تلاش ها برای اثبات يک 'نظريه کلان' جانی تازه می گيرد

[Mr.Amirhessam]

ما در مقطعی هستيم که ديگر بايد آزمايش ها را راهنمای خود قرار دهيم، بدون آنها پيشرفت ممکن نيست."
جيم وِردی فيزيکدان کالج امپريال در لندن می افزايد: "بايد منتظر باشيم تا داده ها اظهار نظر کنند."

هنگام صرف قهوه در سرسرای ساختمان شماره 40 در سرن، Cern، (مخفف "آزمايشگاه اروپايی فيزيک ذرات") که يک تاسيسات وسيع آزمايشی مستقر در مرز فرانسه و سوئيس است، پروفسور وردی می گويد علم فيزيک به يک تقاطع حياتی پا گذاشته است.

در دهه 1970، نظريه موسوم به "مدل استاندارد" که تمام دانش موجود آن زمان درباره واکنش های ذرات تشکيل دهنده اتم را در بر می گرفت، اوج موفقيت فيزيک نظری محسوب می شد.

امروز اما آن نظريه ناقص و تنها منزلی در راه رسيدن به نظريه ای کاملتر تلقی می شود.

مدل استاندارد نمی تواند معروف ترين عضو چهار نيروی اساسی جهان يعنی قوه جاذبه را توضيح دهد؛ به علاوه اين نظريه تنها در صدد توضيح ماده معمولی، که تنها کسر کوچکی از جهان را تشکيل می دهد برمی آيد.

اکنون "کوبنده بزرگ ذرات هادرون" يا "ال اچی سی" (Large Hadron Collider) در مرکز پژوهشی سرن، که با هزينه 3/2 ميليارد دلاری ساخته شده است بايد به بزرگترين آرمان امروز علم فيزيک جان تازه ای ببخشد: نظريه ای کلان برای توضيح تمامی پديده های فيزيکی در طبيعت.

در عمق صدمتری زير ما، در تونلی حلقوی به طول 27 کيلومتر، دانشمندان درحال نصب قطعات سازنده دستگاه بی نهايت پيچيده و وسيع "ال اچ سی" هستند.

زمانی که اين دستگاه در سال 2007 برای يک فعاليت آزمايشی روشن شود، دو اشعه از ذرات را در سرعت های به نهايت بالا به همديگر خواهد کوبيد تا شرايط حاکم بر جهان لحظاتی پس از انفجار بزرگ را بازآفرينی کند.

برخورد اين دو اشعه بايد آبشاری از ذرات تازه به راه اندازد، که آشکارکننده طبيعت فيزيکی ورای نظريه مدل استاندارد خواهد بود.

"ال اچ سی" برای اينکه در اين آزمايش موفق باشد، بايد در مقايسه با کوبنده های قبلی به سرعت های خيلی بالاتر دست پيدا کند.

خلاء

اشعه های ذرات که از پروتون ها يا يون های سرب تشکيل شده در زنجيره ای از شتاب دهنده های موجود سرن توليد شده و سپس به "کوبنده بزرگ ذرات هادرون" تزريق خواهد شد. در اينجا آنها يک بار ديگر تقويت می شوند تا به حداکثر ميزان انرژی ممکن برسند.

در حدود 1232 "آهن ربای دوقطبی" اين اشعه های پرانرژی را از داخل خود حمل و آنها را در اطراف "ال اچ سی" خم می کنند
هريک از اين آهن رباها پيش از نصب در تونل، تحت آزمايش های گسترده کيفی قرار می گيرد. در محلی به اسم "پوينت 18" در سرن، دکتر مايک لامونت از گروه عمليات اشعه سرن، تاسيساتی که آهن رباها در آنها (در هر نوبت 12 عدد) نصب می شوند را نشانمان می دهد.

آزمايش ها در دمای منهای 271 درجه سانتيگراد (9/1 درجه کلوين)، که دمای نهايی فعاليت ال اچ سی است انجام می شود. اين تنها اندکی بالاتر از "صفر مطلق" است و از خلاء موجود در فضای بيرون جو نيز سردتر است. آهن رباها در هليوم مايع خوابانده می شوند تا دمای آنها به منهای 271 درجه سانتيگراد افت کند.

وقتی دمای هليوم به 17/2 کلوين می رسد خواص خارق العاده ای به نمايش می گذارد. در اين حالت "ابر مايع"، هليوم تقريبا بدون چسبندگی به جريان می افتد و خاصيت شديد رسانايی برای حرارت بالا پيدا می کند. به اين ترتيب به وسيله ای ايده آل برای سرد و پايدار ساختن يک سيستم بزرگ ابررسانا مانند آنچه در ال اچ سی هست بدل می شود.

در سال 2007، مايک لامونت يکی از مسئولان هماهنگی ال اچ سی است که آن را خواهد "راند".

او می گويد: "چالش عظيمی خواهد بود. علاوه بر آهن رباها بايد 27 کيلومتر دستگاه و ابزارآلات کنترل که همه چيز آن بايد بی نهايت دقيق و همزمان کار کند را اداره کنيم."

در چهار نقطه از حلقه ال اچ سی، دو اشعه از يکديگر می گذرند و باعث می شوند ذرات از روبرو با هم برخورد کنند. در نزديکی هر يک از نقاط تقاطع يک آشکارساز، دستگاهی به اندازه يک کاخ برای ضبط و اندازه گيری ذرات تازه توليد شده در جريان برخورد وجود خواهد داشت.

چهار آشکارساز ال اچ سی به ترتيب "ال اچ سی بی" (LHCb)، آليس، اطلس و "کامپکت موئون سولنوئيد" (سی ام اس) نامگذاری شده اند. هر يک از آنها تحت نظارت يک تيم ويژه از فيزيکدانهاست.

"ال اچ سی بی" و آليس برای کاوش پديده های خاص فيزيکی طراحی شده اند، اما اطلس و "سی ام اس" آشکارسازهايی برای اهداف عمومی هستند.

هدف هر دو نوع آنها شناسايی ذرات فراّر "بوزون های هيگز" (که به خاطر اهميت آن برای مدل استاندارد به "خدا ذره" معروف است) و همچنين جستجوی ذرات ابرمتقارن و تلاش برای يافتن ابعاد اضافی در فضا خواهد بود.

به اين ترتيب، دانشمندانی که روی آشکارساز اطلس کار می کنند تا حدودی با گروه مديريت "سی ام اس" رقابت خواهند داشت.

هر دو تيم قصد دارند نخستين کسانی باشند که هيگز را می يابند و وظيفه "تصديق" اين يافته را به ديگری محول کنند.

بخشنده جرم

بوزون های هيگز يا "هيگز بوزون" (Higgs Boson) توضيح می دهد چرا همه ذرات ديگر دارای جرم هستند. براساس نظريه مدل استاندارد، ذرات جرم خود را از طريق کنش و واکنش با "ميدان هيگز" که آکنده از ذرات بوزون است به دست می آورند.

در "پوينت وان" کلاه های حفاظتی به سر می کنيم، با کارگران ساختمانی وارد يک آسانسور می شويم و به دالان عظيمی که جايگاه اطلس خواهد بود نزول می کنيم.
واحدهای سازنده اين دستگاه عظيم به طور جداگانه در آزمايشگاه هايی در گوشه و کنار جهان ساخته شده و برای مونتاژ به سرن منتقل شده اند.

دکتر الن بار، فيزيکدان در "يونيوسيتی کالج" لندن و عضو تيم اطلس می گويد: "همين اتفاق در مورد هواپيماهای بزرگ مثل A380 می افتد. قطعات آنها جداگانه ساخته می شود و بعد آنها را روی هم سوار می کنند."

وقت پس دادن امتحان

در آنسوی مرز در شهر سسی فرانسه، تيم "سی ام اس" به زودی آزمايش ها به روی "برش"های دستگاه خود را آغاز می کند تا ببيند آيا تک تک آنها قادر به رديابی اشعه های کيهانی از فضا هستند يا نه.

بخش اعظم مونتاژ "سی ام اس" روی زمين انجام می شود. عناصر بزرگ سپس توسط جرثقيل به داخل دالان های بزرگ زيرزمينی که برای جاسازی آنها ساخته شده پايين داده می شوند. اين فرآيند تقريبا شش ماه زمان می برد.

پروفسور جان اليس، نظريه پرداز ارشد سرن، بر اين تصور است که يافتن ذرات هيگز ممکن است بتواند به درک يکی از اسرار بزرگ ديگر فيزيک نيز کمک کند: انرژی تاريک.

کشف تاريک

در سال 1998، دو تيم مطالعه کننده ابرنواخترها (سوپرنووا) نشان دادند که انرژی تاريک باعث تسريع انبساط جهان می شود. مطالعات بعدی آشکار ساخت که انرژی تاريک ممکن است 70 درصد جهان را تشکيل دهد اما بهترين نظريه ها قادر به توضيح آن نبودند.

اما به گفته جان اليس، ميدان هيگز بهترين نامزد به عنوان منبع انرژی تاريک است.

او توضيح می دهد: "ساز و کار هيگز تمام فضا را با يک ميدان پر می کند. برخلاف ميدان جاذبه، که پيرامون خورشيد و مرکز کهکشان قوی است، ضريب قوت ميدان هيگز اساسا در همه جا يکسان است."

"اين ميدان، انرژی تاريک را توضيح می دهد، به اين معنی که انرژی تاريک، چگالی انرژی در فضای خالی به فاصله خيلی خيلی زياد از هر نوع ماده است."

جان اليس می گويد اين نظريه تنها يک ايراد کوچک دارد: رقمی که از ميزان انرژی تاريک به دست می دهد ده به توان 120 بار بيش از ميزان محاسبه شده است.

او افزود: "اگر هيگز را پيدا کنيم، کل اين نظريه را داير بر اينکه يک ميدان هيگز در سراسر کيهان وجود دارد که باعث پيدايش انرژی تاريک می شود تاييد خواهد کرد. سپس می توانيم به سوال بعدی بپردازيم که چرا رقم متفاوتی ارائه می کند."

چنين پيشرفتی به بحث پيرامون يک "نظريه متحد" برای توضيح تمامی پديده های طبيعی جان خواهد داد.

اکتشافاتی مانند ابرتقارن همچنين ممکن است شکاف ميان شواهد تجربی و نظريه ابرريسمان ها (string theory) را پر کند. نظريه ابرريسمان ها تلاشی برای ايجاد يک نظريه کلان در توضيح جهان است که نسبيت عام و مکانيک کوانتوم را کاملا آشتی می دهد.

"ال اچ سی" ممکن است حتی چيزی کاملا غيرمنتظره را درباره طرز کار جهان ما آشکار کند. به گفته فيزيکدان ها چنين وضعی بيش از هر چيز نتايج زحمات آنها را لذت بخش خواهد کرد.
[img]http/newsimg.bbc.co.uk/media/images/41136000/gif/_41136526_standard_model2_416.gif[/img]
مدل استاندارد نظريه ای با هدف توضيح چگونگی کنش و واکنش ذرات تشکيل دهنده اتم است
اين مدل از شانزده عنصر تشکيل شده است (12 ذره مادی و چهار ذره حامل نيرو). اما اگر آنها را جداگانه در نظر آوريم جرمی ندارند
بوزون های هيگز توضيح می دهد چرا ذرات دارای جرم هستند
ذرات جرم خود را از طريق کنش و واکنش با يک ميدان پر، موسوم به ميدان هيگز، که توسط بوزون های هيگز حمل می شود به دست می آورند