فیزیك در سرن

از حدود سده‌ی دهم هجری/هفدهم میلادی، یعنی از آغاز شكل‌گیری علم جدید تاكنون انجام آزمایش علمی در روش علمی اهمیت ویژه‌ای داشته است. مثلاً در فیزیك كه یكی از شاخه‌های بنیادی علم جدید است، آزمایش‌ها یا منجر به كشفی جدید در طبیعت شده‌اند یا به نوعی توجیه كننده و تأییدی برای پذیرش مدل‌های نظری بوده‌اند. در طی این چند قرن به تدریج با پیشرفت علم، مدل‌های نظری و آزمایش‌های تجربی در كنار هم تصویر و درك جدیدی از طبیعت ساخته‌اند. امروزه بعد از چهار قرن از شكل‌گیری روش علمی، دانش ما از طبیعت و عالم اطراف ما بسیار افزایش یافته است.
***
فیزیك هم مانند سایر شاخه‌های علوم در گستره‌های مختلف رشد كرده است: از آسمان و اجرام بسیار دوردست رصد شده در آسمان مثل كهكشان‌ها، تا آنچه مواد اطراف ما را بر روی زمین ساخته تا ریزترین اندازه‌های قابل مشاهده، نحوه‌ی تأثیرگذاری مواد بر اطراف‌شان و یكدیگر و... این روند تا امروز همچنان ادامه دارد. جامعه‌ی علمی همچنان در پی مشاهده‌ی دقیق‌تر و دقیق‌تر عالم است: امروزه در ابتدای قرن بیست و یكم میلادی همكاری‌های بزرگی بین فیزیك پیشگان كشورهای مختلف شكل گرفته تا برای ساخت رصدخانه‌های كوچك و بزرگ، انواع آزمایشگاهها، وسایل آزمایش و آشكارسازها و غیره همكاری كنند تا با كمك هم بتوانند عالم و آنچه در اطراف‌مان هست را بهتر بشناسند. این همكاری‌ها گاه بر سر ساخت قطعه‌ی كوچك آزمایشگاهی است، گاه بر سر ساخت آزمایشگاهی بزرگ.
سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای كه به اختصار سرن نامیده می‌شود (CERN؛ برگرفته از سرواژه‌های فرانسوی همین نام)، یكی از بزرگترین آزمایشگاه‌های ساخته شده روی زمین است. سرن در سال 1333/ 1954 آغاز به كار كرده است و در حدود شصت سال گذشته نقش بسزایی در پیشبرد فیزیك ذرات بنیادی داشته؛ این آزمایشگاه بزرگ كه طرح مشترك اروپایی است با بیست كشور عضو از اروپا و دانش پیشگانی از مؤسسه‌های پژوهشی و دانشگاهی سراسر دنیا، نه تنها در پیشبرد فیزیك كه در پیشبرد فناوری نیز سهم قابل توجهی داشته است. در بخش‌های مختلف این مقاله به آنچه در این مركز بزرگ آزمایشی و پژوهشی یافت شده است می‌پردازیم.

فیزیك ذرات بنیادی چیست؟

شناخت ماده و اینكه ماده از چه چیز یا چیزهایی تشكیل شده است یكی از سؤال‌های بنیادی در تاریخ بشر بوده است. در طی قرن ها، اندازه‌گیری خواص مواد و طبقه بندی آنها به این منجر شد كه از كمتر از دویست سال پیش، حدود صد عنصر (اتم) را ذرات سازنده‌ی همه‌ی تنوع ماده در طبیعت بدانیم. اما در حدود صد سال است كه دیگر این اتم‌ها را بنیادی‌ترین جزء ماده نمی‌دانیم. با كشف الكترون و هسته‌ی اتم هیدروژن (پروتون) و نوترون، در آزمایش‌های مختلف در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم میلادی، مشخص شد كه تمام اتم‌ها از این سه ذره ساخته شده اند. پس از شكل‌گیری مكانیك كوانتومی تحولی دیگر به وجود آمد. مكانیك كوانتومی رفتار ذرات در ابعاد اتمی و كوچك‌تر از آن را توصیف می‌كند و پیش بینی‌های این مدل سازگاری خوبی با بسیاری از خواص اندازه گیری شده برای اتم‌های مختلف دارد. مكانیك كوانتومی با استفاده از خواص این سه ذره (الكترون، پروتون، نوترون) و نیروی الكتریكی بین بارهای مختلف موجود در اتم ها، دلیل تنوع اتم‌ها را توصیف می‌كرد و بسیاری از خواص اتمی با این مدل به زیبایی توجیه می‌شد. در واقع بار یكسان الكترون و پروتون و جرم متفاوت آنها و وجود ذره‌ی خنثی نوترون با جرم تقریباً برابر با جرم پروتون، چگونگی شكل‌گیری طیفی از اعداد اتمی و جرم‌های اتمی را كه در جدول تناوبی می‌شناسیم به دست می‌دهد.
اما داستان به همین جا ختم نشد و آزمایش‌های دیگری انجام شدند كه برای درك آنها به شكل‌گیری فیزیك دیگری نیاز داشت كه تنها با نیروی گرانش و الكترومغناطیس توجیه پذیر نبودند. برای نمونه، در واپاشی‌های پرتوزا (رادیواكتیو) كه طی آنها اتم‌های بسیار سنگین، مثل رادیوم، با واپاشی پرتوزا به عناصر كم جرم‌تر و پایدارتر تبدیل می‌شوند و در این واپاشی پرتوهای مختلف گسیل می‌كنند: پرتوی بتا (باریكه‌ای از الكترون‌ها) یا پرتوی آلفا (دو پروتون یا نوترون) یا پرتوی گاما (موج الكترومغناطیسی پرانرژی). همچنین سؤال هایی در مورد چگونگی به وجود آمدن هسته‌ی اتم‌ها وجود داشت. مثلاً اینكه چرا پروتون‌های موجود در هسته‌ی اتم‌ها كه بار مثبت دارند به دلیل دافعه‌ی كولونی از هم دور نمی‌شوند و اصولاً چرا كنار هم در هسته‌ی اتم‌ها قرار دارند؟ آیا نیروی دیگری هست كه باعث جاذبه‌ی بین دو پروتون یا نوترون می‌شود و آنها را كنار هم نگه می‌دارد؟ آیا پروتون و نوترون بنیادی‌ترین ذرات هستند یا اینكه خود آنها هم از ذرات دیگری ساخته شده‌اند؟
سال‌ها كار فیزیك پیشگان به یافتن پاسخ به این سؤال‌ها منجر شد. امروزه آن را مدل استاندارد ذرات بنیادی می‌خوانیم. شاید بتوان این مدل را به طور ساده این طور توصیف كرد:
1-ذرات بنیادی تشكیل دهنده‌ی عالم پروتون و نوترون و الكترون نیستند؛ بلكه خود پروتون و نوترون از ذرات بنیادی دیگری ساخته شده اند. 2- برهم كنش‌های (نیروهای) بین این ذرات نه فقط گرانش و الكترومغناطیس بلكه دو نیروی هسته‌ای ضعیف و قوی هم هستند كه هریك ویژگی‌های خود را دارند. این نیروها هر یك در انرژی‌ها و فواصل مختلفی قابل ملاحظه هستند و ذراتی كه هر یك از این نیروها بر آن‌ها اثر می‌كند متفاوت‌اند.

نیروهای طبیعت

جاذبه یا گرانش شاید آشناترین این نیروها برای ما باشد كه در زندگی روزمره‌ی روی زمین دائم آن را حس می‌كنیم. این نیرو بین هر دو ذره‌ی جرم داری وجود دارد. این نیرو را هم وقتی روی زمین راه می‌رویم یا توپی را پرتاب می‌كنیم یا در بسیاری تجربه‌های دیگر حس می‌كنیم. همچنین مدار سیاره‌ها و ماه و زمین را به دلیل وجود نیروی گرانش بین سیاره‌ها و خورشید یا زمین و ماه درك می‌كنیم و...
اما این نیرو برای جرم‌های كوچك و همچنین در فواصل زیاد بسیار ضعیف است. مثلاً نیروی گرانش بین دو پروتون مجاور 〖10〗^(-38) بار ضعیف‌تر از نیروی هسته‌ای قوی بین این دو ذره است. نیروی الكترومغناطیسی هم نیروی آشنایی است. بیشتر نیروهایی كه در اطراف‌مان حس می‌كنیم منشأ الكترومغناطیسی دارند: نیروی اصطكاك، نیروی بازگرداننده‌ی فنر، خواص اتم‌ها و مولكول‌ها و... نیروی الكتریكی بین دو پروتون كه یك بار مثبت دارند حدود یك صدم نیروی هسته‌ای قوی بین این دو پروتون است و توانایی مقابله با آن را دارد تا هسته‌ی اتم‌ها را پایدار نگه دارد.
اما دو نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف در زندگی روزمره به طور مستقیم حس نمی‌شوند، زیرا برد اثر این نیروها در ابعاد بسیار بسیار كوچك یعنی بسیار كوچك‌تر از ابعاد هسته است و در نتیجه تأثیری برای پیوند بین هستك‌های تشكیل دهنده‌ی هسته (پروتون و نوترون)هم ندارد. نیروی هسته‌ای ضعیف بین دو پروتون مجاور در حدود یك میلیونیوم نیروی هسته‌ای قوی بین دو پروتون است. البته نیروی هسته‌ای ضعیف تقریباً بین هر دو ذره‌ی بنیادی وجود دارد و اثر آن مثلاً در واپاشی‌های بتا دیده می‌شود؛ یعنی وقتی نوترون به پروتون و الكترون و ذره‌ی دیگری وامی‌پاشد كه نوترینوی الكترون نامیده می‌شود. با این مقایسه‌ها مشخص است كه نیروی هسته‌ای قوی، در ابعاد هسته، قوی‌ترین نیروی بین ذرات است و نیروی گرانش در ابعاد اتمی و هسته‌ای بسیار بسیار ضعیف است. از این رو، در مطالعه‌ی ذرات بنیادی به سه نیروی الكترومغناطیسی و هسته‌ای قوی و ضعیف می‌پردازیم.

ذرات بنیادی

همان طور كه در تصویر زیر می‌بینید، در مدل استاندارد ذرات بنیادی، ذرات به سه دسته تقسیم می‌شوند: لپتون‌ها، كوارك‌ها و ذرات میدان (ذرات حامل نیروها)؛

لپتون‌ها:

همه‌ی برهم كنش‌ها را با هم دارند به جز برهم كنش هسته‌ای قوی. آشناترین لپتون‌ها برای ما الكترون است كه می‌دانیم بار الكتریكی دارد و جرم آن حدود دو هزارم جرم پروتون است. لپتون دیگری هست كه در همه‌ی واپاشی‌ها در كنار الكترون ظاهر می‌شود و بار ندارد و جرم آن تقریباً برابر صفر است. این ذره را نوترینوی الكترون می‌نامند و به نوعی جفت لپتون‌های همراه را می‌سازند. دو دسته‌ لپتون دیگر هم در آزمایش‌ها آشكار شده‌اند: یك جفت از میوئون ((μو نوترینوی میوئون (□V)تشكیل شده است. میوئون همه‌ی خواص الكترون را دارد با این تفاوت كه جرم آن بیشتر و در حدود یك صدم جرم پروتون است. نوترینوی میوئون هم تقریباً همان خواص نوترینوی الكترون را دارد با این تفاوت كه همواره در كنار میوئون دیده می‌شود. دسته‌ی دیگر لپتون‌ها، ذره‌ی تاو (τ) و نوترینوی تاو (Vt) هستند كه باز هم كاملاً مشابه دو دسته‌ی دیگرند با این تفاوت كه تاو دو برابر پروتون جرم دارد و بسیار پرجرم‌تر از دو لپتون الكترون و میوئون است.

كوارك‌ها:

دسته‌ای دیگر از ذرات بنیادی هستند و همه‌ی نیروها بر آنها اثر دارد. كوارك‌ها هم مانند لپتون‌ها در سه دسته (كه معمولاً سه خانواده نامیده می‌شود) ‌آشكار می‌شوند. جفت كوارك بالا (u) و پایین (d)، جفت كوارك شگفت (s) و افسون (c) و جفت كوارك سر (t) و ته (d). دو كوارك هر جفت، جرم و بار متفاوت دارند. كوارك‌های خانواده‌ی اول ذرات كم جرم‌تر از كوارك‌های خانواده‌ی دوم و كوارك‌های خانواده‌ی دوم كم جرم‌تر از كوارك‌های خانواده‌ی سوم هستند. دنیای اطراف ما عملاً از الكترون و نوترینوی الكترون و كوارك‌های بالا و پایین ساخته شده است. مثلاً دو كوارك بالا (u) و یك كوارك پایین (d) با برهم كنش قوی هسته‌ای بین آنها، پروتون را می‌سازند. نسل‌های دیگر ذرات بنیادی نقشی در ساختار اتم‌ها و هسته‌ی اتم‌ها ندارند و در برخورد ذرات پرانرژی در آزمایشگاه‌های بزرگ ذرات بنیادی آشكار می‌شوند. نكته‌ی جالب برای خواننده‌ی نجوم شاید این باشد كه آزمایشگاه دیگری كه در آن امكان به وجود آمدن این ذرات وجود داشته است، عالم اولیه است؛ یعنی زمانی كه عالم بسیار چگال و با دمای بالا بوده است و در آن دما امكان به وجود آمدن خانواده‌های مختلف ذرات وجود داشته است.

ذرات حامل نیروها:

این ذرات حامل نیروهایی هستند كه بین كوارك‌ها و لپتون‌ها وجود دارد. مثلاً بین دو ذره‌ی باردار فوتون رد و بدل می‌شود و به این ترتیب این دو ذره به یكدیگر نیروی الكتریكی وارد می‌كنند و فوتون را ذره‌ی حامل برهم كنش الكترومغناطیسی می‌نامند. گلوئون ذره‌ی حامل نیروی قوی هسته‌ای است. فوتون‌ها و گلوئون‌ها جرم و بار ندارند. اما حامل‌های برهم كنش ضعیف هسته‌ای سه ذره هستند: W^+ و W^- و Z^0 كه جرم دارند و دو تای آنها بار هم دارند. جرم این ذرات حدود صد برابر جرم پروتون است.
بعضی از این ذرات كه در بالا فهرست شدند ابتدا در آزمایشگاه‌های فیزیك ذرات آشكار شده بودند. اما بعضی دیگر اول پیش بینی و بعد آشكار شدند، مثل ذرات حامل برهم كنش ضعیف هسته‌ای.
البته شش كوارك و شش لپتون و چهار ذره‌ی حامل بر هم كنش تنها ذرات موجود در مدل استاندارد ذرات بنیادی نیستند. از هر ذره‌ای یك كپی با بار مخالف آن وجود دارد. یعنی اگر الكترون داریم، ذره‌ای با جرم و سایر خواص برابر الكترون و با بار مثبت هم در این مدل وجود دارد كه پادذره‌ی الكترون یا پوزیترون نامیده می‌شود. به همین ترتیب سایر ذرات هم پادذره‌ی مربوط به خود را دارند.
مدل استاندارد به خوبی رفتار ذرات را توصیف می‌كند، اما این سؤال وجود دارد كه چرا ذرات بنیادی جرم‌های متفاوتی دارند؟ چرا فوتون‌ها و گلوئون‌ها بی‌جرم‌اند، ولی ذرات حامل برهم كنش ضعیف هسته‌ای پرجرم‌اند؟ ذره‌‌ی هیگز پاسخ به این سؤالات است. هیگز ذره‌ای پرجرم است كه با دیگر ذرات برهم كنش می‌كند.
هرچه برهم كنش قوی‌تری داشته باشد آن ذره پرجرم‌تر است. فوتون و گلوئون برهم كنشی با هیگز ندارند و بی‌جرم می‌مانند.
وجود این ذره را پیتر هیگز و رابرت بروت و فرانك انگارت در دهه‌ی هفتاد قرن بیستم میلادی پیشنهاد دادند.
این مجموعه‌ی سازنده‌ی مدل استاندارد ذرات بنیادی در كنار هم مدل بسیار موفقی را ارائه می‌كنند. این مدل وجود ذراتی را پیش بینی می‌كرد كه یك به یك از ابتدای قرن بیستم میلادی تا ابتدای قرن بیست و یكم میلادی در آزمایشگاه‌های زمینی كشف شدند. بخش‌هایی از كشفیاتی كه باعث تأیید آزمایشگاهی این مدل شد، در آزمایشگاه بزرگ سرن انجام شده است.
اما یافته‌های سرن به همین جا ختم نمی‌شود. فیزیك پیشگان و مهندسان و مدیران سرن در سال‌های آینده و در اغاز به كار دوباره‌ی LHC به دنبال یافته‌های جدیدی هستند. مدل‌هایی كه به مدل‌های فراتر از مدل‌های استاندارد ذرات معروفند به سؤالاتی پاسخ می‌دهند كه در مدل استاندارد بی‌جواب می‌ماند؛ سؤالاتی مثل علت از بین رفتن پادماده، یا اینكه نیاز به ذره‌ی جدیدی كه نقش ماده‌ی تاریك را داشته باشد و... تا آن زمان سرن همچنان در صدر اخبار فیزیك خواهد بود و باید منتظر كشفیات بعدی گروه پژوهشی سرن باشیم.
منبع مقاله :
ماهنامه نجوم، شماره‌ی 10.