واپاشی های هسته ای می شود که آنها موجب تولید انواع جدیدی از ذرات کوتاه عمر می شوندکه تنها از طریق رد های بجا مانده در آشکارسازهای حساس قابل مشاهده اند. از جمله ی این ذرات می توان از موئون که کاملا شبیه الکترون رفتار می کند اما ٢١٠ بار از آن سنگین تر است؛ پیون که تنها اندکی از موئون سنگین تر است؛ کائون با جرمی اندکی بیش از نصف جرم پروتون؛ و لامبدا دارای جرمی %٢٠ بیش از پروتون نام برد.
▪ پادماده
یکی از ذرات اسرار آمیز ی که در ١٩٣٢ توسط کارل آندرسن در انیستیتو ی تکنولوژی کالیفرنیا کشف شد، پوزیترون – با جرم برابر با الکترون، اما با بار مثبت الکتریکی - بود. وجود پوزیترون در آغاز معمایی بود که توسط فیزیکدان تئوری دانشگاه کمبریج با نام پل دیراک حل شد.
بر طبق نظریه ی دیراک، پوزیترون ذره ایست با خواصی دقیقا متضاد با یک الکترون و به همین علت به آن نام پادالکترون را دادند. این نظریه نشان می داد که یک الکترون و پوزیترون چگونه می توانند به همراه هم از انرژی خالص تولید شوند؛ البته به شرط آنکه انرژی مورد بحث، بر طبق رابطه ی اینشتین – E=mc٢- بتواند مقدار جرم این دو ذره را تامین کند.
اگر این دو ذره با هم برخورد کنند، ذره و پادذره ناپدید شده و تنها انرژی بر جای می ماند – این عمل نابودی متقابل را نابودی زوج می نامند. آزمایش ها نشان داده اند که بقیه ی ذرات، مانند پروتون ها، نوترون هاو موئون ها نیز دارای پادذره ی مخصوص به خود هستند.
در اوایل دهه ی ١٩٥٠، مطالعه ی این ذرات، تبدیل به شاخه ای از فیزیک شد که به حق نام فیزیک ذرات یافت. در این زمینه، فیزیکدانان ماشین هایی در اختیار گرفتند که می توانست به تقلید از تابش های کیهانی، منتها در شرایطی قابل کنترل تر ، پروتون ها و الکترون ها را تا انرژی های بالا شتاب دهد.
کوشش های اوایل دهه ی ١٩٣٠ که توسط جان کوککرافت و ارنست والتون از دانشگاه کمبریج، و ارنست لاورنس و استنلی لیوینگستون از دانشگاه برکلی کالیفرنیا انجام گرفت، موجب تولید نخستین پروتون های شتاب گرفته به دست بشر شد. اندیشه های پیشروی آنان، موجب تولد دستگاه های بزرگی که توانایی تولید میلیونها پروتون، الکترون، پیون یا کائون را در هر ثانیه داشتند، در دهه های ١٩٥٠ و ٦٠ شد. با ابداع آشکارساز های پیچیده تر جدید جهت تکمیل شتابدهنده ها، امروزه فیزیکدانها ابزار هایی برای بررسی تنوع های گوناگون ذرات، با جزئیات قابل توجه در اختیار دارند.
▪ فضای داخلی
چنین یورشی به قلمرو «فضای داخلی (اتم)»، نتایج تماشایی به دنبال داشت. ما می دانیم که ماده دارای بطن های داخلی است که تنها زمانی که در بررسی تابش های کیهانی به کاوش در باره ی آنها می پردازیم، آشکار می شوند. پروتون، نوترون، پیون، کائون، لامبدا و بسیاری ذرات زیر اتمی دیگر، خود دارای ساختاری پیچیده تر، و مبتنی بر تنها چند ذره ی پایه ای تر دیگر هستند : کوارک ها و پادکوارک های متناظر با آنها. شش نوع کوارک شناخته و نامگذاری شده اند: بالا، پایین؛ افسون، شگفت؛ سر و ته. این کوارک ها در گروه های سه تایی ترکیب شده و پروتون ها، نوترون ها، لامبدا ها و ذرات مشابه که با نام کلی باریون ها شناخته می شوند، را می سازند. همچنین این کوارک ها می توانند با پادکوارک ها ترکیب شده و ذراتی مانند پیون ها و کائون ها، که با نام کلی مزونها شناخته می شوند را بسازند.
از سوی دیگر، الکترون و موئون از کوارک ها ساخته نمی شوند، تا آنجا که می توان گفت غیرقابل تقسیم اند. آنها به خانواده ی دیگری از ذرات تعلق دارند با نام لپتونها که شامل ذره ی سنگین تر باردار سومی به اسم تاو و همچنین ذره ی تقریبا بدون جرم، خنثی و تقریبا غیر قابل آشکارسازی با نام نوترینو می شوند.
● درباره‌ی نیرو ها
آنچه به اندازه ی کوارک ها و لپتون ها به عنوان سنگ بناهای ماده اهمیت دارد، نیرو ها ی عمل کننده بین آنها که آنها را در قالب های قابل مشاهده در آورده اند، است. به نظر می رسد چهار نیروی بنیادی بر مواد اثر دارند: نیروی گرانشی، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و نیروی قوی.
نیروی گرانشی، ضعیف ترین نیرو از بین آنهاست؛ اما از فاصله های دور اثر می کند و کهکشان ها و ستارگان را در کنار هم نگاه می دارد. نیروی الکترومغناطیسی، قوی تر بوده و اتم ها و مولکول ها را در کنار هم نگاه می دارد؛ و مانند گرانش، برد آن بینهایت است. نیروی ]هسته ای[ ضعیف و نیروی ]هسته ای[ قوی، که در مقایسه دارای برد محدودتری هستند، تنها در محدوده ی ابعاد هسته ی یک اتم متوسط عمل می کنند. نیروی ]هسته ای[ ضعیف، موجب انواع مشخصی از واپاشی های رادیواکتیو بوده و در واکنش های هسته ای که سوخت خورشید را تامین می کنند، دخالت دارد. آخری، که قوی ترین نیرو ی شناخته شده است، کوارک ها و پادکوارک ها را در ذرات در کنار هم نگه می دارد. به نظر می رسد نیروی قوی به گونه ای عمل می کند که کوارک ها همیشه در داخل ذرات پیچیده تر محبوس شوند و بنابراین، یک تک کوارک آزاد هرگز مشاهده نشده است.
▪ مدل استاندارد
امروزه فیزیکدانان ذرات بر این باورند که می توانند رفتار تمام ذرات زیر اتمی شناخته شده را با یک قالب تئوری ساده به نام مدل استاندارد توصیف کنند. این مدل، کوارک ها و لپتون ها را به همان خوبی نظام مند نموده است، که برهمکنش آنها را با نیروهای ضعیف، قوی و الکترومغناطیسی. نیروی گرانشی، از مدل استاندارد بر کنار مانده است.
در مدل استاندارد، نیروهای بنیادی توسط خانواده ی سومی از ذره ها، بین کوارک ها و لپتون ها مبادله می شود. آنها بوزون های معیار هستند و به طور ساختاری با کوارک ها و لپتون ها – سنگ بنا های ماده - تفاوت دارند. برای هر نیرو، یک نوع ذره ی متفاوت وجود دارد: فوتونها (ذرات نور) حامل های نیروی الکترومغناطیسی اند؛ گلوئون ها حامل های نیروی قوی؛ و بوزون های باردار و خنثی، حامل نیروی ضعیف هستند. باور بر این است که ذره ای با نام گراویتون – که هنوز مشاهده نشده – مسوول نیروی گرانشی است؛ اما هنوز امکان ارائه ی یک نظریه ی استوار که شامل گراویتون باشد، قطعی نیست.
به نظر می رسد نیرو های بنیادی مختلف، در مواد معمولی کاملا به طور متفاوت با هم عمل می کنند؛ اما مدل استاندارد خاطر نشان می سازد که آنها اصولا در محیطی با انرژی بالا بسیار مشابه هم هستند. نظریه پردازان کشف کرده اند که تنها راه مناسب جهت کار با نیروی ضعیف، قرار دادن آن به همراه نیروی الکترومغناطیسی در نظریه ای یگانه با عنوان نظریه ی «نیروی الکترو- ضعیف» است. این کشف، یک پیشرفت غیر منتظره بود؛ درست آنچنانکه جیمز کلارک ماکسول در نیمه ی قرن نوزدهم با کنار هم قرار دادن الکتریسیته و مغناطیس با هم و مطرح کردن نظریه ی الکترومغناطیس، انجام داد.
▪ پیش به سوی یگانگی
در دنیای با انرژی پایین ما انسانها، نیروی الکترو- ضعیف به دو مولفه ی ضعیف و الکترومغناطیس تقسیم می شود. اما آنچنانکه برهمکنش ذرات پر انرژی نشان داده اند، در انرژی ها بالاتر تمایز بین نیروی ضعیف و الکترومغناطیس، به صفر می رسد و قدرت هر دو به یکتایی خواهد رسید.
حال ما مایلیم که این شرایط با انرژی بالا را به طور مصنوعی تولید کنیم؛ و این کار را با برخورد های بین ذرات شتاب گرفته توسط ماشین می توانیم انجام دهیم. اما ممکن است به نظر برسد در آغاز جهان، تمام ماده ی موجود، در این حالت با انرژی بالا قرار داشت؛ اکنون ما می دانیم که نیروی ضعیف و الکترومغناطیس در انرژی هایی که در کمتر از یک میلیاردیم ثانیه پس از مه بانگ بر جهان حاکم بود، به مثابه یک نیروی الکترو- ضعیف رفتار می کرد. اما قبل از آن چه؟ آیا حالت اولیه ای که تمام نیرو ها در آن حالت تنها یک نیروی واحد بودند، وجود داشت؟ یافتن مدرکی دال بر این یگانگی نیرو های بنیادی، یکی از مهمترین اهداف تحقیقاتی در فیزیک ذرات است.
در مدل استاندارد، کوارک ها، لپتون ها و بوزون های معیار جرم های خود را از طریق ساز و کاری که توسط پیتر هیگز از دانشگاه ادینبرو استفاده شد، به دست می آورند. بر اساس این ساز و کار، در برهمکنش ذرات با ذره ی جدیدی به نام بوزون هیگز ، قدرت این برهمکنش است که جرم هر ذره را تعیین می کند.
بوزون های معیار، که نیرو های بنیادی را مبادله می کنند، آشکار ساز های میدان های آن نیرو ها هستند. بر همین اساس، بوزون هیگز یک ذره ی میدان است. این میدان، دارای خواص متفاوتی نسبت به دیگر میدان ها است، خصوصا آنکه منشا جرم می باشد. هنوز مدرک تجربی دال بر وجود بوزون هیگز نداریم. این، یک حلقه ی مفقوده در مدل استاندارد است ؛ بدین معنی که در مقابل آزمایش های سخت و دقیق مقاومت نشان می دهد. یک کار مهم فیزیک ذرات در سالهای آینده، جستجو به دنبال جزء گمشده ای – که می تواند بوزون هیگز یا چیز دیگری باشد – که در پشت پرده ی نمایشنامه ی جرم قرار دارد، می باشد.
● سرن
فیزیکدان های ذرات بیشتر کشور های اروپا و سایر نقاط جهان به یک عمل متهورانه ی مشترک فوق العاده پیوسته اند تا پاسخ هایی برای سوالاتی که ما را در مورد مه بانگ و منشا ماده به چالش کشیده اند، بیابند.
پایگاه آنها در سرن – آزمایشگاه اروپایی فیزیک ذرات – واقع در حومه ی ژنو، بر روی مرز فرانسه و سوییس قرار دارد. سرن نمونه ای از یک همکاری اروپایی خوب نه تنها در زمینه ی دانش، بلکه در هر زمینه ی دیگری است. تاسیس آن به سال ١٩٥٤ بر می گردد؛ زمانی که بسیاری از فیزیک دان های اروپایی شروع به درک این مساله نموده بودند که همکاری های مشترک تنها راه پیش رو برای انجام پروژه هایی به پیچیدگی ساختن یک شتابدهنده ی بزرگ ذرات است.
کشور های موسس عبارت بودند از: آلمان، ایتالیا، بلژیک، دانمارک، سوئد، سوییس، فرانسه، نروژ، هلند، یوگسلاوی و یونان. از ١٩٥٤ به این طرف، سرن در حدی توسعه یافته است که اکنون شامل تعداد زیادی شتابدهنده است که پذیرای مجموعه ای ٦٠٠٠ نفری از فیزیکدانان از سرتاسر جهان می باشد. تعداد کشورهای عضو اکنون به ١٩ رسیده که اتریش، اسپانیا، جمهوری اسلواکی، پرتغال، جمهوری چک، فنلاند، لهستان و مجارستان به لیست اعضا اضافه و یوگسلاوی از آن خارج شده است. فیریک دانانی از برخی کشورهای غیر عضو مانند ژاپن، امریکا و فدراسیون روسیه نیز با تدارک برخی تجهیزات، در تحقیقات شرکت می کنند.
در سرن از زمان آغاز به کار تاکنون، شتابدهنده های متعددی از جمله LEP – برخورد دهنده ی عظیم الکترون، پوزیترون – در ١٩٨٩ در بخش مرکزی آن ساخته شده است که بزرگترین شتابدهنده ی جهان است.
▪ برخورد دهنده ی عظیم الکترون – پوزیترون
LEP دسته ای از الکترون ها با دسته ای از پوزیترون ها را در حالی که این دو دسته در حال پرواز در جهت های مخالف در سرعت هایی نزدیک به سرعت نور اند، در جایی در طول یک حلقه با محیط٢٧ کیلومتر، برخورد می دهد. زمانی که این دسته ها با هم برخورد می کنند، برخی از الکترون ها و پوزیترون ها عمل نابودی زوج انجام داده و انفجار های پر انرژی را – در کسر هایی از ثانیه – که شبیه سازی هایی از جهان آغازین هستند، موجب می شوند ؛ البته در مقیاسی کوچک. این انرژی بی درنگ دوباره به سیلی از ذرات زیر اتمی تبدیل می شود. چهار آشکارساز عظیم ، رد پا های این ذرات به دست آمده را ثبت و به فیزیکدانان اجازه می دهند تا نیم نگاهی به رفتار ماده در انرژی های بالا داشته باشند.
LEP دستگاهی به شکل دایره ای به مساحتی نزدیک به مساحت لندن در زیر زمین و فرزند بلا فصل دستگاه لاورنس و لیوینگستون در ٦٠ سال قبل است. این دستگاه، دارای حلقه ای از آهنربا ها جهت هدایت دسته های ذرات در مسیری دایره ای در داخل یک لوله ی باریک است و این ذرات به طور پیوسته از ناحیه هایی که هر کدام به تنهایی شتاب اندکی به آنها می دهند، می گذرند. در LEP ، دو نوع ذره – چهار دسته از الکترو ن ها و چهار دسته از پوزیترون ها – در جهت های مخالف در داخل حلقه پرواز می کنند. هر بار که ذرات تحت شتاب، به بیشترین انرژی خود می رسند ، مسیر ذرات طوری عوض می شود که ناگهان در چهار نقطه این مسیر ها همدیگر را قطع کنند؛ و بنا براین برخی از الکترون ها و پوزیترون ها می توانند با هم برخورد نمایند. (با توجه به اینکه بیشتر ذرات هر جفت دسته که به هم می رسند، به اندازه ی کافی به هم نزدیک نمی شوند که نابودی زوج رخ دهد.) بنابراین در هر بار شتاب دادن به ذرات، LEP دسته های ذرات را محبوس می کند تا ساعت ها به آنها شتاب بدهد، و در طول ٢٢ میلیونیم ثانیه آنها را برخورد دهد.
LEP بزرگترین شتابدهنده ای است که تاکنون ساخته شده است. این دستگاه در تونلی به پهنای ٨/٣ متر قرار دارد که در مجموع حلقه ای با محیط ٢٧ کیلومتر می سازد. تونل از مکان اولیه ی سرن – «می رین» سوییس – آغاز می شود؛ در گذر از زیر حومه ی شهر های کشور فرانسه، از مرز عبور می کند؛ به سوی دامنه های کوهستان «ژورا» پیش می رود و از آنجا به سوی «می رین » بر می گردد. LEP شامل ٤٦٠٠ آهنربا است که باریکه ی ذرات را هدایت می کنند. نیز در دو مقطع، ذرات توسط امواج رادیویی که داخل ساختارهای مسی توخالی – که «کاواک» نامیده می شوند- شتاب می گیرند.
باریکه ی ذرات از حلقه ی آهنربا ها ی درون لوله ی باریکه – یک لوله ی ٢٧ کیلومتری از جنس آلومینیوم، که باید در خلا بسیار بالایی نگهداری شود تا برخورد های ذرات سرگردان موجب از مسیر خارج شدن باریکه ی ذرات نشود - می گذرند. اهمیت حلقه ی بزرگ از این جهت است که ذرات را در مسیری با انحنای ملایم نگه می دارد.
الکترون ها و پوزیترون ها در هنگام چرخش از خود انرژی الکترومغناطیسی ساطع می کنند – اصلی فیزیکی که هر ذره ی باردار شتابدار، از خود موج الکترومغناطیس ساطع می نماید- و این اتلاف انرژی در هنگامی که این ذرات دارای انرژی جنبشی بیشتری باشند، یا مسیر حرکت آنها دارای انحنای بیشتری باشد، زیاد تر خواهد شد. به این دلیل در انرژی های بالا، انحنای مسیر در LEP باید به کمترین مقدار ممکن برسد.
▪ گامی به سوی LEP
الکترون ها و پوزیترون ها پس از سفری کوتاه در داخل شتابدهنده های کوچکتر که در چندین مرحله موجب افزایش انرژی آنها می شود، وارد LEP می شوند. دو دستگاه از این دستگاه ها، در اصل برای شتاب دادن به پروتون ها، تحت نظارت جان آدامز – مدیر کل وقت سرن - ساخته شده بودند. از این دو دستگاه، دستگاه کوچکتر در سال ١٩٥٩ ساخته شد و همچنان به عنوان جزء مرکزی شبکه ای از دستگاه ها که توانایی تامین باریکه ی پروتون، پادپروتون، هسته ی گوگرد یا هسته ی سرب را به همان خوبی تامین الکترون ها و پوزیترون ها دارند، در حال استفاده است.
▪ آرایه ای از آشکار ساز ها
در نقطه ای که دسته های الکترون و پوزیترون با هم روبرو می شوند، چهار آشکارساز مرکب، لوله ی باریکه ی LEP را احاطه می کنند. هدف از بکارگیری هریک، آن است که بیشترین ذرات تولید شده در نابودی زوج الکترون – پوزیترون را تا حد امکان آشکارسازی نمایند. بدین منظور، دستگاهی مورد نیاز است، که نقطه ی نابودی را احاطه نماید. بعلاوه، فیزیکدانها نیاز دارند بدانند جه نوع ذراتی پدید می آیند و با چه انرژی هایی. بنابراین آنها از طیفی از آشکارساز ها بهره می برند که توانایی تعیین همزمان نوع ذرات مختلف را به همراه مقدار انرژیشان، داشته باشند. این آشکار ساز ها به صورت لایه هایی در اطراف لوله ی باریکه جهت تشکیل یک مجموعه ی واحد در هر چهار نقطه ی رویارویی، پیچیده می شوند.
هر مجموعه آشکارساز، ساختاری عظیم را تشکیل می دهد که نوعا ١٠ تا ١٢ متر طول، عرض و ارتفاع– اندازه ی یک خانه ی بزرگ - و وزنی در حدود چندین تن دارد. نیز هرکدام از آنها آزمایشی جداگانه را بر عهده دارند؛ و با نامهای اختصاری ALEPH، DELPHI، L٣و OPAL شناخته می شوند. هر کدام از مجموعه آشکارسازها توسط تیمی ٢٠٠ تا ٣٠٠ نفره از فیزیکدانان از سراسر جهان و همکارانی از بسیاری کشورهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. نه تنها تمامی کشورهای عضو سرن نمایندگانی در آزمایشها ی LEP دارند، بلکه شرکت کنندگان دیگری از سایر کشورها همچون چین، فدراسیون روسیه ،ژاپن، رژیم اشغالگر قدس و ایالات متحده نیز در آنها مشارکت دارند.
▪ آشکارساز سه لایه ای
مجموعه آشکارسازها همه از طراحی کلی یکسان، اما تفاوت های جزئی در ساختارها ی خود جهت تکمیل کار هم، به دلیل قدرتهای متفاوتی که دارند، برخوردار می باشند. داخلی ترین لایه ی آشکارسازها یا آشکارساز های رد پا، که در نزدیکترین موقعیت نسبت به لوله ی باریکه قرار دارند، رد پا های ذرات باردار را آشکار می کنند ( ذرات خنثی ردی به جا نمی گذارند) . یک آهنربای الکتریکی میدان مغناطیسی را برای خم کردن این رد پا ها به کار می برد؛ و بنابراین اندازه حرکت خطی ذره می تواند بعدا به وسیله ی میزان این خم شدن، مشخص شود.
در لایه ی بعد از آشکارساز های ردپا، لایه ای وجود دارد که الکترون ها، پوزیترون ها و فوتون هایی که در عبور از ماده ی چگالی همچون سرب به دام می افتند را شناسایی می کند. این ماده – سرب - به وسیله ی آشکارسازها برگ برگ شده است تا میزان انرژی که ذره تا ایستادن کامل از دست می دهد را محاسبه نماید. هدف، ایجاد یک گرماسنج ( کالری متر) الکترومغناطیس است که تمام انرژی الکترون ها، پوزیترون ها و فوتون ها را اندازه گیری نماید. این کار به تشخیص وجود پیون های خنثی، که در لایه ی قبلی ردی از خود به جا نمی گذارند، اما به فوتون ها واپاشی می کنند، مفید خواهد بود. لایه ی سوم ، از آهن جهت تشکیل قسمت خارجی آهنربای الکترومغناطیس استفاده می کند. این لایه، ذرات بسیار واکنش پذیر، یعنی هادرون ها – این ها ذراتی شامل مزون ها و باریون ها هستند که از کوارک ها و پادکوارک ها ساخته می شوند- را متوقف کرده و انرژی آنها را اندازه گیری می کند. این لایه، از آنجا که مجموع انرژی ذرات را اندازه گیری می کند، یک گرماسنج هادرونی را تشکیل می دهد.
دو نوع ذره از گرماسنج هادرونی به خارج نفوذ می کنند: موئون ها و نوترینو ها. خارجی ترین لایه ی مجموعه آشکارساز ها، رد پا های ذرات باردار نفوذ کننده ، خصوصا موئون ها را آشکار می کند. تنها نوترینو ها از دستگاه بدون آشکارسازی مستقیم خارج می شوند. البته فیزیکدان ها به طور غیر مستقیم می توانند وجود آنها را استنباط کنند. این کار چنین انجام می شود که با دانستن انرژی کل حاصل از نابودی زوج الکترون - پوزیترون، و جمع کردن تمامی انرژی های ذرات آشکارسازی شده در قسمت های مختلف ، آنها با اعمال قانون پایستگی انرژی و اندازه حرکت ( تکانه )، می توانند میزان انرژی از دست رفته توسط نوترینو ها و جهت حرکت آنها را محاسبه کنند.
▪ اهمیت اجزای الکتریکی
الکترونیک و محاسبات کامپیوتری، نقش کلیدی در اینگونه آزمایش ها دارند. تمامی آشکارسازها از علائم الکتریکی استفاده می کنند که مدارهای الکتریکی این علائم را به اشکال قابل تفسیر و ذخیره توسط کامپیوترها تبدیل می کنند. مدارهای پیچیده تر ، جهت تجزیه و تحلیل داده ها و تصمیم گیری های سریع در مورد « مفید» بودن اطلاعات به دست آمده، لازم هستند. این نوع مدار ها، نقش راه انداز دارند که زنجیره ای از اطلاعات کاملا پیچیده از آزمایش را جهت ثبت به رایانه می فرستند. در آخر، رایانه جهت گرفتن این داده ها و بازسازی آنچه روی داده بلافاصله پس از نابودی زوج، و به مجرد جاری شدن ذرات تازه ساخته شده از لوله ی باریکه به داخل دستگاه ، مورد نیاز می باشد. از طریق این «رویداد» ها است که فیزیکدانها عاقبت قادر به ساختن تصویری از وقایع فیزیکی که در جریان است، می باشند.
١) راس آشکارساز که واپاشی های لوله ی باریکه را آشکار می کند.
٢) آشکارساز رد پا
٣) سیم پیچ آهنربا ی الکتریکی جهت خم کردن رد پا ها ی ذرات، برای اندازه گیری تکانه
٤) آشکارساز «زمان پرواز»، برای اندازه گیری سرعت
٥) گرماسنج الکترومغناطیس برای آشکارسازی الکترون ها و فوتون ها
٦) گرماسنج هادرونی، برای آشکارسازی پروتون ها ، پیون ها و ...
٧) آشکارساز موئون
٨) آشکارساز های فوروارد، برای ذرات نزدیک به لوله ی باریکه
▪ آشکارساز ALEPH
این آشکارساز روی لوله ی باریکه ، درست روی نقطه ی نابودی زوج خورانده (فیت) می شود و قسمت های اولیه ی رد های ذرات اسپری شده به بخش های بیرونی را ثبت کرده و به فیزیکدانها در بازسازی دقیق تر رد پای ذرات، کمک می کند. این آشکارساز از ساز و کار جدید زمان سنجی برای مکان یابی محل ردپا ها در طول آشکارساز استفاده می کند.
لایه ی بعدی ALEPH، یک آشکارساز ردپای بزرگ است و شامل یک محفظه ی پراز گاز، سیم و بالشتک های فلزی در دو انتها برای جمع آوری بار های الکتریکی کوچک که به دنبال یک بار الکتریکی پرانرژی به وجود می آیند می باشد. تکنیک به کار رفته ، شامل یک پرتو لیزر برای آزاد کردن بار در محفظه و سپس شبیه سازی مسیر عبور ذرات باردار است.
یکی از جدیدترین قسمتهای LEP، در آزمایش های DELPHI که در آنها، از بزرگترین آهنربای ابررسانا ی جهان استفاده می شود قرار دارد. DELPHI همچنین شامل آشکارسازهای کوچک سیلیکونی برای تعیین محل دقیق قسمت های اولیه ی رد پای ذرات اسپری شده به بخش های بیرونی، و نیز شامل سیستم جامع تعیین ذرات ، مبتنی بر شمارگر های چرنکوف می باشد. برای تطبیق قسمت های مختلف DELPHI با هم، محفظه از حد معمول کوچکتر است، اما این بدین معنی نیست که دقت آن در تعیین ردپا های ذرات کمتر از معمول است. لایه ای اضافی در خارج از شمارگر های چرنکوف برای افزایش دقت مسیر یابی ها به حد ضخامت یک تار مو به کار رفته است.
خارجی ترین لایه ی DELPHI ، آشکارسازهای موئون می باشد. تشخیص موئون ها و مکان یابی دقیق رد آنها ویژگی مهم تمام آشکارسازی های DELPHI است. موئون ها زمانی پدیدار می شوند که ذراتی شامل کوارک های سنگین تر مانند کوارک های افسون و ته، به ذراتی سبک تر ، به وساطت نیروی ضعیف ، تبدیل شوند. به عبارت دیگر، موئون ها علامت ذرات حاوی کوارک های افسون و ته می باشند.
▪ آشکارساز OPAL
در OPAL، دو گرماسنج الکترومغناطیس در دو انتهای محفظه قرار دارند، که هر کدام، از بلوک های بزرگ قالب بندی شده ی شیشه ی سرب دار صیقلی ، که در آنها الکترون ها، پوزیترون ها و پروتون ها، جرقه های نورانی ایجاد می کنند، تشکیل شده است. این نور به واسطه ی تجهیزاتی به علائم الکتریکی تبدیل می شود.
لایه ی خارجی OPAL را آشکارسازهای موئون تشکیل می دهد؛ یک محفظه ی استوانه ای از آشکارساز ها که توانایی مکان یابی ردپا ها را با دقت یک میلیمتر دارد.
▪ داده های به دست آمده از LEP
پس از نخستین برخورد میان الکترون و پوزیترون در سال ١٩٨٩، LEP داده های بسیار زیادی را پیش روی محققین قرار داد تا آنها را تجزیه و تحلیل نمایند. نخستین نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل این داده ها، اطلاعات بسیار ارزشمندی در مورد اینکه چند نوع نوترینو ی سبک را می توان در میان ذرات زیر اتمی یافت بود .
بطور مثال، با تنظیم دقیق انرژی های ذرات شتاب یافته در LEP ، نابودی زوج هایی اتفاق می افتد که ذرات خنثای Z - که نمادی است برای نشان دادن بوزون های نیروی ]هسته ای[ ضعیف – را تولید می نماید. این بوزون های نیروی ضعیف، بلافاصله به زوج های دیگر ماده – پادماده واپاشیده می شوند ؛ و البته جرم این ذرات جدیدا تولد یافته، از جرم بوزونی که آنها را به دنیا آورده کمتر است. این جرم گمشده، همان جرم نوترینو – پاد نوترینو هایی است که در این واکنش به وجود می آیند و بدون اینکه مستقیما قابل آشکارسازی باشند ، فرار می کنند.
زمانی که فیزیکدانها داده های به دست آمده از LEP را با مدل استاندارد مقایسه کردند، مشاهده نمودند که این داده ها تنها زمانی با پیشگویی های مدل استاندارد تطابق دارند که تنها ٣ نوع نوترینو قابل تصور باشد ؛ و نه بیشتر و نه کمتر. و بنابراین از این آزمایش چنین استنباط می شود که ما تمام نوترینو های موجود را می شناسیم . نکته آنجاست که تنها با این سه نوع نوترینو، تقارن زیبای مدل استاندارد به دست می آید: شش نوع کوارک (که قبلا ذکر شد ) و شش نوع لپتون: الکترون، موئون، تاو، نوترینو ی الکترون، نوترینو ی موئون و نوترینو ی تاو١ . نتایج آزمایش های LEP تایید های محکمی بر نظریه های تشکیل عناصر در مه بانگ است.
● آینده ی آزمایشها در مورد بوزون های ضعیف
LEP به جمع آوری داده ها در مورد مدل استاندارد تا پایان قرن ادامه داده، و مدل استاندارد را با جزئیات دقیق تست خواهد کرد. از ١٩٩٧ به این طرف، انرژی باریکه های ذرات به دلیل نصب کاواک های شتابدهنده ی جدید، تقریبا دو برابر شده است. در کاواک های جدید، از فلز نیوبیم که در دما های پایین خواص ابررسانایی نشان می دهد، استفاده شده است. این بدان معنی است که مقاومت الکتریکی فلز بسیار کمتر شده و جریان الکتریکی می تواند با اتلاف توان بسیار کمتری در مدار جاری شود؛ و نتیجتا انرژی که به باریکه جهت شتاب دادن می رسد، بسیار بیشتر خواهد شد.
با این باریکه های پر انرژی تر، LEP قادر خواهد بود به مطالعه ی دقیق ذرات W – همنوعان باردار ذره ی خنثی Z - بپردازد. از آنجا که ذره ی Z‌ از نظر الکتریکی خنثی است، یک الکترون و یک پوزیترون که مجموع بارهای آن دو بر روی هم صفر می شود، می توانند با هم عمل نابودی زوج انجام داده و یک تک ذره ی Z به وجود بیاورند. با این تفاسیر، عمل نابودی زوج می تواند ذرات W را فقط به صورت زوج - یک ذره ی W+ و یک ذره ی W- - به وجود بیاورد. و البته، این تنها در صورتی ممکن بود که انرژی باریکه ی ذرات دو برابر شود.
▪ برخورد دهنده ی عظیم هادرونی
در حین تجزیه و تحلیل داده ها ی به دست آمده از LEP و تدارک امکانات با انرژی بالاتر برای آن، فیزیکدانها در حال کار بر روی دستگاهی فراتر از آن هستند: برخورد دهنده ی عظیم هادرونی یا LHC.
LHC، به سنت موجود در سرن که شتابدهنده های موجود را به عنوان جای پاهایی جهت انرژی های بالاتر به کار می برند، پایبند خواهد بود. در این مورد، ماشین جدید در تونلی که قبلا وجود داشته قرار خواهد گرفت؛ یعنی LHC در تونل LEP ساخته خواهد شد! و دو باریکه ی پروتون را که در دو جهت مخالف در حال حرکت اند، قبل از برخورد شاخ به شاخ، شتاب خواهد داد.
LHC ، به انرژی ده برابر بزرگتر از بالاترین انرژی پروتون های موجود در فرمی لب واقع در ایالات متحده دست خواهد یافت. برای دستیابی به چنین انرژی، میدان مغناطیسی به بزرگی ٩ تسلا مورد نیاز خواهد بود که بزرگترین میدانی است که تاکنون در شتاب دهنده های ذرات استفاده شده است. کارشناسان سرن، اخیرا آهنربا های ابررسانای مخصوص جدید را طراحی و تست کرده اند. این آهنربا ها، دو باریکه ی پروتون را در دو جهت مخالف در دو کانال جداگانه ی مغناطیسی (اما در حقیقت از لحاظ مکانیکی در یک کانال) هدایت خواهند کرد ؛ که کل این مجموعه تا درجه حرارت ٩/١ درجه بالاتر از صفر مطلق، سرد خواهد شد.
فیزیکدان های ذرات امیدوارند این پیشرفت در سطح انرژی، به آنان امکان دستیابی به ذره ی کشف نشده ی بوزون هیگز – که قبلا توضیح داده شد- یا هر ساز و کار دیگری که طبیعت از آن برای به وجود آوردن جرم استفاده می کند بدهد. خواهی نخواهی، ممکن است اثرات معدود دیگری وجود داشته باشند که ما را از مدل استاندارد کنونی، فراتر برده و تصویری کامل تر از ذرات و نیرو ها به ما ارائه دهند. هیجان انگیز خواهد بود زمانی که تیم ها ی تحقیقاتی شروع به ساخت آشکارسازهایی در قرن آینده بکنند که مستلزم تکنیک های مبتکرانه جهت کار با انرژی های بالا و ذرات بسیاری که در برخورد های ذرات LHC به وجود خواهند آمد، باشد. آینده هر طور باشد، LHC به ما امکان نیم نگاهی منحصر به فرد به شرایط حاکم بر جهان اولیه خواهد داد؛ و تضمین خواهد کرد ما را در اکتشاف منشا و طبیعت ماده، فراتر ببرد.

امیر مهدی زربو

کارشناس فیزیک اتمی

منبع : همکلاسی