گستره جهان فیزیک ذرات بنیادی به وسیله فیزیکدانان درنوردیده شده است، اکنون این بخش از جهان فیزیک به پایان خود نزدیک میشود. هنگامی که دانشمندان مرکز پژوهشی CERN در جولای گذشته اعلام کردند که آنها بوزون هیگز را یافتهاند...
گستره جهان فیزیک ذرات بنیادی به وسیله فیزیکدانان در نوردیده شده است، اکنون این بخش از جهان فیزیک به پایان خود نزدیک میشود. هنگامی که دانشمندان مرکز پژوهشی CERN در جولای گذشته اعلام کردند که آنها بوزون هیگز را یافتهاند، بوزون هیگز پاسخگوی جرمدار شدن همه ذرات جهان هستی میباشد، این دانشمندان توانستند با یافتن بوزون هیگز از ذره گمشده نهایی مدل استاندارد، پرده بردارند، همانگونه که میدانید مدل استاندارد چارچوبی است که همه برهمکنشها و نیروهای شناخته شده بین ذرات را توضیح میدهد.
با پیدا کردن این ذره به نظر میرسد همه چیز عالی میباشد و معمای دیگری در گستره فیزیک ذرات بنیادی وجود نداشته باشد، اینگونه نیست؟ شاید این چنین نباشد، فراموش نکنیم که در پایان سده نوزدهم هنگامی که مکانیک کلاسیک یا همان مکانیک نیوتنی به طور کامل بسط داده شده بود، همه به دانش فیزیک به چشم علمی مینگریستند که دیگر به پایان خود نزدیک شده است و فقط دو معمای حل نشده کوچک باقی مانده بود، یکی سرعت نور و دیگری رفتار الکترونها در اتم.
اما هنگامی که این دو معمای کوچک حل شدند دگرگونی شگرفی در جهان فیزیک رخ داد، دگرگونیای که نگرش ما به کل جهان هستی را تغییر داد. شاید در آینده نیز یک نظریه یا یک یافته دیگر در این گستره دگرگونی همسانی را در این بخش از دانش فیزیک پدید آورد. باید منتظر ماند. فیزیکدانان چنین تصور میکردند که ذره شگفتانگیز هیگز آنها را به سوی نظریههای بهتری رهنمون میگردد، که میتواند مسایلی را که مدل استاندارد از آنها رنج میبرد را برطرف سازد. اما به جای آنکه این ذره ما را به سوی نظریههای بهتر رهنمون سازد برعکس ما را در وضعیت گیج کنندهای قرار داده است.
ماریا اسپیراپولو (Maria Spiropulu)، فیزیکدان ذرات بنیادی از Coltech در این باره چنین میگوید: "ما روی یک پازل بسیار پیچیده نشستهایم که باید آن را شرح دهیم." این فیزیکدان روی یکی از اصلیترین آزمایشهایی که منجر به یافتن بوزون هیگز شد، کار کرده است. این دانشمند فیزیک ذرات بنیادی سهم به سزایی در یافتن بوزون هیگز میباشد، ذرهای که دانشمندان آن را ذره خدا مینامند.
ممکن است شگفتانگیز به نظر رسد، اگر بدانید دانشمندان امیدوارند بوزون هیگز رفتاری را از خود نشان ندهد که پیشتر توسط فیزیکدانان ذرات بنیادی پیشبینی شده و در قالب مدل استاندارد جای گرفته است. در بدترین حالت دانشمندان امید دارند ویژگیهای بوزون هیگز با آنچه مدل استاندارد پیشبینی کرده کمی متفاوت باشد، تا بتواند به فیزیکدانان در ساختن مدلی بهتر یاری رساند. اما بوزون هیگز سرسختانه رفتاری نرمال و طبیعی از خود نشان میدهد، تقریباً میتوان گفت با درصد بسیار بالایی با آنچه مدل استاندارد پیشبینی کرده سازگاری دارد. پس از آنکه ذره خدا امید دانشمندان را برای تغییر مدل استاندارد کم رنگ نمود، دانشمندان به دنبال یافتن گواهی برای هستی ذرات شگفتانگیز و عجیب دیگر هستند. آنها روی فرضیههایی کار میکنند که سویی را نشانه رفتهاند که در فراسوی مدل استاندارد قرار دارد، فرضیههایی مانند ابر تقارن (Supersymmetry)، این فرضیه ادعا میکند که شباهت بسار زیادی بین همه ذرات بنیادی مانند الکترونها، کوارکها و فوتونها وجود دارد.
چگونه میتوان دریافت که آنچه دانشمندان به دنبالش هستند مسیر درستی است و فرضیههایی مانند فرضیه ابرتقارن ما را به هدف میرساند، یا دست کم ما را به هدف نزدیک میسازد؟ تنها دادههای بیشتر میتوانند پاسخ این پرسش را روشن سازند.
طی چند سال آینده، دانشمندانی که بر پایه آزمایشها و دادههای عملی پژوهشهای خود را انجام میدهند و روی درستی فرضیهها کار میکنند، نتایج و یافتههای خود را ارایه خواهند داد، شاید دادههای این دانشمندان بتوانند پاسخی برای مسایل باقی مانده همچون ماده تاریک، ویژگیهای نوترینوها، سرشت بوزون هیگز ارایه نمایند و شاید دریچهای به سوی گسترهای نوین از جهان فیزیک برای ما بگشایند. در اینجا نگاهی خواهیم داشت به آزمایشهایی که به نظر میرسد باید توجه و تمرکز خود را روی آنها معطوف سازیم. دانشمندان زیادی هستند که از انجام چنین آزمایشهایی به وجد آمدهاند، زیرا آنها بر این باور هستند که این آزمایشها میتوانند شاخهای تازه و نو را در فیزیک نوین پدید آورند.
ALTAS و CMS
برخورد دهنده بزرگ هادرونها (LHC) در حال حاضر نمیتواند پروتونها را به هم برخورد دهد و آنها را به ذرات کوچکتر بشکند. در عوض، مهندسان در حال نصب سیستمهایی جهت ارتقای این برخورد دهنده بزرگ هادرونها هستند تا بتواند به دانشمندان در راستای رسیدن به ذرات با انرژیهای بالاتر دست پیدا کنند. این سیستم ممکن است تا پایان امسال آماده شود، اما تاکنون گستره زیادی از دادههایی که برداشت شدهاند دارای کاستیهایی میباشند. دو آزمایش اصلی برای جستجوی ذره هیگز یا همان ذره خدا، ALTAS و CMS، شگفتیهای زیادی را در درون خود جای دادهاند. دیوید میلر فیزیکدان ذرات بنیادی از دانشگاه شیکاگو، که وی روی CMS نیز کار نموده است، چنین میگوید: "ما به دنبال میوههایی هستیم که روی شاخههای پایینی جای گرفتهاند و دست ما به آنها میرسد. همه آنچه ما پیدا کردیم، بوزون هیگز بود، اکنون ما برای انجام تلاشی سختتر و به مراتب دشوارتر بازمیگردیم."چه نوع اطلاعات و شگفتیهای دیگر ممکن است در این دادهها نهفته باشند؟ هیچکس نمیداند و با قاطعیت نمیتوان به این پرسش پاسخ داد ما دو سال آینده دادههایی که به دست خواهیم آورد را با دادههای به دست آمده از آزمایشهایی که در سالهای 2011 و 2012 میلادی که منجر به یافتن بوزون هیگز گردید، ترکیب خواهیم نمود. دانشمندان امیدوارند تا با ذراتی به مراتب شگفتانگیزتر از ذره خدا روبرو شوند، ذراتی که فرضیه ابرتقارن هستی آنها را پیشبینی کرده است. این دانشمندان پژوهشهایی را آغاز نمودهاند تا بهتر از گذشته بوزون هیگز را بشناسند.
توجه داشته باشید که سیستمهایی که دانشمندان با آنها کار میکنند دارای زنگ هشدار نمیباشد تا با ورود هر ذره تازهای به آشکار سازها، دانشمندان را از حضور یک ذره تازه آگاه سازند. در حقیقت ALTAS و CMS نمیتوانند ذره هیگز را ببینند.
آنچه که آنها ردیابی کردند، ذراتی بودند که بوزون هیگز به آنها واپاشی کرده بود. سادهترین کانالها برای آشکارسازی بوزون هیگز هنگامی است که این ذره به ذراتی مانند کوارک و آنتی کوارک یا دو فوتون واپاشی مینماید. آنچه که اکنون دانشمندان تلاش دارند دریابند میزان دقیق درصد زمانیای است که این ذره به ذرات دیگر واپاشی میکند، با دریافتن این موضوع دانشمندان بهتر میتوانند پی به ویژگیهای بوزون هیگز برند. با آنالیزهای دقیقتر، این امکان وجود دارد، فیزیکدانان درصدهای هر واپاشی مختلف را محاسبه نمایند و دریابند تا رسیدن به 100 درصد چه میزان باقی مانده. ممکن است میزان کمی تا رسیدن به 100 درصد باقی مانده باشد و این نشان دهنده آن است که بوزون هیگز به ذراتی واپاشی میکند که تاکنون ما توان دیدن و رهگیری آنها را نداشتهایم.
ماریا اسپیراپولو در این باره اینگونه میگوید: "ما این واپاشی را واپاشی نامرئی مینامیم." دلیل این امر این است که بوزون هیگز به ذرات شگفتانگیزی واپاشی میکند که رفتاری بس شگفت از خود بروز میدهند، ذراتی درست مانند ذرات تشکیل دهنده ماده تاریک.
ما از مشاهدات کیهانشناسی و ستارهشناسی میدانیم که ماده تاریک دارای جرم است، و با توجه به اینکه بوزون هیگز به جرمدار شدن ماده کمک میکند، بنابراین منطقی است اگر بگوییم این بوزون دارای برهمکنش ویژهای با ماده تاریک میباشد. بنابراین دادههای LHC میتوانند به دانشمندان بگویند که برهمکنش بین بوزون هیگز و ماده تاریک تا چه اندازه نیرومند است. اگر بتوان این واپاشی نامرئی را پیدا کرد آنگاه دریچهای تازه به روی جهان اکتشافات نوین گشوده خواهد شد. به گفته اسپیراپولو: "بسیار برازنده است که ما نام درگاه ماده تاریک را بر آن بنهیم."
NOVA و T2K
نوترینوها در مدل استاندار ذراتی هستند که دارای رفتار بیگانه و مرموزی هستند. آنها بسیار کوچک هستند، آن اندازه جرم آنها کم است که تقریباً میتوان آنها را بدون جرم در نظر گرفت، و به سختی تمایل دارند تا با دیگر ذرات بنیادی برهمکنش داشته باشند. به طور تاریخی آنها در ردهای از ذرات جای میگیرند که نتایج بسیار شگفتانگیزی را برای دانشمندان به ارمغان آوردند و نوید آن را میدهند تا در آینده با شناختن بیشتر این ذرات شگفتیهای بیشتری در مورد این مخلوق اسرارآمیز بیابیم. فیزیکدانان هم اکنون تلاش میکنند تا برخی از ویژگیهای این ذره را دریابند، که پیآمد آن پیدایش پرسشهای تازه برای دانشمندان میباشد. مائوری گودمن (Maury Goodman)، فیزیکدانی از آزمایشگاه ملی آرگون، چنین میگوید: "بخش بسیار زیبای این پرسشها این است که ما میدانیم آنها پاسخ دارند و نیازمند طراحی آزمایشهای نوین میباشند." این اندیشهای است که تا به امروز انسانهای پیشگام و پیروز را به پیش برده است.آزمایش NOVA که در ایالات متحده آمریکا در حال انجام است این امید را در دل دانشمندان پدید آورده است که بتوانند برخی از ویژگیها و خصائص نوترینوها را با جزییات کامل مشخص نماید. ما میدانیم در جهان هستی سه گونه نوترینو هستی دارد: الکترونها، میونها، تاو.
همچنین میدانیم آنها دارای جرم بسیار کمی هستند، دست کم ده بیلیون بار کمتر از یک الکترون، اما ما دقیقاً نمیدانیم کدام یک از این ذرات سبکتر هستند و کدام یک سنگینتر. لپتونها ردهای از ذرات بنیادی هستند که دارای اسپین نیم درست مانند 1/2، 3/2،... هستند، لپتونها دارای ردههای گوناگونی از ذرات هستند، رده الکترون، میون و تاو. همانگونه که در بالا اشاره شد نوترینوها نیز دارای سه رده هستند. هر کدام از گونهها در یکی از این سه رده الکترون، میون و تاو جای میگیرند. NOVA تلاش دارد تا این تفاوت جرمی را آشکار کند، برای این کار دانشمندان قصد دارند تا باریکهای از نوترینونها را از آزمایشگاه Fermilab واقع در نزدیکی شیکاگو به آشکارسازی که در فاصله 810 کیلومتری قرار دارد بتابانند، این آشکارساز در Ash River مینیسوتا قرار دارد.
آزمایش مشابهی در ژاپن به نام T2K در حال انجام است، آنها قصد دارند باریکهای از نوترینوها را به آشکارسازی که در فاصله دویست و نود و پنج کیلومتری آرام گرفته بتابانند. همچنان که این نوترینوها از درون زمین گذر میکنند، بین این سه گونه نوسان و افت و خیز خواهند داشت. با مقایسه شکل نوترینوها هنگامی که سفر خود را به سوی آشکارساز آغاز میکنند و شکل آنها هنگامی که به آشکارساز میرسند، NOVA و T2K توان آن را خواهند داشت ویژگیهای این ذرات را با دقت بالا مشخص نمایند. T2K برای دو سال در حال کار روی این پروژه است در حالی که NOVA از سال 2014 میلادی کار خود را آغاز نمود و قرار است تا شش سال این پژوهشها را دنبال کند. دانشمندان امیدوار هستند تا بتوانند پاسخ پرسشهای باقی مانده در مورد نوترینوها را بیابند.
آشکارسازی مستقیم ماده تاریک
ماده تاریک چیست؟ دانشمندان هنوز در این باره هیچ ایدهای ندارند. برخی از دانشمندان بر این باور میباشند که ماده تاریک چیزی است که سبب پیدایش کهکشانها و خوشههای کهکشانی شده است. برخی دیگر میگویند، چیزی به اسم ماده تاریک وجود ندارد، بلکه ناهمگونیای که در جهان هستی و دانش ما وجود دارد به دلیل نادانی ما و داشتن درکی نادرست از گرانش میباشد، آنها میگویند ما نباید به دنبال آشکار کردن ماده تاریک باشیم بلکه باید در قوانین گرانشی خود بازنگری کنیم یا اینکه منتظر کشف بخشهای تاریک جهان هستی باشیم.کدام دسته درست میگویند؟ شاید دانشمندان به زودی پاسخ این پرسش را بیابند. هم اکنون همه این پرسشها از مسایل حل نشده گستره فیزیک به شمار میروند.
آزمایشهای زیادی وجود دارند که تلاش دارند تا به طور مستقیم گواهی برای هستی ماده تاریک پیدا کنند. سختی کار آنجاست که همه این آزمایشها به موارد گوناگونی اشاره دارند. یکی از احتمالاتی که تا به امروز نیز دانشمندان با آن روبرو هستند این است که دانشمندان آشکارسازهای خود را به سویی نشانه روند اما هیچگاه چیزی نبینند، این امر به آن معنا نیست که ممکن است چیزی آنجا وجود نداشته باشد، احتمال دیگر آن است که ما باید آشکارسازهای بزرگتر با حساسیت بیشتر بسازیم.
اما گروهی در برابر این ایده ایستادهاند، آنها تلاش دارند تا آشکارسازهای کوچکتر اما با حساسیت بالا طراحی نمایند، تا با چنین آشکارسازهایی بتوانند آنچه را ماده تاریک نامیده میشود را شکار کنند. آنها بر این باورند که گروه نخست با آشکارسازهای بزرگ نمیتوانند اثرات ظریف ماده تاریک را ببینند، برای این کار نیاز به آشکارسازهای کوچک دارد.
یک آشکارساز خیلی حساس با نام LUX، که اخیراً نتایجی را از نخستین اجرایش ارایه داد، دانشمندان امیدوار بودند شاید این آشکارساز بتوانند به آنها یاری رساند تا هر چه زودتر از این وضعیت گیج کننده خارج شوند. اما نتایج این آشکارسازها معماهای بیشتری را برای آنها به ارمغان آورد. به نظر میرسد برای چند سال آینده، آزمایشهای گوناگون به طور پیوسته دادههایی را در این زمینه گردآوری میکنند، شاید دادههای آینده بتوانند پرده از این معما بردارند.
اما نیروهای تاریکی تلاشهای متفاوتی را بین دانشمندان آمریکایی ایجاد کرده است. اثرات این تفکیک به این معنا میباشد که دپارتمان انرژی به دنبال کاهش شمار آزمایشهایی است که به دنبال ماده تاریک میگردند. در ماههای آینده، این آژانس فقط برای دو یا سه گروه پژوهشی بودجه تصویب مینماید. به گفته خوان کلار (Juan Collar) فیزیکدانی از دانشگاه شیکاگو این مشکلی است که گروههای پژوهشی با آن روبرو هستند.
بنابر گفته وی: "کسان زیادی هستند که از این وضعیت خشنود نیستند." مشکل عدم یک توافق همگانی در این زمینه میباشد. پیشترها دانشمندان فقط با بهرهگیری از یک سری روشهای ویژه تلاش در یافتن ماده تاریک داشتند، آنها پس از ارایه روشها و فرضیههای خود اکنون نیاز دارند تا این روشها را با ابزار و تجهیزات آزمایشگاهی در بوته آزمایش قرار دهند. به گفته کلار: "اکر شما بخواهید برخی از روشها را محدود سازید، شما دوباره دانشمندان را به وضعیت ده تا پانزده سال پیش بازگرداندیدهاید، با انجام چنین کاری چیزی برای چک کردن وجود ندارد."
همکاران اروپایی، مانند تیم XENON، به دنبال ساخت آشکارسازی با حساسیت بالا میباشند. این دانشمندان طرحی را که ارایه نمودهاند را EURECA مینامند، هدف از این طرح گرد آمدن چند گروه پژوهشی تا بتوانند احتمالات بیشتری را مورد آزمایش قرار دهند. اما بدون در نظر گرفتن بودجه مناسب برای چنین پژوهشی ایالات متحده از رقبای اروپایی خود عقب خواهند ماند.
GERDA و MAJORANA
مدل استاندارد علیرغم موفقیتهای زیادی که برای دانشمندان به ارمغان آورد، یک مدل شکست خورده است. دانشمندان میدانند نوترینوهای دارای جرم هستند، در صورتی که مدل استاندارد پیشبینی میکرد اینگونه نیست. بنابراین این امکان وجود دارد تا نوترینوها راهنمای دانشمندان در پژوهشهای آینده باشند تا به مدلی فراگیرتر دست یابند. گونه ویژهای از آزمایشها، میتوانند تا حدی آنچه را مدل استاندارد با آن مشکل دارد را توضیح دهند: چرا دنیا از ماده ساخته شده است؟به طور خیلی ویژه، مدل استاندارد پیشبینی میکند که در طی فرآیند انفجار بزرگ، ماده و پادماده در دو بخش کاملاً برابر پدید آمدند. اما به دلیل آنکه آنها دو بخش متضاد از ماده هستند یکدیگر را از بین میبرند، بنابراین باید جهان دوباره به نیستی و عدم باز میگشت. اگر شما از پنجره نگاهی به بیرون بیاندازید، خواهید دید که اینگونه نیست و چیزهایی را میبینید که از ماده ساخته شده است.
واپاشی بتا هنگامی رخ میدهد که یک نوترون (یک ذره خنثی در هسته اتم) به طور همزمان خود را به یک پروتون و یک الکترون تبدیل میکند، در چنین فرآیندی همزمان با تبدیل نوترون به پروتون و الکترون یک نوترینو هم زاده میشود. فرآیند وارون آن کمی متفاوت است، فرآیندی که طی آن از برانبارش نوترینو، الکترون و پروتون یک نوترون زاده میشود. در واپاشی همزاد بتا که نوترینویی پدید نمیآید، وضعیت بسیار نادری است که در آن به جای نوترینو یک پادنوترینو زاده میشود.
چنین چیزی فقط هنگامی رخ میدهد، اگر نوترینوها و پادنوترینوها دارای سرشتی یکسان باشند: این به آن معنی است که نوترینو پاد خود نیز هست. کسی درستی این موضوع را نمیداند، در این صورت میتوان نتیجه گرفت که در آغاز جهان هستی واپاشی نوترینوها میزان بیشتری ماده به نسبت پاد ماده پدید آورده باشند. چندین آزمایش به دنبال آن هستند تا نشان دهند پادماده نوترینوها خود نوترینوها هستند. در حال حاضر آزمایش GERDA (GERDA: GERmanium Detector Array) به کار گرفته شده است و به زودی نتایج اولیه آن در اختیار دانشمندان قرار خواهد گرفت.
GERDA تاکنون چیزی ندیده است اما کمک شایان توجهی برای ایجاد محدودیتهای سخت به دانشمندان نموده است تا بتوانند یک واپاشی همزاد بدون نوترینو را تجربه نمایند. دانشمندان آمریکایی که روی این موضوع کار میکنند با نام MAJORANA شناخته میشوند و یک آزمایش کانادایی با نام SNO+ با هم کار میکنند تا بتوانند جزییات این فرآیند را دریابند. در دهه آینده امید آن میرود پاسخ مناسبی برای این معما پیدا شود.
نوترینوهای عجیب
هرچه بیشتر برای شناخت و دریافت ویژگیهای نوترینوها، مانند جرم آنها، تلاش میشود دانشمندان با مسایل تازهتری روبرو میشوند. به گفته مائوری گودمن: "مردم بر این باور هستند که نوترینوها پیچیدهتر از آن هستند که ما میاندیشیم." یکی از تاریخترین نمونهها از این دست بیهنجاری راکتور نوترینو میباشد. نوترینوها برای نخستین بار در راکتورهای هستهای کشف شدند. اما بررسیهای دقیقتر در سال 2011 میلادی پیشنهاد دادند که دانشمندان زمان زیادی را برای آشکار کردن کسر کوچکی از نوترینوها از دست دادهاند و اکنون، آزمایشها به دنبال آن هستند تا درستی این ادعا را ثابت کنند. مشکل اینجا است که ما نیاز داریم تا آشکارسازی را برای آشکار نمودن نوترینوها به قلب راکتور نزدیک سازیم. چندین آزمایش جسورانه، مانند CeLAND در ژاپن و SOX در اروپا، به دانشمندان یاری میرسانند تا این بر این مشکل پیروز شوند و پاسخ را بیابند.یافتهها ممکن است مهیج باشند زیرا پتانسیل یافتن گونهای تازه از نوترینوها را دارا میباشد، نوترینویی که به عنوان نوترینوی نازا شناخته میشود. این نوترینو برخلاف سه گونه نوترینوی دیگر که پیشتر درباره آنها گفتیم و با دو نیروی شناخته شده از چهار نیروی جهان هستی با ماده برهمکنش دارند (نیروی گرانش و نیروی هستهای ضعیف)، فقط میتواند با نیروی گرانش با ماده برهمکنش داشته باشد.
در نظر داشته باشید که نیروی گرانش ضعیفترین نیرو بین رده چهارگانه نیروها به شمار میرود، و نوترینوی نازا فقط با این نیرو میتواند با ماده برهمکنش داشته باشد، نوترینویی که جرمش به اندازهای کم است که تقریباً میتوان آن را بیجرم در نظر گرفت. بنابراین آشکار کردن چنین نوترینویی کاری بسیار بزرگ به شمار میرود.
در دهه گذشته چندین بیهنجاری نوترینوهای دیگر مشاهده شده است. یک آزمایش با نام MiniBooNE، که تصور میشد به موردی که اشاره کردیم خیلی نزدیک شده است، این آزمایش یافتههای عجیبی را به نمایش میگذاشت که پتانسیل آن را داشتند تا به عنوان رده تازهای از نوترینوها معرفی شوند. MiniBooNE همچنان در حال کار است و به دنبال یافتههای تازهای است تا شاید بتواند پدیدههای شگفتآور دیگری را به جهان علم هدیه نماید و دنیای علم را بار دیگر به لرزه درآورد.
منبع مقاله :
ماهنامه کامپیوتری بزرگراه رایانه شمارهی 188، سال هجدهم، شهریور 1394