شتاب دهنده ی ال. اچ. سی و تازه ترین دستاوردهای آن

در پرانرژی ترین جای منظومه شمسی چه می گذرد؟

*توضیح عکس: مرکز هدایت سازمان هسته ای اروپا (سرن) در لحظه ای که شتاب دهنده ی ال. چی. سی می خواست آغاز به کار کند. حضور رسانه ها، روزنامه نگاران، عکاسان و تصویر برداران که تعدادی از آنها در این عکس دیده می شوند، جالب توجه است. ال. اچ. سی پیچیده ترین دستگاهی است که بشر تا به امروز موفق به ساخت آن شده است. این شتاب دهنده ی ذرات، ممکن است درک ما از سازوکار عالم را تغییر دهد. فیزیکدانان ایرانی هم در این پروژه بزرگ بین المللی مشارکت دارند و یک قطعه از این دستگاه غول پیکر و گران قیمت ساخت ایران است.
ال. اچ. سی(1) شتاب دهنده بزرگی است که در سرن (مرکز پژوهش های هسته ای اروپا) قرار گرفته و بزرگترین برخوردهای بین ذرات در آنجا رخ می دهد. هزاران دانشمند از سراسر جهان در این آزمایشگاه عظیم مشغول کار هستند. از ایران نیز چندین دانشمند و دانشجوی دکترای فیزیک در این پروژه، شرکت دارند. همچنین، ایران قطعه ای بیرونی از یک آزمایشگاه عظیم به نام سی.ام.اس را مهندسی و طراحی کرده است که به اعتراف مهندسان سرن، دقت فوق العاده ای در ساخت آن به کار رفته است. هرچند در ساخت آن از ابرفناوری استفاده نشده، اما به گفته دکتر "فرهاد اردلان" از دانشگاه صنعتی شریف، قرار است در چند سال آینده با بهینه سازی مجدد دستگاه ها در سی. ام. اس، ایران قطعه ای اصلی را با ابرفناوری آماده ساخت کند. سی.ام.اس جایی است که دانشمندان ایرانی در آن مشغول تحقیق وکار هستند. این سیم پیچ عظیم به اندازه یک ساختمان عظیم 9 طبقه است که انسان را برای چگونگی ساخت خود به حیرت فرو می برد.
در 30 شهریور امسال، گروه اس. ام. اس در
*توضیح عکس: نمایی سه بعدی از شتاب دهنده ی ال.اچ.سی که به شکل تونلی حلقوی در زیر زمین ساخته شده است.
*توضیح عکس:آشکارسازهای ال.اچ.سی ابعادی بسیار غول آسا دارند؛ به فردی که در پایین تصویر روی سکو ایستاده است دقت کنید.
سرن، مقاله ای با عنوان "مشاهده همبستگی زاویه ای هم ـ سمت بلند ـ برد در برخوردهای پروتون ـ پروتون" منتشر کرد که در آن با جزئیات به نشانه هایی از یک پدیده تازه در برهمکنش های پروتون، پرداخته شده است. در سی.ام.اس که زیر مجموعه سرن است، ذرات را انرژی زیادی می دهند تا به هم برخورد کنند و حاصل آن هزاران ذره است که با رایانه های عظیم مسیر آنها را در آشکارسازها مشخص می کنند. آشکارسازها از فناورری های مختلفی برای یافتن رد ذرات سود می جویند. مطالعه برخوردهای پرذره، که در آنها بیش از یکصد ذره باردار تولید می شود، علائمی را نشان داده است که گویی برخی از ذرات به یکدیگر همبسته اند؛ به این معنا که به هنگام تولید در نقطه برخورد، به نوعی با هم در ارتباطند.
بررسی این همبستگی ها در پرذره ترین برخوردهای پروتون ـ پروتون در برخورد دهنده بزرگ هادرون ها (ال.اچ.سی) طبیعی است، زیرا چگالی ذرات در آنها نزدیک به چگالی ذرات در برخوردهای پرانرژی هسته هایی همچون مس است که مشابه این اثر پیش تر در آنها مشاهده شده است. در تحلیل ارائه شده در این مقاله، تمام جفت های دوتایی ذرات باردار در یک برخورد انتخاب شده و اختلاف راستای آنها با هم اندازه گیری شده است. یکی از راستاها در جهت صفحه ای طولی است. هرجفت ذره با یک تابع همبستگی به نام R به هم وابسته اند. شکل بالای صفحه مقابل بستگی R به این دو صفحه را نشان می دهد.
جالب توجه ترین اختلاف میان دو شکل، یال سوال برانگیز و اضافه ای است که با یک پیکان مشخص شده است. این بدان معناست که جفت ذره هایی وجود دارند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در یک راستا از هم فاصله می گیرند، اما جهت گیری شان در راستای دیگر بسیار به هم نزدیک است. گویی که این جفت ذره ها در هنگام تولیدشان در نقطه برخورد، به نوعی با هم در ارتباط بوده اند.
سخنگوی آزمایش سی.ام.اس، "گوییدوتونلی(2)" در این باره چنین گفت:"ما فعالانه در پی یافتن چنین پدیده هایی بودیم. پدیده هایی که پیشتر در برخوردهای پروتونی دیده نشده باشند. با جمع آوری داده های بیشتر، ما دریافت روشن تری نسبت به منبع این اثر خواهیم داشت. این مشاهده، نشان دهنده توانایی و کارایی آشکار ساز سی.ام.اس و فیزیک پیشگانی است که از آن بهره می برند. اکنون ما در مسیرمان برای کاوش و اکتشاف قدم به قدم دنیای جدیدی هستیم که شتاب دهنده ال.اچ.سی برایمان گشوده است."
این نخستین بار است که چنین پدیده ای در یک برخورد پروتون ـ پروتون مشاهده می شود و درباره منشا این اثر، برداشت ها و تفاسیر متعددی می توان ارائه کرد. هرچند هنوز یک توضیح قطعی درباره علت این پدیده وجود ندارد، این اثر بدیع یادآور ساختارهای مشابهی است که در برخورد دهنده ریک (3) RHIC (برخورددهنده یون های سنگین با سرعت های نسبیتی در بروک هیون) مشاهده شد. در آن زمان، این ساختار ناشی از حضور مواد داغ و چگالی دانستند که در برخورد یون های سنگین با سرعت های بالا شکل می گیرد.
برای مطالعه ی دقیق رویدادهای پرذره از این دست، با داده های بیشتر، برنامه ریزی لازم انجام شده است.
افزایش شدت پرتوهای پروتونی در ال.اچ.سی در ماه های آینده، حجم داده های دریافتی را دست کم تا صد بار افزایش می دهد و امکان بررسی بسیاری موشکافانه تر این اثر و در نتیجه یافتن توضیحی روشن برای آن را فراهم می کند. همچنین، مطالعات مشابهی در سی.ام.اس برای بررسی داده های ناشی از برخورد یون های سنگین در ال.اچ.سی برای اجرا در آینده ای نزدیک، طرح ریزی شده اند.

ذرات بنیادی یعنی چه؟

بهتر است از ادامه سخن توضیحی کوتاه در مورد دنیای ذرات بنیادی ارائه دهم. طبق مشاهدات در جهان ما چهار نیروی بنیادی وجود دارد. یعنی بقیه نیروها به نوعی به این چهار نیروی اصلی وابسته اند. 1- نیروی گرانش 2- نیروی الکترومغناطیس 3- نیروی قوی هسته ای 4- نیروی ضعیف هسته ای. نیروی گرانش و الکترومغناطیس که در دنیای روزمره ما حضور دارند و برد آنها بی نهایت است. نیروی گرانش همان نیروی جاذبه است و از گذشته شناخته شده بود و همان نیرویی است که اگر هنگام راه رفتن مراقب نباشیم ما را به زمین خواهد زد. جالب آن که همین نیرو در دنیای ذرات بنیادی شناخته نشده ترین نیروهاست، زیرا آزمایشی برای تحقیق در مورد این نیرو تا این حد ریز، وجود ندارد. نیروی الکترومغناطیس را به صورت امواج رادیویی و نور و پرتو ایکس و... در اطراف و در زندگی روزمره حس می کنیم. دو نیروی دیگر جدیدترند. نیروی قوی هسته ای، قوی ترین نیروی شناخته شده است و مثلا باعث می شود در یک هسته اتم، پروتون ها یکدیگر را بر اثرهمنامی بارها، دفع نکنند، اما برد آن فوق العاده کوتاه و به اندازه خود هسته است. اگر این نیرو نباشد بر اثر بار الکتریکی همنام در پروتون ها، هسته اتم متلاشی خواهد شد. نیروی دیگر ضعیف هسته ای نام دارد و نیرویی است که باعث واپاشی نوع بتا می شود. این نوع واپاشی به این معنی است که هسته رادیو اکتیو یک عنصر، به هسته های رادیواکتیو سبک تری وا می پاشد و الکترون آزاد می کند. به طور مثال اتم پتاسیم به کلسیم وا می پاشد.
همه نیروهای جهان جلوه ای از این چهار نیروی بنیادی هستند. به عبارتی بقیه نیروها غیربنیادی هستند. فیزیکدانان عقیده دارند که این چهار نیرو در ابتدای جهان و در دمای زیاد آن زمان یک نیرو بوده اند. در گذشته سعی در یکی کردن نیروها شروع شده بود. برای اولین بار در قرن نوزدهم "ماکسول" دو نیروی مغناطیس و الکتریسیته را توسط معادلات ریاضی با هم یکی کرده و امواج الکترومغناطیسی را پیش بینی کرد. چندین سال بعد "هرتز" با آزمایش
*توضیح عکس: نمای شماتیک مسیر حلقوی ال.اچ.سی که محل آشکارسازهای این شتاب دهنده نیز روی آن نشان داده شده است
به چه طریق ماده می تواند یک نیروی بنیادی را حس کند؟ فیزیکدانان ذراتی را در نظر می گیرند که انتقال دهنده هر یک از نیروهای چهار گانه اصلی هستند و آنها را "بوزون" می نامند. علت این نامگذاری این است که ذرات مذکور از توزیعی آماری به نام "بوز ـ انیشتین" تبعیت می کنند. به این معنا که شما نمی توانید میان ذرات انتقال دهنده یک نیرو فرق بگذارید. برای یک نیرو تمام بوزون های مربوط به آن موجود در یک شرایط، شبیه به هم عمل می کنند. همانند جمعیتی از چند قلوها که نتوانید آنها را از هم تمیز دهید. بوزون ها باعث می شوند که شی در جهان هستی، نیرو را احساس کنند. ذره انتقال دهنده نیروی الکترومغناطیس، فوتون است و ذرات انتقال دهنده نیروی قوی هسته ای را گلوئون (یا چسب) نامند که 8 نوع دارد. بوزون های +W و -W و Z انتقال دهنده نیروی ضعیف هسته ای و واپاشی بتا هستند و برای گرانش نیز بوزونی به نام گراویتون در نظر گرفته شده که تاکنون آشکار نشده است. به طور شهودی بوزون ها بین دو جسم رفت و آمد می کنند و احساس نیرو را بین دو جسم برقرار می کنند. یعنی سنگی که به زمین می افتد به واسطه رفت و آمد ذرات "گراویتون" جاذبه زمین را حس می کند و اگر این ذارت نباشند، حسی از آن نیرو وجود ندارد.
در سال 1911 میلادی "رادرفورد(4)" شاگردانش، "گایگر(5)" و "مارسدن(6)" با تاباندن ذره آلفا (هسته اتم هلیم با بار مثبت) به ورقه نازگی از طلا مشاهده کردند که برخی از ذرات آلفا منحرف شده و برخی نیز باز می گردند و دفع می شوند. این یعنی آن که اتم دارای بار مثبت متمرکز در یک نقطه است و بارهای منفی به دور هسته می چرخند. اما بر اثر شتابدار بودن الکترون و نظریه الکترومغناطیس، الکترون از خود پرتوالکترومغناطیسی تولید کرده و انرژی آن کم شده و پس از مدتی باید الکترون به روی هسته بیفتد و اتم از هم بپاشد. برای حل این مشکل "نیلز بور(7)" در سال 1913 میلادی پیشنهاد کرد که الکترون ها در دور مدارهای معینی به دور هسته بچرخند و پایدار باشند. طیف اتم هیدروژن درستی این نظریه را تا حد زیادی اثبات کرد.
در دهه های بعدی ذرات ریز اتمی زیادی کشف شد که همانند پروتون و نوترون بودند. از جمله پیون ها، مزون ها، باریون ها و... باغ وحش ذراتی در نیمه اول قون بیستم شکل گرفت. در سال 1964 "گلمن" و "شوایگ" پیشنهاد کردند هادرون ها (مانند پروتون) بنیادی نیستند. یعنی خود از ذرات ریزتری به نام "کوارک" تشکیل شده اند. این کار آنان با توسل به نظریه گروه در ریاضیات، نوعی جدول (همانند جدول تناوبی مندلیف) را برای باغ وحش ذرات به وجود آورد. طبق نظریه استاندارد در جهان شش کوارک به نام های بالا، پایین، افسون، شگفت، ته و سر، وجود دارد که همگی به طور غیر مستقیم مشاهده شده اند. شش "پادکوارک" هم داریم. اینها ضد ذرات هستند. ضد ذرات در برخورد با ذره همانند خود تبدیل به انرژی می شوند. تمامی ذرات هادرون از این شش کوارک و شش پادکوارک پدید آمده اند که فیزیکدانان هریک را یک نوع طعم نامند. بار هر کوارک، منفی یک سوم یا مثبت دوسوم است. کوارک بالا و افسون و سر، بار مثبت دوسوم دارند. کوارک پایین و شگفت و ته، بار منفی یک سوم دارند، پروتون و نوترون هر کدام حاوی کوارک بالا و پایین هستند. پروتون دو کوارک بالا و یک کوارک پایین دارد و بار آن مثبت یک می شود: نوترون، یک کوارک بالا و دو کوارک پایین دارد، پس بار آن صفر است.
البته مشاهده این کوارک ها به طور مستقیم انجام نگرفت. به عبارتی مشاهده آنها همانند نوترینوها به شکل غیر مستقیم انجام گرفت. البته در اواخر دهه شصت میلادی با استفاده از الکترون های پرانرژی و اوایل دهه هفتاد میلادی با پروتونهای نوترینو دانشمندان داخل پروتون را همان گونه که رادرفورد داخل اتم را کاویده بود، جست و جو می کردند. نتایج این بررسی به نام "پراکندگی ژرف غیر کشسان" یادآور نتایج آزمایش رادرفورد بود. بیشتر ذرات تابیده عبور می کنند در حالی که شمار کمی از آنها به شدت کمانه می کنند. یعنی بار پروتون در محل کوچکی متمرکز شده است. آزمایش رادرفورد در مورد اتم نشان از تمرکز بار در یک نقطه داشت، اما داده های آزمایش دهه هفتاد در مورد پروتون حاکی از آن بود که بار پروتون در سه نقطه متمرکز شده اند! این تایید قوی بر مدل کوارک بود. مشاهده همه کوارک ها همزمان نبود. به طور مثال کوارک "افسون" پیش بینی شده بود، اما در عمل مشاهده نشد تا این که در سال 1974 آزمایشی توسط "ساموئل تینگ" و یک آزمایش دیگر توسط "بروتون ریشتر" (برندگان جایزه نوبل فیزیک 1976) ذره ای را آشکار کرد که حاوی کوارک پیش بینی شده افسون بود. یکی از آنها ذره را J و آزمایشگر دیگر آن را پسی، Ψ نامید. این ذره J اکنون j/Ψ نامند. کوارک سر آخرین کوارک در کشف علمی بود و بین کشف کوارک سر با کوارک ته، حدود بیست سال فاصله بود. علت این تاخیر، جرم زیاد کوارک سر، یعنی مقدار 175 گیگاالکترون ولت است. در دنیای زیر اتمی جرم ذرات را با انرژی آنها می سنجند. زیرا جرم و انرژی طبق قانون بقای انرژی و ماده اینشتین، معادلند. شواهدی دال بر وجود کوارک سر، در سال 1995 در آزمایشگاه فرمی لب پدیدار شد. بنابراین کوارک ها و پادکوارک ها روی هم 12 ذره اند.
الکترون ها، ذرات دیگر تشکیل دهنده ماده هستند و خانواده ای به نام "لپتون" ها را شکل می دهند. دو عضو دیگر این خانواده که ذراتی سنگین تر از الکترون بوده ولی رفتاری شبیه آن دارند "موئون" و "تائون" هستند. ضد الکترون را "پوزیترون" نامند و ضد موئون و ضد تائون هم داریم. علاوه بر اینها نوترینوهایی نیز برای هریک از این ذرات موجود است. پس سه نوع نوترینوی الکترونی، موئونی و تائونی هم داریم. آشکارسازها در چند سال اخیر ثابت کرده اند که در شرایطی این سه نوع نوترینو قابل تبدیل به یکدیگرند! در کل با ضد ذره هایشان 12 نوع لپتون هم داریم. پس ماده با توجه به اطلاعات آزمایشگاهی کنونی از 24 ذره ساخته شده است. اگر "گراویتون" مشاهده نشده را در نظر نگیریم، در حال حاضر 12 بوزون مختلف هم داریم.
مدل استاندارد در مورد ذرات بنیادی، یکی از بهترین مدل هایی است که تا کنون با تجربه توافق داشته و به ما می گوید که این ذرات ماده باید بدون جرم باشند. یعنی در صورت ترکیب همه مشاهدات ومدل سازی آنها با ریاضیات و فیزیک، ذرات باید جرم نداشته باشند. پس چرا ما ذراتی مانند الکترون را جرم دار مشاهده می کنیم؟ دانشمندان ثابت کرده بودند که به هر ذره، میدانی وابسته است. فیزیکدانان فرض کردند که ذره ای به نام "بوزون هیگز" وجود دارد که به میدانی به نام "میدان هیگز" وابسته است و این میدان ذرات را جرم دار می کند! برای واضح تر شدن مطلب مثالی می زنم. ظرفی بزرگ و پر از عسل را در نظر بگیرید و فرض کنید این ظرف، میدان هیگز باشد. حال اگر قاشق چایخوری را به آن بزنید و عبور دهید، قاشق چایخوری به عسل آغشته می شود. ذره نیز همانند این قاشق چایخوری به میدان هیگز برخورد می کند و به واسطه میدان دارای جرم (عسل) می گردد. دکتر فرهاد اردلان در سخنرانی خود در باشگاه فیزیک مورخه شش دی 89 در دانشگاه تهران گفتند که طی یک یا دو سال آینده باید بوزون هیگز در شتاب دهنده سرن کشف شود.

آیا ال. اچ. سی عالم را در زمان نوزادی شبیه سازی می کند؟

"توماس شیفر"، نظریه پرداز دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، می گوید که ارتباط دادن نتایج ال.اچ.سی به تکامل عالم در دوران طفولیت آن سرراست نیست: تصویر اصلی اثبات شده است، (یعنی این که پلاسمای کوارک و گلوئون وجود دارد)، و در این باره که شاره ی کامل است نیز چیزهای جالبی یاد گرفته ایم، اما هیچ کدام از اینها مستقیما بر دینامیک عالم اولیه مثلا بر هسته زایش در مه بانگ تاثیر ندارد. "استیو ویگدور" از بروک هیون می گوید که از نتایج ALICE مسلما رفتاری شبیه به مایعات با گران روی کم برمی آید، اما هنوز زود است که ادعا شود تصویر مایع به طور کامل "تایید" شده است:"پرسشی که اینک باید پاسخش را یافت این است که اندازه این گران روی برشی چقدر است؟ چه مقدار به حد کوانتومی زیرین که در فرضیه ها مطرح شده است، نزدیک هستیم؟ برای یافتن این پاسخ وقت زیادی صرف تحلیل داده های برخورددهنده ریک شده است و ال.اچ.سی هنوز به این مرحله هم نرسیده است."
دو آشکارگر ATLAS و سی.ام.اس در سرن که ذرات را آشکار می کنند، چشم انداز های تازه ای در باره حالت کوارک ـ گلوئون به دست داده اند. در سمیناری که در سرن برگزار شد، نمایندگان گروه های پژوهشی این دو آشکارگر، از مشاهدات مستقسم "فروکوبش جت ها"(13) گزارش دادند. فروکوبش جت ها باریکه هم راستای هادرون هایی است که تقریبا به طور آنی از واپاشی کوارک ها و گلوئون ها حاصل می شوند و در گذر از پلاسمای کوارک و گلوئون فرو کوفته می شوند. ویگدور می گوید:"می توان گمان کرد فروکوبی جت ها درباره بر هم کنش کوارک ها و گلوئون های پرانرژی آگاهی های جدیدی به ما بدهد و به همبستگی های کوارک ـ گلوئون که به شاره ای با گران روی کم منجر می شود، وضوح بیشتری ببخشد." ATLAS نتایج خود را به تازگی در مقاله ای منتشر کرد و انتظار می رود که سی.ام.اس نیز هنگامی که تحلیل داده های برخورد یون های سنگین کامل شود نتایج خود را منتشر می کند، در سمینار دی ماه در سرن، سخن گوی ALICE، "یورگن شوکرافت" گفت: "جست و جو برای پلاسمای کوارک ـ گلوئون اساسا خاتمه یافته و کشفش اعلام خواهد شد و اندازه گیری خواصش تازه آغاز شده است. "او همچنین گفت:" با برخورد نوکلئون ها، ال.اچ.سی یک ماشین فانتزی (خیالی) مه بانگ خواهد بود. از برخی جهات، ماده گلوئون ـ کوارکی شناخته شده، اما با یک نظر اجمالی ما شروع به دیدن چیزهای جدید بیشتری کرده ایم."
داستان پلاسمای کوارک ـ گلوئون در ال.اچ.سی پیچش تازه ای یافته است. همان طور که در ابتدای مقاله بیان شد کارگردانان آشکارگر سی.ام.اس در برخی پسماندهای برخوردهای حاوی ذرات پرشمار، هم بستگی ذره ای را یافته اند. یعنی زوج های ذرات در چنان زاویه هایی از محل برخورد دور شده اند که نشان می دهد پروتون ها در نقطه برخورد بر یکدیگر تاثیر گذاشته اند. در ماه سپتامبر اعضای گروه 3هزار نفری آزمایش سی.ام.اس اعلام کردند "اثری بالقوه جدید و جالب" مشاهده کرده اند که یادآور ویژگی هایی مشابه در آزمایش های برخوردهنده ریک است. در آن آزمایش ها این مشاهدات به معنی حضور ماده داغ و چگال تعبیر شده است. "مایکل تاننباؤم" فیزیکدان برخورددهنده ریک می گوید:"برخلاف کشف فروکوبش جت ها در ال.اچ .سی که شاهدی قوی بر تولید پلاسمای کوارک ـ گلوئون است، یادآور بودن را نمی توان به معنای علمی به اندازه درآورد و ادعای کشف اثرهای تازه در هم بستگی های دو ذره ای در نتایج سی.ام.اس عجولانه و بی دقت است. "تاننباؤم درباره نتایج آزمایش سی.ام.اس در مقاله فهرستی از چند آزمون داده است که باید پیش از ادعای مشاهده پلاسمای کوارک ـ گلئون، انجام گیرد. این آزمون ها به جنبه هایی از ویژگی های برخورد یون های طلا در برخوردهنده ریک مربوط می شوند.
"پی یر وان مکلن" از دانشگاه آنت ورپ و عضو آزمایش سی.ام.اس می گوید که گروه های همکار در این آزمایش تنها آنچه را اندازه گرفته اند، گزارش کرده اند و هشدار می دهد که با قلمرو تازه انرژی سروکار داریم:"به نظر می رسد شماری مدل وجود دارند که از پس توضیح کیفی هم بستگی ها برمی آیند اما چالش واقعی بازساختن دقیق اعدادی است که در نتایج سی.ام.اس به دست آمده است."

برخوردی از نوع سرب ـ سرب

در تاریخ هفدهم آبان هشتاد و نه، آزمایش سی.ام.اس در ال.اچ. سی اولین برخورد سرب ـ سرب خود در انرژی مرکز جرم 2/76 گیگا الکترون ولت بر جفت هسته را به عنوان شروع برنامه تحقیقی یون های سنگین، ثبت کرده است. یون مثبت اتمی است که از آن الکترون برداشته اند. و یون منفی اتمی است که به آن الکترون داده اند. پس یون مثبت، الکترون یا بار منفی کم دارد و یون منفی، الکترون یا بار منفی زیاد دارد. در ساعت 11:20:56 روز هفدهم آبان، مرکز کنترل سی.ام.اس، برخورد پایدار پروتون های یون های سنگین را اعلام کرد. سی.ام.اس بلافاصله اولین برخوردها را آشکار کرد که هریک زاینده هزاران ذره اند. ذراتی که مسیرهایشان، در آشکار ساز سیلیکونی سی.ام.اس و انرژی هایشان، در گرماسنج های آن اندازه گیری می شوند. اندکی بعد داده ها تحلیل شده و اولین تصاویر این رویدادها تولید شد.
"بولک ویسلوش(9)" مدیر اجرای آزمایش یون های سنگین سی.ام.اس گفت:"ما خیلی هیجان زده هستیم که اولین برخوردهای یون های سنگین را در سی.ام.اس مشاهده می کنیم. داده ها به ما اجازه خواهند داد تا ماده داغ را در دماهایی بالاتر از دماهای پیشین مطالعه کنیم. "همچنین او گفت:" من برای دانشجویان و دانشمندانی که با کار زیاد، سی.ام.اس را برای برخورد یون های سنگین آماده کرده اند و قطعا از دستاوردهای فیزیک آن برخوردار خواهند شد، بسیار شاد هستم."
سی.ام.اس تعداد ذرات ایجاد شده (در برخی از برخوردهای پرانرژی، در حدود چندین هزار) و توزیع فضایی آنها را مطالعه خواهد کرد. "گوییدو تونلی" در آن زمان گفت:این واقعا شگفت انگیز است که می بینیم آشکار ساز سی.ام.اس به این خوبی در شرایط حساس برخورد یون سنگین در ال.اچ.سی، کار می کند. کیفیت داده ها آن قدر خوب است که ما به زودی قادر به انتشار نخستین اندازه گیری هایمان خواهیم بود. داده های جمع آوری شده از دو گونه برخورد پرتون ـ پروتون و نیز یون سنگین، ابزار قدرتمندی برای چشم اندازی از نشانه های روشن برای حالت جدیدی از ماده خواهد بود. برنامه کنونی ال.اچ.سی ادامه برخورد تا پانزدهم آذر خواهد بود که این مکان را به سی.ام.اس می دهد که با جمع آوری مقدار کافی از داده ها، گذارهایی جدید به جت هادرونی، مزون، اپسیلون و بوزون های Z داشته باشد. به لطف سیستم داده گیری سی.ام.اس و پهنای باند وسیع آن، تمامی برخوردها ثبت خواهد شد. نتایج در پیش رو، ذرات برهم کنش قوی و نیز حالت کیهان در چند میکروثانیه اول پس از مه بانگ، را آشکار می سازد.
در سال های آتی، برنامه ای که دنبال خواهد شد عبارت است از چند ماه برخورد پروتون ـ پروتون به علاوه یک ماه برخور یون سنگین. تا کنون سال 2010 یک سال افسانه ای برای سی.ام.اس، ال.اچ.سی و همه جامعه فیزیک ذرات بوده است. به دنبال وقوع برخورد 7 گیگاالکترون ولت در اواسط فروردین89، شدت پرتوهای ال.اچ.سی به سرعت افزایش پیدا کرد که این منجر به بازکشف همه ذرات شناخته شده مدل استاندارد شد. از پیون خنثی تا j/Ψ و مزون های اپسیلون گرفته تا جایی که در آشکارسازی چندین هزار W و Z و همچنین چند صد کوارک سر(10)، به اوج خود رسید.
چند ده مقاله تا به حال توسط سی.ام.اس چه در زمینه نحوه کارکرد آشکارساز و یا در زمینه اندازه گیری های فیزیکی انتشار یافته است. همچنین جست و جو برای پدیده های فیزیکی جدید مانند لپتوکوارک ها، کوارک مرکب (ساختار داخلی کوارک ها) و ابرتقارن (ذرات و اثراتی که توسط مدل استاندارد پیش بینی شده) شروع شده است و سی.ام.اس حدود جدیدی روی این پدیده ها را ارئه می کند. در ماه شهریور نیز سی.ام.اس، با هم بستگی دو ذره ای در برخوردهای پروتون ـ پروتون اثرات مشابهی از آن چه در برخوردهای یون سنگین دیده شده است، را دارا بوده است. بنابراین ماه های آتی در واقع برای سی.ام.اس پرهیجان خواهد بود. در سال 2010 از ال.اچ.سی پرتوهایی با شدت بیشتر انتظار می رود که به سی.ام.اس این امکان را خواهد داد تا مرزهای فیزیک ذرات را گسترش داده و شاید حتی منجر به کشف های کاملا جدیدی شود.
تازه ترین گزراش ها در تاریخ 27 آبان 89 حاکی از محصول بوزون Z در برخورد یون های سنگین برای اولین بار در ال.اچ. سی توسط آزمایش سی.ام.اس را دارد. سی.ام.اس تعداد 10 رویداد شامل مشخصه نامزد بوزون Z، به وجود آمده از یک جفت الکترون یا یک جفت موئون را دارد، که جرم پایدار آنها با جرم بوزون Z سازگار است و در تصویر 3و4 این واپاشی را مشاهده می کنید. بوزون Z در سال 1983 در سرن مشاهده شده بود اما پیش از این هرگز در برخورد یون های سنگین دیده نشده بود. محصول Z در برخوردهای یون سنگین یک نشانه بزرگ در برابر این که گوناگونی را در محصول j/Ψ یا اپسیلون و یا انرژی سنجشی میزان شده جت های هادرونی را مقایسه می کند. همه اینها می توانند بر شکل دهی مقادیر کوچک "پلاسمای کوارک ـ گلوئونی" (QGP(11) دلالت کنند. یعنی یکی از حالت چگال بسیار داغ ماده که شباهت به شرایط اولیه عالم دارد.

ماده یا پادماده؟

در تاریخ 26 آبان آزمایش آلفا در سرن، قدمی مهم به جلو را توسعه تکنیک ها در فهم یکی از سوالاتی که تاکنون در مورد گیتی بازمانده است، برداشت و سوال این است:"چرا میان ماده و پادماده تفاوت موجود است؟" گفتیم پادماده در برخورد با ماده از بین رفته و تبدیل به انرژی می شود. مثلا ضد الکترون را "پوزیترون" نامند و یا همان طور که بیان شد "پادکوارک"، همان ضدکوارک است. در ابتدای مه بانگ مقدار ماده با پادماده بربر بود، اما می دانیم که اکنون عالم ما از ماده تشکیل شده است. پس پادماده چگونه ناپدید شده است؟ شاید مدت کمی بعد از مه بانگ، مقدار ماده از ضد ماده بیشتر شد. اما چرا؟ در گزارش جدید چاپ شده در مجله "نیچر"، تعدادی از محققان سرن نشان داده اند که اتم هایی از "پاد هیدروژن" تولید شده و به دام افتاده اند. این پیشرفت راه هایی جدید برای اندازه گیری جزئیات اتم پادهیدروژن باز می کند که مقایسه علمی میان ماده و پادماده را به سمت جلو هل میدهد.
برنامه "پادهیدروژن" به یک مسیر طولانی در گذشته باز می گردد. در 1995 اولین 9 اتم "پادهیدروژن" ساخت دست بشر در سرن، تولید شد. سپس در سال 2002 میلادی، آزمایش های آتنا و اترپ نشان دادند که تولید "پادهیدروژن" در مقادیر بزرگ، امکان پذیر است و راه را برای مطالعه جزئیات بیشتر باز کرد. نتیجه جدید آلفا نزدیک ترین مرحله در این فرآیند است. آزمایش آلفا نشان داد که نگهداری اتم های "پاد هیدروژن" برای حدود یک دهم ثانیه (در خلا برای جلوگیری از برخورد ماده) امکان پذیر است که برای مدت زمان مطالعه روی آن، به قدر کافی طولانی است. آخرین گزارش آلفا حاکی از آن است که هزاران "پاداتم" افریده شده در آزمایشگاه فقط 38 عدد آن با زمان کافی در دام مانده اند تا بتوان رویشان مطالعه کرد.
در برنامه توسعه داده شده دیگر برای پادماده درسرن، آزمایش ASACUSA، تکنیکی جدید برای تولید اتم های "پاد هیدروژن" را نشان داده است. در گزارشی که در 4 آذرماه در "فیزیکال ریولیترز"چاپ شد، گفته شد تولید "پاد هیدروژن" در تله ای به نام "کاسپ"(12) (پردازش اصلی برای ساخت یک باریکه) موفقیت آمیز بوده است. نقشه آن که این تکنیک برای جان بدربردن باریکه های شدت جریان اصلی برای مدت زمان مطالعه کافی، توسعه دهد. به خاطر بررسی نتایج برخورد یون های سنگین همایشی در سرن به تاریخ یازدهم آذر89 برگذار شد. گرفتن نتایج بیشتر از پانزدهم آذر دوباره شروع شد.
طبق گفته "گوییدو تونلی" برخورددهنده بزرگ هادرونی پس از هشت ماه کار پی در پی، روز 15 آذرماه با آخرین باریکه، کار خود را در سال 2010 میلادی به پایان رساند. از 16 آذر یون های سرب با انرژی های حدود 0/5 پتاالکترون ولت در ال.اچ.سی به هم برخورد داده شدند. این انرژی 80 برابر انرژی تولید شده در برخوردهای پروتون ـ پروتون است و منجر به شکل گرفتن حبابی چنان داغ و چگال از ذرات ریز اتمی می شود که هسته ها به اجزای سازنده خود یعنی کوارک و گلوئون تجزیه می شوند. این حالت ماده که "پلاسمای کوارک ـ گلوئونی" نام دارد، تنها کمی پس از مه بانگ در عالم اولیه وجود داشته است و جست وجو برای آن نخست در سال 2000 در سرخط خبرها قرار گرفت. قبل از این در برخورددهنده ریک، پلاسمای کوارک ـ گلوئونی تولید شده بود. تا چند ماه فیزیکدانان انتظار داشتند که چنین گونه ای از ماده حتی با برخوردهای پرانرژی تر، در برهم کنش یون سنگین در ال.اچ. سی تولید شود و همین طور هم شد. در آن هنگام در برخورد یون های سنگین با "هدف های ثابت" در سرن شواهدی از حالت تازه ماده به دست آمد که ظاهرا نوع پیش دستی بر آزمایشگاه ملی بروک هیون در نیویورک بود که شتابگری مختص کیو.جی.پی به نام "برخورددهنده یون های سنگین نسبیتی (آر.اچ.ای.سی)" ساخته و تازه شروع به کار کرده بود. اما در سال 2005 میلادی برخورددهنده ریک اعلام کرد حباب گونه های کوارک ـ گلوئون برخلاف آن چه انتظار می رفت به گاز شبیه نیستند و رفتاری شبیه به مایعی با گران روی (ویسکوزیته) صفر دارند. در اوایل امسال فیزیکدان های برخورددهنده ریک تایید کردند که کوارک و گلوئون و نه ذرات هادرونی اجزای اصلی شارش این مایع هستند.
انرژی برخوردهای ال.اچ.سی، چهارده برابر انرژی برخوردها در برخورددهنده ریک است و بزرگترین آزمایشگاه ذرات بنیادی در اروپا بار دیگر شیدای پلاسمای کوارک و گلوئون شده است. پس از چند روز، آزمایش ALICE که مختص بررسی برخوردهای یون های سنگین است، شواهد حالتی چگال داغ را یافته که علی رغم دمای بسیار زیاد مانند مایع حرکت می کند و افزایش بارزی را در شمار ذرات حاصل از برخورد آشکار کرده است. به صورت تخصصی می توانید به مقاله مراجعه کنید سرن می گوید که اگر این دو نتیجه با هم در نظر گرفته شود برخی نظریه ها درباره رفتار عالم اولیه را می توان رد کرد.

یک برخورد و هزاران تعبیر!

تعبیر برخوردهای ال.اچ.سی نیاز به ظرافت و باریک بینی دارد. کوارک ها بخش کوچکی از پروتون را می سازند و تقریبا همه جرم پروتون برخاسته از افت و خیزهای دریای گلوئون هاست که عمرشان در انرژی های برخورد در ال.اچ.سی آن قدر اتساع زمانی می یابد که می توان برخورد های پروتون ها را به صورت برخورد پیکربندی های کاتوره ای "نقاط داغ" گلوئونی دید. تجربه گرها باید از انبوه جت ها و پس ماندهایی که در تلاطم برخورد حاصل می شود، جزئیاتی از فیزیک کوارک ها و گلوئون ها که کرومودینامیک کوانتومی را توصیف می کند، یبرون بکشد و به هم ارتباط دهند. کرومودینامیک کوانتومی می گوید که گلوئون ها و کوارک ها خاصیتی همانند بار الکتریکی به نام "رنگ" دارند و لپتون ها رنگ ندارند و در نتیجه نیروی قوی هسته ای بر آنها اثر نمی کند. سه رنگ برای کوارک ها یعنی آبی و قرمز و سبز داریم. برای پیوند سه کوارک و تشکیل مثلا پروتون، هر کوارک باید دارای یک نوع رنگ باشد تا سه کوارک کنار هم قرار گیرند.
معاون هماهنگ کننده آزمایش سی.ام.اس "گونتر دیسرتوری" می گوید "لبه ای را که در نتایج سی.ام.اس دیده می شود هیچ یک از مدل های مونت کارلوی فعلی (نوعی مدل سازی ریاضی) در QCD پیش بینی نکرده بودند و برای کسانی که با برخورد یون های سنگین سروکار نداشته اند نتیجه ای که به دست آمد کاملا غیر منتظره بود." به دنبال انتشار نتایج سی.ام.اس مقالات زیادی برای توضیح این هم بستگی ها منتشر شده است. چه این همبستگی های دو ذره ای برخاسته از چگالی شیشه گون رنگ(14) باشد، یا پلاسمای کوارک ـ گلوئون، یا حالت چرخان یا انفجاری از بندرسته کوارک و گلوئون(15) یا شاید درهم تافتگی کوانتومی گلوئودینامیکی، فیزیکدان ها برای آن که در نهایت بتوانند در جست و جوی ذرات جدید سیگنال را از پس زمینه جدا کنند، باید لبه ای را که در نتایج مشاهده کرده اند توضیح دهند. ال.اچ.سی ممکن است تا بهمن و اسفند 89 دوباره را نیفتد، اما هنوز تعبیر داده های سال اول کار ال.اچ.سی به سرانجام نرسیده است! نکته آخر این که در تایخ 24 آذرماه 1389 از سوی سی.ام.اس تلاشی برای کشف سیاهچاله های میکروسکوپی به عنوان برخورد پرانرژی پروتون ـ پروتون صورت گرفت، اما شاهدی برآن یافت نشد. سیاهچاله های میکروسکوپی در برخی مدل های نظری پیش بینی شده بود.
تصاویر و پویانمایی هایی از برخی برخوردهای سی.ام.اس را می توان در تارنمای عمومی آن به نشانیhttp://cms.cern.ch یافت. آشکارساز سی.ام.اس به گونه ای طراحی شده است که بتواند دامنه وسیعی از ذرات و پدیده هایی را که در برخوردهای پرانرژی پروتون ـ پروتون و یون های سنگین رخ می دهند، آشکارسازی کند و نیز کمک خواهد کرد تا به پاسخ سوالاتی چون "جهان از چه تشکیل شده و چه نیروهایی در آن وجود دارند" و "چه چیزی به ماده ماهیت می بخشد" دست یابیم. این آشکارساز، همچنین خواص ذرات شناخته شده را با دقتی بی نظیر اندازه گیری می کند و به دنبال پدیده هایی کاملا جدید و پیش بینی نشده می گردد. چنین پژوهش هایی نه تنها درک ما را از چگونگی عملکرد جهان افزایش میدهد، بلکه جرقه هایی از فناوری های جدید را می زند که نهایتا دنیایی را که در آن زندگی می کنیم تعیبر خواهد داد، همان گونه که در گذشته نیز چنین بوده است.
انتظار می رود که دور اخیر آزمایش ال.اچ.سی، هیجده ماه به طول بینجامد. به این ترتیب آزمایش های حاضر در ال.اچ.سی قادر به جمع آوری داده به میزان کافی خواهد بود تا به سراغ قلمروهایی بروند که در آنجا انتظار کشف فیزیک جدید می رود. طراحی اولیه آزمایش سی.ام.اس به سال 1992 برمی گردد. ساخت این آشکارساز غول پیکر (به قطر 15 متر و طول حدود 29 متر و وزن 14 هزار تن) 16 سال به طول انجامید که حاصل همکاری یکی از بزرگ ترین گروه های عملی دنیا تا به امروز، یعنی بیش از 3100 دانشمند و مهندس از 169 موسسه و آزمایشگاه تحقیقاتی از 39 کشور دنیا (از جمله ایران در IPM) است.

در پایان:

در نامه ای به روابط عمومی سی.م.اس، نوشتن مقاله فوق و ارائه دستاوردهای سرن را با آنها در میان گذاشتم و ای میلی حاوی جواب از روابط عمومی آنجا از شخصی به نام "مارزینا" اَمد که ضمن تشکر پیشنهاد داده بود حاضر به هرگونه کمک برای ارائه دستاوردهایشان است.

پی نوشت ها :

1-Compact Muon Solenoid (سیم لوله موئون فشرده)
2-Large Hadron Collider
3-Guido Tonelli
4-Relativistic Heavy Ion Collider
5-Ernest Rutherford
6-Geiger
7-Marsden
8-Niels Bohr9
9-Bolek Wyslouch
10-top quark
11-Quark _ Gluon plasma
12-Cusp trap
13-jet quenching
14-color glass condensate
15-deconfined quark-gluon state ( rotating (or exploding
فرشاد اشکبوس عضو پیوسته انجمن فیریک ایران است.
پست الکترونیک: far.physics@gmail.com

منبع: دانشمند شماره 569