شبیه‌سازی پیدایش جهان در مرکز تحقیقات "سرن" اروپا

چرا هستی وجود دارد؟ آیا جهان می‌توانست به شکل دیگری پدید آید؟ گیتی اولیه بلافاصله پس از مِهبانگ (بیگ بنگ) چگونه بوده است؟ کوچکترین جزء تشکیل‌دهنده عالم چیست؟ اینها تنها بخشی از پرسش‌هایی است که فیزیک‌دانان سال‌هاست در پی پاسخ به آنها می‌گردند.

دویچه وله فارسی را در اینستاگرام دنبال کنید

برخورددهنده هادرونی بزرگ یا LHC، بزرگترین شتاب‌دهنده ذرات جهان، اینک پس از یک وقفه نسبتا طولانی سه ساله از خواب بیدار شده تا به این پرسش‌ها پاسخ دهد. هر چند که هدف فیزیک‌دانان از راه‌اندازی دوباره برخورددهنده بزرگ هادرونی، آزمودن زیر و بم مدل استاندارد فیزیک ذرات است، اما این شتاب‌دهنده قرار است در واقع شرایط فیزیکی را شبیه‌سازی کند که در مراحل آغازین پیدایش عالم در حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش وجود داشته است.

تونل برخورددهنده هادرونی بزرگ یا LHC (عکس از آرشیو)

دانشمندان انتظار دارند که ال‌اچ‌سی به تدریج تا آخر ماه ژوئن به مرحله آمادگی برسد و بخش‌های مختلف آن برای آزمایش‌های با برخورد پرانرژی و با شدت بالا آماده شوند. سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا (CERN) قرار است تا پایان سال ۲۰۲۵، سالانه یک کادریلیون (عدد یک با ۱۵ صفر جلوی آن) برخورد را ممکن کند. تعداد بالاتر این برخوردها، بخت دانشمندان را برای یافتن آنچه در پی یافتن آنند بیشتر می‌کند.

اگرچه لحظه برخورد بین ذرات در این تونل ۲۷ کیلومتری، بسیار بسیار کوتاه است و ممکن است فقط بین چند نانوثانیه یا چند میلی ثانیه طول بکشد، اما بررسی داده‌های ذخیره‌شده این برخوردها، معمولا سال‌ها زمان می‌برد. همانطور که در سال ۲۰۱۲ در جریان یکی از همین برخوردها، وجود بوزون هیگز، ذره‌ای که به ماده جرم می‌دهد آشکار شد، این بار نیز انتظار می‌رود، رازهایی از جمله ماهیت ماده تاریک و بنیادی‌ترین ذرات سازنده ماده برای دانشمندان آشکار شود.

میلیاردها دلار هزینه برای کشف کوچکترین ذرات تشکیل‌دهنده عالم

شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی تا کنون دو بار فاز تعمیر و نگهداری و ارتقا را که اصطلاحا Long Shutdown نامیده می‌شود پشت سر گذاشته است. با این تفاوت که برنامه زمانی برای راه‌اندازی مجدد آن این بار، در فاز خاموشی دوم، به دلیل همزمانی با شیوع همه‌گیری کرونا، به هم ریخت و با تاخیری طولانی مواجه شد.

نمای بیرونی مرکز اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای (سرن) در نزدیکی ژنو

شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی بارها و بارها با بحران‌ها و مشکلات پیش‌بینی‌نشده روبرو شده است. این شتاب‌دهنده که برای نخستین بار در دهم سپتامبر ۲۰۰۸ به کار افتاد، تنها ۹ روز پس از آن یعنی در ۱۹ سپتامبر در ساعت ۱۱:۱۸:۳۶ به یک مشکل فنی جدی در مگنت‌های سکتور ۳ و ۴ برخورد که این خرابی در آن زمان چیزی حدود ۲۷ میلیون یورو خرج در برداشت و تعمیر آن نیز ۱۴ ماه طول کشید.‌

بخش بزرگی از دشواری این تعمیرات به این دلیل بود که دانشمندان سرن (سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای) مجبور بودند یک بخش ۳.۳ کیلومتری از مگنت‌های ۱۵ متری را ابتدا به دمای محیط برسانند و سپس آنها را تعمیر کنند. دلیل اینکه دانشمندان مجبور شدند دمای سیستم را به دمای عادی برگردانند این بود که این مگنت‌ها در عمق بیش از صد متری زمین در دمای بسیار پایین ۱.۹ کلوین (یعنی ۲۷۱.۳- سانتیگراد) کار می‌کنند.

به کانال دویچه وله فارسی در تلگرام بپیوندید

کشف بوزون هیگز از این رو بنا به تخمین فوربس، در مجموع چیزی حدود ۱۳.۲۵ میلیارد دلار هزینه داشته است. بد نیست بدانیم که شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی، بزرگترین سیستم سرمایشی جهان است و با ۱۴۰ تن هلیوم مایع کار می‌کند. در تمام مجموعه ال‌اچ‌سی از حدود ده هزار مگنت استفاده شده و اگر این سیستم خنک‌کننده عظیم هلیوم مایع نبود، به جای تونل کنونی ۲۷ کیلومتری لازم بود یک تونل ۱۲۰ کیلومتری ساخته شود.

کشفماهیت ماده تاریک

یکی از هشت آزمایش مهمی که اینک بسیاری در انتظار انجام  آنند، آزمایش FASER است که می‌تواند شواهدی از ماهیت ماده تاریک در اختیار دانشمندان بگذارد.

کشف ماهیت ماده تاریک، در صورت وجود، اگرچه کشفی بزرگ در زمینه فیزیک ذرات محسوب می‌شود، اما در عین حال موفقیتی بزرگ برای کیهان‌شناسان نیز خواهد بود. در این صورت، کیهان‌شناسان خواهند توانست، مسائلی از جمله سرعت چرخش کهکشان‌های مارپیچی و رفتار آنها را دقیق‌تر توضیح دهند.

ماده تاریک به گمان غالب کیهان‌شناسان، ۲۷ درصد از عالم را تشکیل می دهد و ۶۸ درصد گیتی نیز از انرِژی تاریک تشکیل شده و از این رو، ماده معمولی یعنی هر آنچه در عالم مشاهده می‌کنیم تنها حدود ۵ درصد از کیهان را تشکیل می‌دهد.

اگر شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی بتواند در این فاز فعالیت خود و به عبارتی طی سه تا چهار سال آینده، ذرات تشکیل ماده تاریک را کشف کند، این به وضوح پیشرفتی بزرگ در علم کیهان‌شناسی و گامی بزرگ در شناخت ماهیت عالم خواهد بود.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  پنج سال پیش، نخستین انفجار "سرن"

  روز ۳۰ مارس سال ۲۰۱۰ دانشمندان فیزیک اتمی در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی LHC سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای، یک انفجار انجام دادند. منتقدان پروژه انفجار بزرگ‌ تلاش کردند پیش از ادامه تحقیقات، از راه‌های قانونی جلوی این پژوهش‌ها را بگیرند. تلاشی بی‌نتیجه. پژوهش‌ها ادامه یافت.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  دروازه‌ای به دنیای یون‌های پرشتاب

  سال ۲۰۱۳ ذره‌ی هیگز کشف شد: در آشکارساز (رهیاب) "اطلس"، یکی از بزرگترین دوربین‌های دیجیتال و گیرنده و ثبت‌کننده‌ی اثرات برخورد ذره‌ها. دوربینی با توانایی عکاسی از کوچکترین ذره‌های جهان هستی؛ عکاسی از هسته‌ی اتم. این تصویر که بر دیوار مرکز تحقیقات نقش بسته‌است، تصوری از بزرگی "اطلس" به بیننده می‌دهد. "اطلس" اصلی ۹۰ متر پایین‌تر، زیر زمین است و البته بزرگتر از این نقاشی دیواری.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  اجبار استفاده از کلاه ایمنی برای عکاسان ذره

  چهار دوربین آشکارساز ذرات، در امتداد برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی (بزرگترین شتاب‌دهنده اتمی جهان) تعبیه شده‌اند که "آلیس"، "اطلس"، "سی‌ام‌اس" و "ال‌اچ‌سی‌بی" نام داردند. کسی که می‌خواهد این دوربین‌ها را از نزدیک ببیند، باید ده‌ها متر در دل کوه‌های آلپ (در فرانسه و سویس) پایین برود. جایی که گذاشتن کلاه ایمنی به دلیل وجود لوله‌ها و تاسیسات فراوان، اجباری است.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  نگارگری از انفجار بزرگ

  نمونه‌ای از تصاویری که آشکارسازها ثبت می‌کنند. با برخورد پروتون‌ها (برای نمونه در آشکارساز "سی‌ام‌اس") یا یون‌های سرب که با سرعت نور به یکدیگر برخورد می‌کنند، کوچک‌ترین ذرات بنیادی آزاد می‌شوند؛ برای نمونه ذره‌ی تازه کشف شده‌ی هیگز. این‌ها ذراتی هستند که جهان هستی ما در یک بیلیونیوم ثانیه‌ی ابتدايی انفجار بزرگ از آن‌ها تشکیل شده‌است.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  راهی برای حرکت با سرعت نور

  در این لوله یون‌های سرب و پروتون‌های هیدروژن شتاب داده می‌شوند و در مجرایی از خلا با سرعت یک قطار سریع به پرواز درمی‌آیند. آهن‌رباهای الکتریکی از انحراف مسیر آن‌ها جلوگیری می‌کنند. این تونل به درازای ۲۷ کیلومتر زیر سوییس و فرانسه قرار دارد. ورود به این سیستم از طریق چهار آشکارساز ممکن است. برخورد ذرات هم در همین جا صورت می‌گیرد.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  نه یک لوله، بلکه دو لوله

  این سیستم عظیم که در تونل دایره‌ای شکل به طول ۲۷ کیلومتر قرار دارد، میلیاردها پروتون را با کمک بیش از هزار آهن‌ربای ابررسانا، در دو مسیر موازی، در جهت وارون یکدیگر با سرعت بسیار نزدیک به سرعت نور شتاب می‌دهد.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  ابر یخچال سرن

  آهن‌‌رباهای الکتریکی که پرتوهای ذرات را ثابت نگه می‌دارند، از سیم‌پیچ‌های ابررسانا تشکیل شده‌اند. کابل‌ها تا منهای ۳ / ۲۷۱ درجه سانتی‌گراد سرد می‌شوند و به این ترتیب مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. شتاب‌دهنده‌ی ذرات به هلیوم مایع زیادی نیاز دارد که این جا درون این تونل به جریان می‌افتد. به این ترتیب می‌توان گفت که "سرن" بزرگترین یخچال جهان را به‌کار می‌اندازد.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  آهن‌رباهایی با دقت بسیار بالا

  برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی یک دایره دقیق نیست، بلکه از مسیرهای مستقیم تشکیل شده‌ که به وسیله‌ی انحناهایی تغییر می‌کنند. در محل انحناها آهن‌رباها تعبیه شده‌اند که مسئول تغیر دادن مسیر پرتوها هستند. آهن‌رباهای الکتریکی به شدت دقیق هستند. کمی پیش از لحظه‌ی برخورد، پرتو را چنان متمرکز می‌کنند که دو پروتون با احتمال بسیار بالا با یکدیگر روبرو شوند. برخورد نهایی درست در مرکز آشکارساز رخ می‌دهد.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  همه چیز باید از این سوراخ بگذرد

  آشکارسازها به بزرگی ساختمان‌های چند طبقه‌اند. آن‌ها باید به صورت قطعات بسیار زیاد مجزا به دل کوه انتقال یابند. مثلا از طریق این شکاف تنگ. زیر این حفره، فضایی غارمانند وجود دارد. "آلیس" در این نقطه کار گذاشته شده است. درست مثل یک کشتی در بطری شیشه‌ای.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  دوربین دیجیتال با ۸ هزار تصویر در ثانیه

  تصویر، آشکارساز آلیس را در حالی که باز شده‌است، نشان می‌دهد. در حال کار، در مرکز آلیس پرتوهای یونی به یکدیگر برخورد می‌کنند. ذراتی که در اثر این برخوردها به وجود می‌آیند در سوهای گوناگون به پرواز درمی‌آیند و از چندین لایه از برگه‌های سیلیسیومی می‌گذرند- برگه‌های سیلیسیومی مانند چشم‌های الکترونیک دوربین‌های دیجیتال عمل می‌کنند. این چیپس‌ها و آشکارسازها اثرات گذر ذره را ضبط می‌کنند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  آهن‌ربای الکتریکی ذره را قابل تشخیص می‌کند

  این بخش آبی‌رنگ یک آهن‌ربای عظیم الکتریکی است، بخشی مهم از آشکارساز "آلیس". محیطی که این آهن‌ربا به وجود می‌آورد، تشخیص ذراتی را که در نتیجه‌ی برخورد به وجود آمده‌اند، امکان‌پذیر می‌کند. بسته به راستایی که ذره‌ها به آن سو در پروازند، پژوهشگران می‌توانند بار مثبت، منفی یا خنثای ذره را مشخص کنند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  بال‌هایی برای شکار میون‌ها

  آشکارساز "اطلس" دستگاه‌های اندازه‌گیری ویژه‌ای دارد که طیف‌سنج میون نامیده‌می‌شوند. این طیف‌سنج‌ها مانند بال‌های بزرگ بیرون از هسته‌ی رهیاب قرار دارند. به این ترتیب امکان شکار میون، ذره بنیادی با جرم ۲۰۷ برابر جرم الکترون به دست می‌آید.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  زیرنظر گرفتن اعجاز علمی از فاصله‌ای امن

  همه‌ی آشکارسازها دارای اتاق کنترل این‌چنینی هستند. وقتی که شتاب‌دهنده‌ی ذرات مشغول کار است، هیچ‌کس اجازه‌ی حضور در تاسیسات زیر زمینی را ندارد. یک پرتو پروتونی از کنترل خارج شده قادر به ذوب کردن ۵۰۰ کیلو گرم مس است. خطر یخ‌زدگی و خفگی هم به ذلیل هلیوم‌هایی که از سیستم خارج می‌شوند، وجود دارد. همچنین پرتوهای ذره‌‌ای قادرند مواد رادیواکتیو تولید کنند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  این همه عکس به چه درد می‌خورد؟

  چهار آشکارساز ذرات در هر ثانیه ۴۰ میلیون بار داده می‌دهند. از آنجا که همه‌ی برخوردها برای دانشمندان مهم نیستند، این اطلاعات دست‌چین می‌شوند. در پایان تنها ۱۰۰ برخورد بر ثانیه که از نظر علمی جالب هستند، باقی می‌مانند با حجمی برابر ۷۰۰ مگابایت در ثانیه. همه‌ی داده‌ها ابتدا سر از مرکز پردازش سرن درمی‌آورند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  شبکه‌ی کامپیوتری جهانی

  داده‌هایی که سرن هر ساله جمع‌آوری می‌کند اگر بر روی سی‌دی ضبط شوند و سی‌دی‌ها بر روی هم انباشته شوند، ۲۰ کیلومتر طول خواهند داشت. به دلیل حجم بالای داده‌ها، این اطلاعات در سراسر جهان تقسیم می‌شوند. بیش از ۲۰۰ دانشگاه و مرکز تحقیقاتی به کامپویترهای مرکز سرن متصل شده‌اند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  داده‌هایی برای بشریت

  دانشمندان فیزیک ذرات از سراسر جهان به داده‌های مرکز سرن دسترسی دارند. سرن خود را یک مرکز خدماتی برای دانشگاه‌ها و بنیادهائی می‌داند که در بخش پژوهش‌های بنیادی مشغول کار و مطالعه هستند. چرا که سرن این پروژه را پروژه‌ای برای تمامی بشریت می‌داند.

  نویسنده: YK