آزمایشگاه كیهان

 سرن به بنیادی‌ترین پرسش‌های كیهان‌شناسی پاسخ می‌دهد
شاید تعجب آور باشد كه چگونه بزرگ‌ترین آزمایشگاه ذرات بنیادی جهان كه با ریزترین اجزای عالم قابل شناخت ما سروكار دارد، قرار است پاسخ‌هایی برای پرسش‌های كیهان شناسانه‌ی ما نیز بیابد؛ كیهان‌شناسی كه همانا با بزرگترین مقیاس‌های عالم مرتبط است. در نوشتار پیش رو، به مسائلی در كیهان‌شناسی می‌پردازیم كه پاسخ آن را نه با تلسكوپ‌ها و جست و جو در آسمان، بلكه در تونلی دایره‌ای به محیط 27 كیلومتر و در عمق متوسط 127 متری زمین، در منطقه‌ای مرزی میان سوئیس و فرانسه جست‌و‌جو می‌كنیم.
***
برخورد دهنده‌ی هادرونی بزرگ، یا به اختصار LHC، بزرگ‌ترین و پیچیده‌ترین و گران‌ترین ابزار آزمایشگاهی جهان است كه به دست سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای یا همان سرن ساخته شده است. فیزیك دانان امیدوارند این دستگاه عظیم بتواند به برخی از كلیدی‌ترین پرسش‌های فیزیك پاسخ دهد و از راز بنیادی‌ترین قوانین طبیعت پرده بردارد؛ چنانكه در حدود 3 سال پیش، یعنی در 4 ژوئیه‌ی 2012/ 14 تیر 1391 بود كه اعلام كشف بوزون هیگز در آزمایشگاه سرن در صدر اخبار جهان قرار گرفت و لحظاتی استثنایی را برای تاریخ علم رقم زد: گامی دیگر برای تبیین سازوكار كیهان و كشفی كه توضیح مدل استاندارد برای چگونگی جرم دار شدن ذرات بنیادی را تأیید می‌كند.
در اوایل سال 2013، ابر برخورددهنده‌ی ما به منظور تعمیرات و به روزرسانی خاموش شد تا دو سال بعد یعنی در آوریل 2015/ فروردین 1394 دوباره راه اندازی شود: این بار با انرژی افزون‌تری در حدود 13 تراالكترون ولت. در چنین سطح انرژی‌ای ممكن است تكلیف برخی از بنیادی‌ترین پرسش‌ها را مشخص كنیم، یا دست كم برخی از نگرش‌هایمان را تغییر دهیم. البته این طور نیست كه ابربرخورددهنده‌ی 10 میلیارد دلاری با آشكارسازی‌های غول پیكر بسازید و روشنش كنید و انتظار داشته باشید كه اكتشافات در شب نخست یا حتی نخستین سال به دست آیند.
در این میان علاوه بر فیزیك دانان ذرات بنیادی، كیهان شناسان نیز چشم امیدشان به این ماشین جواب عظیم است و بعضی از آشكارسازهای LHC اختصاصاً برای پاسخگویی به پرسش‌هایی كیهان شناختی طراحی شده‌اند. این پرسش‌های كیهان‌شناسی كدامند كه برای پاسخ به آنها به ریزترین اجزایی كه فعلاً در تیررس ما هستند چشم دوخته‌ایم؟
راند دوم را ابرشتابگر ما چند ماهی است كه آغاز كرده. در این راند ممكن است جواب كدام پرسش‌های كیهان‌شناسی را بیابیم؟
$ 1.درست پس از مهبانگ چه رخ داد؟
می دانیم در لحظات اولیه‌ی پس از مهبانگ (لحظات اولیه در مقیاس عمر كیهان) جهان ما كدر بود: زمانی كه در كیهان‌شناسی به آن سطح پراكندگی واپسین (Surface of Last Scattering) می‌گویند، ناظر بر این امر است كه در 380 هزار سال اولیه‌ی پس از مهبانگ، كیهان آن قدر داغ بود كه فوتون‌ها نمی‌توانستند از برهمكنش با ذرات دیگر رهایی یابند و در عالم پخش شوند. پس از این زمان بود كه دما به حدی كاهش یافت كه فوتون‌ها جدا شدند و توانستند در عالم گسیل شوند: لحظه‌ی «واجفتیدگی پروتون» (Photon Decoupling). حتی تابش زمینه‌ی كیهانی (CMB) نیز مربوط به 380 هزار سال پس از مهبانگ است. در واقع ما هیچ مشاهده‌ی مستقیمی از 380 هزار سال اول عالم نداریم و این سرحدات مشاهدات تلسكوپی‌مان است. اما هنوز یك سرنخ مهم در اختیار داریم.
در لحظات اولیه‌ی پس از مهبانگ جهان به قدری داغ و چگال بود كه پروتون‌ها و نوترون‌ها نمی‌توانستند شكل بگیرند و در واقع ذرات بنیادی سازنده‌ِ آنها، یعنی كوارك‌ها و گلوئون‌ها در جهان شناور بودند و با سرعتی نزدیك به سرعت نور حركت می‌كردند. بررسی خواص پلاسمای كوارك- گلوئون (Quark-Gluon Plasma)كه تا چند میكروثانیه پس از مهبانگ وجود داشت، كمك بزرگی به درك سازوكار لحظات آغازین كیهان می‌كند.
در سرن می‌توان شرایطی ایجاد كرد كه پلاسمای كوارك-گلوئون شكل بگیرد و از این منظر LHC در واقع دستگاه خلق مصنوعی مهبانگ است و وضعیت اولیه‌ی عالم را برای ما بازسازی می‌كند. ماده‌ای كه در برخوردها جست وجو می‌كنیم خواص و ویژگی‌های عالم نخستین در چندهزارم ثانیه پس از مهبانگ دارد و بنابراین چنین ریزمهبانگی به ما اجازه می‌دهد كه تكامل عالم را از ابتدا مطالعه كنیم؛ حتی اگر این مطالعه در مقیاس بسیار كوچك باشد.
این مأموریت سرنوشت ساز برعهده‌ی آلیس (Alice) است. آلیس یكی از شش آشكارساز اصلی LHC است كه برای برخورد یون‌های سنگینی مانند هسته‌ی اتم سرب طراحی شده است. آشكارساز آلیس پلاسمای كوارك- گلوئون را در شرایطی كه منبسط و سرد می‌شود بررسی می‌كند و بدین طریق می‌توان به چگونگی ظهور ذراتی پی برد كه درنهایت ماده‌ی موجود در جهان امروز ما را به وجود آوردند. برخورد میان یون‌های سرب در LHC، دمایی در حدود 5/5 تریلیون كلوین (100 هزار برابر داغ‌تر از هسته‌ی خورشید) ایجاد می‌كند. این دما بیشترین دمایی است كه تاكنون بشر به آن رسیده است و محققان سرن در اوت 2012/ مرداد 1391 این ركورد را ثبت كردند. انتظار می‌رود در دور جدید فعالیت LHC به دماهایی حتی بیش از این دست بیابیم. در چنان دمایی امیدواریم پروتون‌ها و نوترون‌ها ذوب شوند و با آزاد شدن كوارك‌ها از پیوند با گلوئون‌ها، پلاسمای موردنظر را به دست بیاوریم و گوی آتشین اولیه‌ی عالم را در ابعاد میكروسكوپی بازسازی كنیم.
$ 2. ماده‌ی تاریك چیست؟
یكی دیگر از رازهای كیهان‌شناسی كه برای كشف آن به LHC چشم دوخته‌ایم ماهیت ماده‌ی تاریك (Dark Matter) است. از اوایل دهه‌ی 70 میلادی كه اولین آثار گرانشیِ وجود ماده‌ی تاریك را مشاهده كردیم هنوز طبیعت و ماهیتش برایمان رازی سر به مهر مانده است. شاید ناامیدكننده به نظر برسد كه با تمام پیشرفت‌های خیره‌كننده‌ی فیزیك در صد سال اخیر، هنوز هیچ دركی از ماهیت 85 درصد ماده‌ی موجود در جهان نداریم و تمام آنچه در همه‌ی طول موج‌های مغناطیسی مشاهده می‌كنیم، اعم از زمین خودمان و سیاره‌ها و ستارگان و سحابی‌ها و كهكشان‌ها و خوشه‌های كهكشانی، فقط 15 درصد ماده‌ی موجود در جهان را تشكیل می‌دهند (انرژی تاریك را به عنوان ماده در نظر نگرفتیم). از ماهیت بقیه هیچ دركی نداریم، به همین دلیل آنها را ماده‌ی تاریك نامیده‌ایم. امروزه یكی از فعال‌ترین حوزه‌های مطالعاتی در گروه‌های فیزیك دانشگاه‌ها، حوزه‌های مربوط به مطالعات ماده‌ی تاریك است. در طول سال‌های اخیر بسیاری از نامزدهای ماده‌ی تاریك مردود شده‌اند و یكی از محتمل‌ترین نامزدهای باقی مانده ویمپ‌ها (WIMPs) یا ذرات سنگین با برهم كنش ضعیف هستند. این ذرات نظری با دیگر ذرات مادی برهم كنش الكترومغناطیسی ندارند و در نتیجه آنها را نمی‌بینیم (در هیچ طول موجی). همین طور به دلیل داشتن برهم كنش گرانشی، آثار گرانشی آنها را مشاهده می‌كنیم (مثلاً اثر عدسی‌های گرانشی). خوش بختانه با نیروی هسته‌ای ضعیف هم برهم كنش دارند و با همین سرنخ ممكن است آنها را در LHC بیابیم. یكی از این ویمپ‌ها نوترالینو (Neutralino)است: سبك‌ترین ذره‌ی ابرمتقارن خنثی. همین ذره را ممكن است این بار با سطح انرژی جدیدی كه ابربرخورددهنده‌مان را بدان رسانده‌ایم، بیابیم و راز چند ده ساله‌ی ماده‌ی تاریك را برملا كنیم. این مهم را آشكارساز اطلس (ATLAS) به عهده دارد. اگر این ذرات ابرمتقارن (Super Symmetric Particles) كشف شوند یكی از پیش بینی‌های مهم نظریه‌ی ریسمان‌ها نیز تحقق می‌یابد و این نظریه جانی دوباره می‌گیرد.
نشانه‌های تجربی ماده‌ی تاریك، چیزی كه به تنهایی اما سرسختانه دور از دسترس فیزیك ذرات مانده است، ممكن است در نهایت چراغ راهنمایی باشد كه مسیر پیش رو را نشان دهد.
$ 3. ابعاد اضافی(Extra Dimensions)
فیزیك در حال پیشروی به مرزهایی است كه پیش از این در داستان‌های علمی- تخیلی آنها را پی می‌گرفتیم؛ شاید حرف‌هایی كه در نگاه اول وهم انگیز و خیالی بیابند. اما وقتی فیزیك دانان LHC موضوع بررسی احتمال وجود ابعاد اضافی را یكی از اهداف پروژه می‌دانند به نظر می‌رسد كه باید موضوع را جدی گرفت. دلیل عمده‌ای كه آنها این مسئله را جدی می‌گیرند این است كه وجود ابعاد اضافی در نظریه‌ی ریسمان پیش بینی شده است.
چرا نیروی گرانشی تا این حد ضعیف‌تر از سه نیروی بنیادی دیگر است؟ شاید ما تمام اثر نیروی گرانشی را حس نمی‌كنیم؛ به آن دلیل كه بخشی از آن در ابعادی دیگر جز فضا- زمان چهار بعدی ما پخش می‌شوند.
لیسا رندال (L.Randall) فیزیكدان دانشگاه‌هاروارد و رامان ساندرام (R.Sundrum) فیزیكدان دانشگاه مریلند، در سال 1999/1378 مدلی ارائه دادند كه در آن یك بعد اضافی در هندسه‌ی تاب خورده (Warped Geometry) می‌تواند ضعف گرانش را در مقایسه با سه نیروی بنیادی دیگر توضیح دهد. اگر این ابعاد اضافی میكروسكوپی باشند ممكن است ما متوجه آنها در جهان ماكروسكوپیك قابل درك‌مان نشویم.
برای دركی بهتر از این مفهوم، لبه‌ی جدول خیابانی را تصور كنید كه بر آن راه می‌روید. شما تنها بر یك بعد می‌توانید حركت كنید: جلو یا عقب. اما همان لبه‌ای كه شما یك بعد از آن را درك می‌كنید برای مورچه‌ای كه ابعادش خیلی كوچكتر از شماست و بر سطح آن حركت می‌كند، فضای دوبعدی است. چنین وضعیتی را ذرات ریزاتمی در قیاس با ما می‌توانند داشته باشند. اما چطور در LHC ابعاد اضافی را (اگر موجود باشند) می‌توان ردیابی كرد؟ یك گزینه یافتن شواهد برای وجود ذراتی است كه اگر ابعاد اضافی واقعی باشند، آن ذرات نیز وجود خواهند داشت. نظریاتی كه ابعاد اضافی را پیشنهاد می‌دهند وجود چنین ذراتی را نیز پیش بینی می‌كنند. چنین ذراتی را ممكن است در انرژی بالایی بیابیم كه این بار LHC را همین چند ماه پیش در آن سطح راه اندازی كرده‌ایم! اگر ذرات مربوط به ابعاد اضافه در كار باشند، باز هم اطلس مسئول آشكارسازی آنها است.
$ 4. آن همه پادماده‌ی ابتدای عالم كجا رفت؟!
كیهان شناسان هنوز نمی‌دانند چرا ما وجود داریم. واقعیت این است كه مطابق نظریه‌ی استاندارد كیهان‌شناسی، مهبانگ باید به یك میزان ماده و متضاد آن، پادماده تولید كرده باشد. برای مثال ما به ازای الكترون، ضد الكترون داریم كه به آن پوزیترون می‌گوییم. پوزیترون تمام ویژگی‌های الكترون را دارد جز اینكه بار الكتریكی آن مثبت است. وقتی ذره‌ای مادی با جفت پادماده‌ای خود در تماس قرار می‌گیرد هر دو ناپدید و به انرژی تبدیل می‌شوند. گفتیم مهبانگ به یك میزان ماده و پادماده در ابتدای عالم تولید كرده است؛ پس با این تفاسیر در همان اوایل باید همه‌ی ماده‌ی كیهان از بین می‌رفت و كار به خواندن متن پیش رو نمی‌رسید! اما در كمال تعجب، ما و باقی مواد وجود داریم و از آن طرف مقدار پادذراتی مانند پوزیترون در جهان بسیار قلیل است. امروز هیچ نشانی از پادماده در قالب كهكشان‌ها یا مثلاً ستاره‌هایی ساخته شده از پادماده در جهان در كار نیست.
LHC همین چند ماه قبل با توانی بالاتر از قبل دوباره راه‌اندازی شد. در سطح انرژی برخوردی جدیدش (13 تراالكترون ولت) انتظار داریم پاسخی برای این معما نیز بیابیم. این مسئولیت به عهده‌ی آشكارساز LHCb یا LHC زیبایی است. در سطح انرژی چنین بالا مقدار بیشتری پادماده تولید می‌شود و این فرصتی است كه تفاوت‌های جزئی ماده و پادماده را دریابیم؛ همان تفاوت‌هایی كه منجر به غلبه‌ی ماده بر پادماده شد و در نهایت ما به وجود آمدیم. برای این منظور آشكارساز LHCb اختلاف‌های بسیار كوچك و ظریف میان ماده و پادماده را با بررسی نوعی از ذرات بنیادی موسوم به كوارك زیبایی ارزیابی می‌كند.
مواردی كه در بالا ذكرشان رفت بخشی از مسائل كیهان‌شناسی است كه پاسخ آنها مستقیماً به آزمایش‌هایی كه همین حالا در سرن در حال انجام است، مرتبط است. رازهای جهان كلان مقیاس كیهانی خود را باید از كنكاش ریزترین اجزای سازنده‌ی این عالم بیابیم و این شگفت انگیز و مسحوركننده است.
نامزد‌هایی برای ماده‌ی تاریک که سرن در پی بررسی آنهاست
در آشکارساز آلیس با رسیدن به دمایی در حدود 5500 میلیارد کلوین، به دنبال بازسازی لحظات اولیه‌ی پس از مهبانگ هستیم همان لحظاتی که تمام مواد جهان به شکل پلاسمای کوارک- گلوئون بودند
منبع مقاله :
ماهنامه نجوم، شماره‌ی دهم.