در جستجوی هیگز و انرژی تاریک

هنگام صرف قهوه در سرسرای ساختمان شماره ۴۰ در سرن، Cern( - مخفف آزمایشگاه اروپایی فیزیک ذرات) که یک تاسیسات وسیع آزمایشی مستقر در مرز فرانسه و سوئیس است، پروفسور وردی می گوید: علم فیزیک به یک تقاطع حیاتی پا گذاشته است. در دهه ،۱۹۷۰ نظریه موسوم به مدل استاندارد که تمام دانش موجود آن زمان درباره واکنش های ذرات تشکیل دهنده اتم را در بر می گرفت، اوج موفقیت فیزیک نظری محسوب می شد. امروز اما آن نظریه به ظاهر ناقص و تنها منزلی در راه رسیدن به نظریه ای کاملتر تلقی می شود.
مدل استاندارد نمی تواند معروف ترین عضو چهار نیروی اساسی جهان یعنی نیروی گرانش را توضیح دهد؛ به علاوه این نظریه تنها در صدد توضیح ماده معمولی، که تنها کسر کوچکی از جهان را تشکیل می دهد برمی آید و نمی تواند ماده و انرژی تاریک را توضیح بدهد. اکنون شتابدهنده «کوبنده بزرگ ذرات هادرون» یا ال اچ سی در مرکز پژوهشی سرن، که با هزینه ۳/۲ میلیارد دلاری ساخته شده است باید به بزرگترین آرمان امروز علم فیزیک جان تازه ای ببخشد: نظریه ای کلان برای توضیح تمامی پدیده های فیزیکی درطبیعت.
در عمق صدمتری زیر زمین، در تونلی حلقوی به طول ۲۷ کیلومتر، دانشمندان در حال نصب قطعات سازنده دستگاه بی نهایت پیچیده و وسیع ال اچ سی هستند. زمانی که این دستگاه در سال ۲۰۰۷ برای یک فعالیت آزمایشی روشن شود، دو دسته از ذرات را در سرعت های بسیار بالا به همدیگر خواهد کوبید تا شرایط حاکم بر جهان لحظاتی پس از انفجار بزرگ را بازآفرینی کند. برخورد این دو دسته باید آبشاری از ذرات تازه به راه اندازد، که آشکار کننده طبیعت فیزیکی ورای نظریه مدل استاندارد خواهد بود. ال اچ سی برای اینکه در این آزمایش موفق باشد، باید در مقایسه با شتابدهنده های دیگر به سرعت های خیلی بالاتر دست پیدا کند.
●خلأ
اشعه های ذرات که از پروتون ها یا یون های سرب تشکیل شده، در زنجیره ای از شتاب دهنده های موجود سرن تولید شده و سپس به کوبنده بزرگ ذرات ها درون تزریق خواهد شد. در اینجا آنها یک بار دیگر تقویت می شوند تا به حداکثر میزان انرژی ممکن برسند. در حدود ۱۲۳۲ آهن ربا این اشعه های پرانرژی را از داخل خود حمل و آنها را در اطراف ال اچ سی خم می کنند.آزمایش ها در دمای منهای ۲۷۱ درجه سانتیگراد (۹/۱ درجه کلوین)، که دمای نهایی فعالیت ال اچ سی است انجام می شود. این تنها اندکی بالاتر از صفر مطلق است و از خلأموجود در فضای بیرون جو نیز سردتر است. آهن رباها در هلیوم مایع خوابانده می شوند تا دمای آنها به منهای ۲۷۱ درجه سانتیگراد افت کند. وقتی دمای هلیوم به ۱۷/۲ کلوین می رسد خواص خارق العاده ای به نمایش می گذارد. در این حالت ابر شاره، هلیوم تقریبا بدون چسبندگی به جریان می افتد و خاصیت شدید رسانایی برای حرارت بالا پیدا می کند. به این ترتیب به وسیله ای ایده آل برای سرد و پایدار ساختن یک سیستم بزرگ ابر رسانا مانند آنچه در ال اچ سی هست بدل می شود.
مایک لامونت یکی از مسئولان هماهنگی ال اچ سی می گوید: «چالش عظیمی خواهد بود. علاوه بر آهن رباها باید ۲۷ کیلومتر دستگاه و ابزارآلات کنترل که همه چیز آن باید بی نهایت دقیق و همزمان کار کند را اداره کنیم.» در چهار نقطه از حلقه ال اچ سی، دو اشعه از یکدیگر می گذرند و باعث می شوند ذرات از روبرو با هم برخورد کنند. در نزدیکی هر یک از نقاط تقاطع یک آشکارساز، دستگاهی به اندازه یک کاخ برای ضبط و اندازه گیری ذرات تازه تولید شده در جریان برخورد وجود خواهد داشت. چهار آشکارساز ال اچ سی به ترتیب ال اچ سی بی (LHCb)، آلیس، اطلس و کامپکت موئون سولنوئید (سی ام اس) نامگذاری شده اند. هر یک از آنها تحت نظارت یک تیم ویژه از فیزیکدان هاست. ال اچ سی بی و آلیس برای کاوش پدیده های خاص فیزیکی طراحی شده اند، اما اطلس و سی ام اس آشکارسازهایی برای اهداف عمومی هستند.هدف هر دو نوع آنها شناسایی ذرات بوزون های هیگز و همچنین جستجوی ذرات تقارن و تلاش برای یافتن ابعاد اضافی در فضا خواهد بود. به این ترتیب، دانشمندانی که روی آشکارساز اطلس کار می کنند تا حدودی با گروه مدیریت سی ام اس رقابت خواهند داشت. هر دو تیم قصد دارند نخستین کسانی باشند که هیگز را می یابند و وظیفه تصدیق این یافته را به دیگری محول کنند.
●بخشنده جرم
بوزون های هیگز یا هیگز بوزون (Higgs) توضیح می دهد چرا همه ذرات دیگر دارای جرم هستند. براساس نظریه مدل استاندارد، ذرات جرم خود را از طریق کنش و واکنش با میدان هیگز که آکنده از ذرات بوزون است به دست می آورند. واحدهای سازنده این دستگاه عظیم به طور جداگانه در آزمایشگاه هایی در گوشه و کنار جهان ساخته شده و برای مونتاژ به سرن منتقل شده اند.دکتر الن بار، فیزیکدان در یونیوسیتی کالج لندن و عضو تیم اطلس می گوید: همین اتفاق در مورد هواپیماهای بزرگ مثل A۳۸۰ می افتد. قطعات آنها جداگانه ساخته می شود و بعد آنها را روی هم سوار می کنند.
●وقت پس دادن امتحان
در آنسوی مرز سوئیس در شهر سسی فرانسه، تیم سی ام اس به زودی آزمایش ها به روی برش های دستگاه خود را آغاز می کند تا ببیند آیا تک تک آنها قادر به ردیابی اشعه های کیهانی از فضا هستند یا نه. بخش اعظم مونتاژ سی ام اس روی زمین انجام می شود. عناصر بزرگ سپس توسط جرثقیل به داخل دالان های بزرگ زیرزمینی که برای جاسازی آنها ساخته شده پایین داده می شوند. این فرآیند تقریبا شش ماه زمان می برد. پروفسور جان الیس، نظریه پرداز ارشد سرن، بر این تصور است که یافتن ذرات هیگز ممکن است بتواند به درک یکی از اسرار بزرگ دیگر فیزیک نیز کمک کند: انرژی تاریک.
●کشف تاریک
در سال ،۱۹۹۸ دو تیم مطالعه کننده ابرنواخترها (سوپرنووا) نشان دادند که انرژی تاریک باعث تسریع انبساط جهان می شود. مطالعات بعدی آشکار ساخت که انرژی تاریک ممکن است ۷۰ درصد جهان را تشکیل دهد اما بهترین نظریه ها قادر به توضیح آن نبودند. اما به گفته جان الیس، میدان هیگز بهترین نامزد به عنوان منبع انرژی تاریک است. او توضیح می دهد: ساز و کار هیگز تمام فضا را با یک میدان پر می کند. برخلاف میدان جاذبه، که پیرامون خورشید و مرکز کهکشان قوی است، ضریب قوت میدان هیگز اساسا در همه جا یکسان است. این میدان، انرژی تاریک را توضیح می دهد، به این معنی که انرژی تاریک، چگالی انرژی در فضای خالی به فاصله خیلی خیلی زیاد از هر نوع ماده است. جان الیس می گوید این نظریه تنها یک ایراد کوچک دارد: رقمی که از میزان انرژی تاریک به دست می دهد ده به توان ۱۲۰ بار بیش از میزان محاسبه شده است. او افزود: «اگر هیگز را پیدا کنیم، کل این نظریه را دایر بر اینکه یک میدان هیگز در سراسر کیهان وجود دارد که باعث پیدایش انرژی تاریک می شود تایید خواهد کرد. سپس می توانیم به سئوال بعدی بپردازیم که چرا رقم متفاوتی ارائه می کند.»چنین پیشرفتی به بحث پیرامون یک نظریه وحدت یافته برای توضیح تمامی پدیده های طبیعی جان خواهد داد. اکتشافاتی مانند ابرتقارن همچنین ممکن است شکاف میان شواهد تجربی و نظریه ابرریسمان ها (stringtheory) را پر کند. نظریه ابرریسمان ها تلاشی برای ایجاد یک نظریه کلان در توضیح جهان است که نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را کاملا آشتی می دهد. ال اچ سی ممکن است حتی چیزی کاملا غیرمنتظره را درباره طرز کار جهان ما آشکار کند. به گفته فیزیکدان ها چنین وضعی بیش از هر چیز نتایج زحمات آنها را لذت بخش خواهد کرد.

منبع : روزنامه همشهری