[مراکز تحقیقاتی علمی] [فیزیک ذرات بنیادی]
سازمان اروپایی پژوهشهای هستهای (به فرانسوی: Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) یا سرن (CERN)، بزرگترین آزمایشگاه فیزیک ذرهای جهان است که در سال ۱۹۵۴ در بخش شمالشرقی شهر ژنو در کشور سوییس در مجاورت مرز فرانسه[۱]، توسط یازده کشور اروپایی برای تحقیقات پیرامون هسته اتم ایجاد شد. اما بهزودی به پژوهش در جنبههای دیگر فیزیک هستهای و ذرات بنیادی نیز گرایش یافت[٢].
در سالهای بعد، شمار دیگری از کشورهای جهان بهعنوان عضو اصلی یا ناظر در این سازمان پذیرفته شدند در حالیکه کشورهای دیگری، در تحقیقات مختلف این سازمان مشارکت داشته و از نتایج تحقیقات آن برخوردار میشدند[٣].
در حال حاضر بیست کشور اروپایی عضو این سازمان بوده و بیش از ۲٬۶۰۰ کارمند بهطور تمام وقت و همچنین در حدود ۷٬۹۳۱ دانشمند و مهندس (به نمایندگی ۵۸۰ دانشگاه و مؤسسهٔ تحقیقاتی از ۸۰ کشور جهان) در آن مشغول به کارند[۴].
کمک اعانهٔ کشورهای عضو، به این سازمان، در سال ۲۰۰۸ میلادی، جمعاً معادل ۶۶۴ میلیون یورو و یا ۱ میلیارد دلار آمریکا بوده است[۵].
فعالیت اصلی سرن ساخت تجهیزات شتابدهندهٔ ذرات و دیگر زیربناها و تجهیزاتی است که برای تحقیقات فیزیکی در انرژیهای بالا استفاده میشوند. چهار آشکارساز بزرگ سرن، حاصل همکاریهای بینالمللی میباشند. مقر اصلی این سازمان واقع در میرن - یکی از شهرهای تابع ژنو - شامل یک مرکز رایانهای نیز میباشد. این مرکز دارای امکانات پردازشی قدرتمندی میباشد و اختصاصاً برای بررسی دادههای حاصل از آزمایشها تعبیه شده است[٦].
سرن دارای شش شتابدهنده حلقوی و دو شتابدهندهی خطی برای یونها و دو شتابدهنده برای الکترونها است. بخشی از محدوده آزمایشگاهی این مرکز تحقیقاتی و قسمتی از شتابدهندهها بهعلت اندازه بزرگشان در خاک فرانسه قرار دارند.[٧]
چهار آشکارساز اين مرکز «ال اچ سی بی» (LHCb)، آليس، اطلس و «کامپکت موئون سولنوئيد» (سی ام اس) نامگذاری شدهاند. هر يک از آنها تحت نظارت يک تيم ويژه از فيزيکدانهاست.
«ال اچ سی بی» و آليس برای کاوش پديدههای خاص فيزيکی طراحی شدهاند، اما اطلس و «سی ام اس» آشکارسازهايی برای اهداف عمومی هستند.
هدف هر دو نوع آنها شناسايی ذرات فراّر «بوزونهای هيگز» (که بهخاطر اهميت آن برای مدل استاندارد به «ذره الهی» معروف است) و همچنين جستجوی ذرات ابرمتقارن و تلاش برای يافتن ابعاد اضافی در فضا خواهد بود.
[↑] تاریخچه
کنوانسیون بنیانگذاری سرن در تاریخ ۲۹ سپتامبر ۱۹۵۴ توسط ۱۱ کشور اروپای غربی امضا گشت. سرواژهٔ «CERN» در اصل بر گرفته از عبارت فرانسوی «Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire» بهمعنای «انجمن پژوهشهای هستهای اروپا» است که در ابتدا انجمنی مؤقتی برای برپا ساختن آزمایشگاهها بود که در سال ۱۹۵۲ توسط ۱۱ کشور اروپایی شکل گرفت. سرواژهٔ یادشده، پس از منحلشدن انجمن موقتی بهعنوان نام آزمایشگاه ابقا گشت، با وجودی که نام اصلی در سال ۱۹۵۴ بهنام کنونی آن «Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire» بهمعنای «سازمان پژوهشهای هستهای اروپا» تغییر یافت. بهعقیدهٔ لئو کوارسکی، یکی از مدیران ارشد سابق سرن، وقتی که نام سازمان تغییر یافت، سرواژهٔ بیلطافت «OERN» ایجاد میشد، و هایزنبرگ گفت: «با وجودی که نام اصلی تغییر پیدا کرده است، نیازی به تغییر در سرواژه نیست».
چندی پس از تأسیس مرکز، کارهای انجام گرفته درون آزمایشگاه فراتر از پژوهش بر روی هستهٔ اتمها پیش رفت و و وارد وادی فیزیک انرژیهای بالا شد. فعالیتی که اساساً تمرکز آن بر روی پژوهش در مورد کنشها و تأثیرات میان ذرات بود. با این تفاسیر آزمایشگاهی که توسط سرن مدیریت میشد عمدتاً اشاره به آزمایشگاه اروپایی فیزیک ذرات (Laboratoire européen pour la physique des particules) دارد که این عبارت بیانگر واضحتر پژوهشهای کنونی سرن میباشد[٨].
سازمان اروپایی پژوهشهای هستهای (سرن)، در اوایل دهه ۱۹۸۰، طرح ساخت برخورددهنده هادرون را مطرح کرد تا برای این سئوال که چگونه ذرات بدون جرم میتوانند دارای جرم شوند پاسخی بیابد.
این طرح سرانجام در سال ۱۹۹۶ با بودجهای بهمبلغ بیش از دو و نیم میلیارد فرانک سوئیس بهتصویب رسید و برخورددهنده بزرگ هادرون سرانجام در اوایل سال ۲۰۰۸ تکمیل شد.
در پائیز همان سال، پژوهشگران از آغاز آزمایش مربوط به شناخت نحوه تبدیل ذرات خبر دادند اما این آزمایش در آن زمان بهنتیجه نرسید[۹].
[↑] دستاوردهای علمی
سازمان اروپایی پژوهش هستهای (سرن)، بامداد روز چهارشنبه ۱٠ سپتامبر ٢٠٠٨ میلادی، آزمایشی را به امید کشف بخشی از راز پیدایش کیهان آغاز کرد.
متخصصان آزمایشگاه سرن، پرتوهای پر انرژی پروتونی را با سرعتی نزدیک به سرعت حرکت نور به دستگاه برخورددهنده بزرگ هادرون (ال اچ سی = LHC)، بزرگترین دستگاه شتابدهنده ذرهای، وارد کردند.
دستگاه ال اچ سی شامل تونلی مدور بهطول بیست و هفت کیلومتر در عمق متوسط یکصد متری زیرزمین در مرز سوئیس و فرانسه است که بیش از هزار دستگاه مغناطیسی خمکننده در آن تعبیه شده است.
این خمکنندهها باعث تنظیم جهت حرکت پرتوهای پروتونی میشوند بهنحوی که این پرتوها مسیر دایره شکل تونل را طی کنند.
پس از مرحله اول تابش پرتوها، پرتوهای دیگری نیز به داخل تونل تابیده میشوند و این دو پرتو در مکانهای خاصی در طول تونل با یکدیگر تلاقی میکنند.
این آزمایش با هدف به آزمون گذاشتن فرضیه مربوط به تبدیل ذرات بدون جرم به ماده دارای جرم در «الگوی استاندارد» در فیزیک ذرات به اجرا گذاشته شد در حالیکه این الگو در فرضیه مهبانگ (بیگ بنگ) در باره پدید آمدن کیهان مورد استفاده قرار میگیرد.
براساس فرضیه تشکیل ماده، فوتونها، که بستههای انرژی بدون جرم هستند، از طریق «مکانیسم هیگز» به ذرات بنیادی - موسوم به ذره الهی - تبدیل میشوند که عامل پدید آمدن ذات دارای جرم است.
این فرضیه، در دهه ۱۹٦٠ توسط پیتر هیگز، استاد دانشگاه ادینبورگ در اسکاتلند، و توماس کیبل، استاد امپریال کالج دانشگاه لندن مطرح شد[۱٠].
براساس این فرضیه، ذره الهی، که از آن بهعنوان حلقه مفقوده بین ذرات بدون جرم و ذرات دارای جرم یاد میشود، مانند ذرات بدون جرم، ذرهای بسیط است و از اجزای دیگری تشکیل نیافته و در عین حال، مانند ذرات مرکب، مانند اتمها، دارای جرم است. ذره الهی تا کنون از طریق آزمایش مشاهده و وجود آن اثبات نشده است.
تایید فرضیه تبدیل ذرات بدون جرم به ذرات دارای جرم، بهمنزله گامی مهم در پذیرش فرضیه انفجار بزرگ (مهبانگ یا بیگ بنگ) بهعنوان مبدأ پیدایش کائنات و تشکیل کهکشانها و در نهایت، منظومه شمسی و کره زمین خواهد بود.
با این حال، طرح آغاز آزمایش تصادم ذرات در «برخورددهنده بزرگ هادرون» (ال اچ سی) بهواسطه نقص فنی در یکی از ادوات تولید کننده میدان مغناطیسی، متوقف شد.
این نقص باعث شد حرارت حدود ۱٠٠ عدد از ادوات تولیدکننده میدان مغناطیسی که در این دستگاه باید در درجه حرارت بسیار پایین فعالیت کنند، به ۱٠٠ درجه سانتی گراد افزایش پیدا کند و مهندسان برای کاهش دما مجبور به استفاده از روشی بهنام فرونشانی (Quench) شوند.
قرار بود در امتداد مسیر ٢٧ کیلومتری دستگاه شرایط خلأ برقرار باشد، اما در ساعت ۱۱:٢٧ دقیقه روز جمعه ۱۹ سپتامبر ٢٠٠٨ (به وقت گرینویچ) ادوات کنترل این شتاب دهنده نشت هلیوم را ثبت کردند.
این حادثه باعث شد یک تن هلیوم مایع در محل تونلی که برخورددهنده بزرگ هادرون در سازمان اروپایی پژوهش هستهای (سرن)، در ژنو در آن قرار دارد، نشت کند که در نتیجه نیروی آتش نشانی به محل حادثه فراخوانده شد[۱۱].
در نهایت، محققان مرکز سرن مجبور شدند پنجاه و سه آهن ربای ابررسانا را جایگزین کنند. وظیفه این قطعات شتاب دادن به ذرات در حد سرعت نور است. حلقه اصلی «برخورددهنده بزرگ هادرون» از ۱۲۰۰ آهن ربای ابررسانا تشکیل شده است.
با این حال، فعالیت طرح «برخورددهنده بزرگ هادرون» پس از یک وقفه ۱۴ ماهه، در تاریخ ۲۱ نوامبر ۲۰۰۹ میلادی، دوباره از سرگرفته شد.
اینبار، مهندسان سازمان اروپایی پژوهشهای هستهای، سرن، موفق شدند دو پرتو پروتون را در جهت عکس یکدیگر در دستگاه برخورددهنده به حرکت درآورند.
پیشبینی میشد، در صورتی که از سرگیری فعالیت این طرح موفقیتآمیز باشد، محققان سرن برای افزایش انرژی تولیدشده بهوسیله این دستگاه، بهمیزان یک و دو دهم تریلیون الکترون ولت تلاش کردند.
تا آن زمان، بیشترین انرژی که بهوسیله یک دستگاه شتابدهنده ایجاد شده، در شیکاگو و بهمیزان یک تریلیون الکترون ولت بود[۱٢].
دانشمندان از روز ۱۹ مارس ۲۰۱۰، بار دیگر دو پرتو ذرات پروتون را در جهات مخالف در تونلهای این آزمایشگاه بهحرکت در آوردند و برخورددادن پرتوها از سه شنبه شروع شد. این دانشمندان که روی این دستگاه اروپایی کار میکنند پرتوهایی از ذرات پروتون را با نیرویی بیسابقه بههم کوبیدند. در پی تایید وقوع این برخوردهای هفت تریلیون الکترون ولتی که آغازگر تحقیقات فشردهای طی ۱۸ تا ۲۴ ماه آینده در این برخورددهنده عظیم ذرات بود، صدای شادی و کف زدن در اتاق کنترل «ال اچ سی» بلند شد[۱٣].
دمای حاصل از برخورد ذرات، در حدود ده تریلیون درجه سانتیگراد، یعنی یک میلیونبار داغتر از هسته خورشید بود: گرمایی که در آن، حتی پروتونها و نوترونها، یعنی ذرات تشکیلدهنده هسته اتم هم ذوب شده و ترکیبی ژله مانند از کوارکها و گلوانها، یعنی بنیادیترین ذرات سازنده ماده را بهوجود میآورند؛ چیزی که پلاسمای کوارک - گلوان نامیده میشود[۱۴].
دانشمندان امیدوار بودند که این مطالعه باعث درک تازهای از ماهیت کیهان و چگونگی پیدایش آن شود. اما آنها گفتند که ارزیابی و تحلیل دادههای جمعآوریشده از این آزمایش زمان خواهد برد و افکار عمومی نباید انتظار نتایج زودهنگام را داشته باشند.
با این حال، چهار دستگاه عظیم ردیابی طی ماههای آتی این برخوردها را مطالعه کردند. «برخورددهنده بزرگ هادرون» پس از تکمیل این آزمایش برای انجام تعمیراتی به مدت بیش از یک سال بسته شد و پس از بازگشایی برخوردی دو بار شدیدتر را آزمایش کرد[۱۵].
پروفسور پیتر هیگز در تونل شتابدهنده سرن. ذره بوزون بهنام این پروفسور بریتانیایی نامگذاری شده که تئوری منشا جرم را ارائه کرد
روز سهشنبه، ۱۳ دسامبر ٢٠۱۱، پژوهشگران در سرن برای یافتن هیگز، دو آزمایش عظیم را بهطور جداگانه انجام دادند. این دو آزمایش، اطلس و سی ام اس نامیده شدند.
از آنجا که در مدل استانداردی که برای پدیدارشدن جهان تعریف شده است، جرم دقیق هیگز برآورد نشده است، فیزیکدانان برای آزمایشهای خود باید از شتابدهندههای ذرات، مثل طرح هادرون استفاده میکردند تا بتوانند بهصورتی سازمانیافته، بهدنبال یافتن این ذره باشند.
مسئولان پروژههای اطلس و سی ام اس در کنفرانسی خبری در سرن گفتند که در این آزمایشها ذراتی دیدهاند که معادل ۱۲۴ تا ۱۲۵ گیگاالکترون ولت، جرم داشتهاند.
با این حال، گفته شد که از نظر آماری، اطمینان کمی نسبت به این یافته و جرمی که سنجیده شده است وجود دارد و پژوهشگران برای آن که رسماً مدعی این اکتشاف شوند، باید به آزمایش و تحلیلهای بیشتری دست بزنند.
در عین حال، نتایج این آزمایشها، هیجان و تبوتاب عظیمی را در بین پژوهشگران و دانشمندان فیزیک ذرات بهوجود آورد. پروفسور اشتفان سالدنر رمبولد، استاد دانشگاه منچستر، نتایج آزمایشهای انجامشده را «استثنایی» خواند و گفت: «احتمالا در مدت یک سال خواهیم فهمید که آیا ذره هیگز وجود دارد یا نه.»[۱٦]
تصویری از برخورد پروتون با پروتون در شتابدهنده سرن. خطوط سبز الکترونهای حاصل از برخوردند
در ۴ ژوئیه ۲۰۱۲ سرن در سمیناری اعلام کرد، که یک بوزون معادل ۱۲۵ گیگا الکترون ولت در دو اسپکترومتر جداگانه کشف و مشاهده شده است.[۱٧]
- دانشمندان مرکز تحقیقات سرن در سوئیس اعلام کردند که در آزمایشهای خود ذره «بوزون هیگز» را که «ذره خدا» نیز نامیده میشود، مشاهده کردهاند.[۱٨]
جو اینکادلا مدیر پروژه CMS (یکی از دو آشکارساز سرن)، پنجشنبه ۱۴ مارس ۲۰۱۳ (۲۴ اسفند ۱۳۹۱)، در کنفرانس «موریون» که در لاتوییل ایتالیا برگزار شد گفت: «نتایج اولیهای که از بررسی کل دادههای آزمایش سال ۲۰۱۲ بهدست آمده بسیار جالب هستند و برای من کاملاً روشن است که ما با بوزون هیگز سروکار داریم، اگرچه هنوز برای دانستن اینکه این چه نوعی از هیگز بوزون است راه درازی در پیش داریم.»[۱۹]
دیو چارلتون، سخنگوی پروژهی اطلس، دیگر آشکارساز سرن، امروز گفت: «نتیجهی تازه و زیبایی که بهدست آمده محصول تلاش عظیم و از خودگذشتگی افراد زیادی بوده است. نتیجه حاصله ذرهی جدیدی را نشان میدهد که قرینگی-چرخش هیگز بوزون را دارد، همانطوری که در مدل استاندارد پیشبینی شده است.»[٢٠]
تونی ویدبرگ، استاد فیزیک دانشگاه اکسفورد که با پروژه اطلس همکاری داشته میگوید: «این شروع فصل تازهای در فیزیک نظری است. فیزیک از چهارم ژوئیه (۱۴ تیر) تغییر کرده است. قبلاً ما یک سئوال مبهم داشتیم، آیا اصلاً ذرهای وجود دارد؟ اما حالا سئوال ما دقیقتر شده: آیا این ذرهی که پیدا کردهایم بوزون هیگز است و آیا این بوزون هیگز با پیشبینی مدل استاندارد تطبیق میکند؟»[٢۱]
نمایی گرافیکی از آزمایش برخورد پروتون با پروتون در شتابدهنده سرن
در سال ۲۰۱۲
بر اساس مدل استاندارد بوزون هیگز چرخش ندارد اما قرینگی مثبت دارد. این دقیقاً همان نتیجهای است که در آزمایش بزرگ سرن بهدست آمده است.
اما دلیل اینکه فیزیکدانهای سرن با قاطعیت اعلام نکردهاند بوزون هیگر را یافتهاند این است که بر اساس نظریه موسوم به ابرتقارن ممکن است پنج نوع مختلف بوزون هیگز وجود داشته باشد.
برای پاسخ دادن به این پرسش، دانشمندان میخواهند دوباره در برخورددهنده هادرونی بزرگ آزمایش دیگری انجام دهند. اما این برخورددهنده درست یک ماه پیش برای تعمیرات و برای ارتقا سیستم بهمدت دو سال تعطیل شد؛ بنابراین برای اثبات قطعی ذرهی خدا باید تا سال ۲۰۱۵ صبر کرد.[٢٢]
[↑] يادداشتها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی برشتۀ تحرير درآمده است.
[↑] پيوستها
پيوست ۱:
پيوست ٢:
پيوست ۳:
پيوست ۴:
پيوست ۵:
پيوست ۶:
[↑] پینوشتها
[۱]- سرن، از ویکیپدیا، دانشنامهٔ آزاد
[٢]-
[٣]-
[۴]-
[۵]-
[٦]-
[٧]-
[٨]-
[۹]- فیزیکدانان به شواهدی از وجود 'ذره الهی' دست یافتند، دانش و فن، بخش فارسی بی بی سی: چهارشنبه ٠۴ ژوئيه ٢٠۱٢ - ۱۴ تیر ۱٣۹۱
[۱٠]- آزمایش فرضیه پیدایش جهان آغاز شد، دانش و فن، بخش فارسی بی بی سی: چهارشنبه ۱٠ سپتامبر ٢٠٠٨ - ٢٠ شهریور ۱٣٨٧
[۱۱]- برخورددهنده هادرون متوقف شد، دانش و فن، بخش فارسی بی بی سی: شنبه ٢٠ سپتامبر ٢٠٠٨ - ٣٠ شهریور ۱٣٨٧
[۱٢]- فعالیت «برخورددهنده بزرگ هادرون» از سر گرفته شد، دانش و فن، شنبه ٢۱ نوامبر ٢٠٠۹ - ٣٠ آبان ۱٣٨٨
[۱٣]- برخورد ذرات تشکیلدهنده اتم با انرژی فوقالعاده در سرن، دانش و فن، بخش فارسی بی بی سی: سه شنبه ٣٠ مارس ٢٠۱٠ - ۱٠ فروردین ۱٣٨۹
[۱۴]- کامبیز کراماتی، بازسازی انفجار بزرگ در مقیاس کوچک، دانش و فن، بخش فارسی بی بی سی: سه شنبه ٠۹ نوامبر ٢٠۱٠ - ۱٨ آبان ۱٣٨۹
[۱۵]- برخورد ذرات تشکیلدهنده اتم با انرژی فوقالعاده در سرن، پیشین
[۱٦]- 'ذره خدا' احتمالا در آزمایشهای فیزیکی پدیدار شده است، دانش و فن، بخش فارسی بی بی سی: سه شنبه ۱٣ دسامبر ٢٠۱۱ - ٢٢ آذر ۱٣۹٠
[۱٧]-
[۱٨]-
[۱۹]- ما تقریباً مطمئنیم ذره خدا را کشف کردهایم، وبسایت فارسی بی بی سی (دانش و فن): پنجشنبه ۱۴ مارس ۲۰۱۳ - ۲۴ اسفند ۱۳۹۱
[٢٠]- همانجا
[٢۱]- همانجا
[٢٢]- همانجا
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمهها
□
□
□
□
[↑] پيوند به بیرون
□ [1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20]