بوزون هیگز
تلاش‌ها برای اثبات يک نظريه کلان
فهرست مندرجات
- خلأ
- بخشنده جرم
- وقت پس دادن امتحان
- کشف تاريک
- مدل استاندارد
- يادداشت‌ها
- پی‌نوشت‌ها
- جُستارهای وابسته
- سرچشمه‌ها
[قبل] [بعد]
«ما در مقطعی هستيم که ديگر بايد آزمايش‌ها را راهنمای خود قرار دهيم، بدون آن‌ها پيشرفت ممکن نيست.»
جيم وِردی، فيزيکدان کالج امپريال در لندن می‌افزايد: «بايد منتظر باشيم تا داده‌ها اظهار نظر کنند.»
هنگام صرف قهوه در سرسرای ساختمان شماره ۴٠ در سرن، Cern، (مخفف «آزمايشگاه اروپايی فيزيک ذرات») که يک تاسيسات وسيع آزمايشی مستقر در مرز فرانسه و سوئيس است، پروفسور وردی می‌گويد علم فيزيک به يک تقاطع حياتی پا گذاشته است.
در دهه ۱۹٧٠، نظريه موسوم به «مدل استاندارد» که تمام دانش موجود آن زمان درباره واکنش‌های ذرات تشکيل‌دهنده اتم را در بر می‌گرفت، اوج موفقيت فيزيک نظری محسوب می‌شد. امروز اما آن نظريه ناقص و تنها منزلی در راه رسيدن به نظريه‌ای کامل‌تر تلقی می‌شود.
مدل استاندارد نمی‌تواند معروف‌ترين عضو چهار نيروی اساسی جهان يعنی قوه جاذبه را توضيح دهد؛ به‌علاوه اين نظريه تنها در صدد توضيح ماده معمولی، که تنها کسر کوچکی از جهان را تشکيل می‌دهد بر می‌آيد.
اکنون «کوبنده بزرگ ذرات هادرون» يا «ال اچی سی» (Large Hadron Collider) در مرکز پژوهشی سرن، که با هزينه ٣/٢ ميليارد دلاری ساخته شده است، بايد به بزرگ‌ترين آرمان امروز علم فيزيک جان تازه‌ای ببخشد: نظريه‌ای کلان برای توضيح تمامی پديده‌های فيزيکی در طبيعت.
در عمق صدمتری زير ما، در تونلی حلقوی به‌طول ٢٧ کيلومتر، دانشمندان در حال نصب قطعات سازنده دستگاه بی‌نهايت پيچيده و وسيع «ال اچ سی» هستند.
زمانی که اين دستگاه در سال ٢٠٠٧ برای يک فعاليت آزمايشی روشن شود، دو اشعه از ذرات را در سرعت‌های به‌نهايت 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 کوبنده‌های قبلی به‌سرعت‌های خيلی بالاتر دست پيدا کند.
[↑] خلأ
اشعه‌های ذرات که از پروتون‌ها يا يون‌های سرب تشکيل‌شده در زنجيره‌ای از شتاب‌دهنده‌های موجود سرن توليد شده و سپس به «کوبنده بزرگ ذرات هادرون» تزريق خواهد شد. در اينجا آن‌ها يک‌بار ديگر تقويت می‌شوند تا به حداکثر ميزان انرژی ممکن برسند.
در حدود ۱٢٣٢ «آهن ربای دوقطبی» اين اشعه‌های پرانرژی را از داخل خود حمل و آن‌ها را در اطراف «ال اچ سی» خم می‌کنند.
هريک از اين آهن رباها پيش از نصب در تونل، تحت آزمايش‌های گسترده کيفی قرار می‌گيرد. در محلی به اسم «پوينت ۱٨» در سرن، دکتر مايک لامونت از گروه عمليات اشعه سرن، تاسيساتی که آهن رباها در آن‌ها (در هر نوبت ۱٢ عدد) نصب می‌شوند را نشا‌ن‌مان می‌دهد.
آزمايش‌ها در دمای منهای ٢٧۱ درجه سانتيگراد (۹/۱ درجه کلوين)، که دمای نهايی فعاليت ال اچ سی است انجام می‌شود. اين تنها اندکی بالاتر از «صفر مطلق» است و از خلأ موجود در فضای بيرون جو نيز سردتر است. آهن رباها در هليوم مايع خوابانده می‌شوند تا دمای آن‌ها به منهای ٢٧۱ درجه سانتيگراد افت کند.
وقتی دمای هليوم به ۱٧/٢ کلوين می‌رسد خواص خارق‌العاده‌ای به نمايش می‌گذارد. در اين حالت «ابر مايع»، هليوم تقريباً بدون چسبندگی به جريان می‌افتد و خاصيت شديد رسانايی برای حرارت بالا پيدا می‌کند. به اين ترتيب، به‌وسيله‌ای ايده آل برای سرد و پايدار ساختن يک سيستم بزرگ ابررسانا مانند آنچه در ال اچ سی هست بدل می‌شود.
در سال ٢٠٠٧، مايک لامونت يکی از مسئولان هماهنگی ال اچ سی است که آن را خواهد «راند».
او می‌گويد: «چالش عظيمی خواهد بود. علاوه بر آهن رباها بايد ٢٧ کيلومتر دستگاه و ابزارآلات کنترل که همه‌چيز آن بايد بی‌نهايت دقيق و همزمان کار کند را اداره کنيم.»
در چهار نقطه از حلقه ال اچ سی، دو اشعه از يکديگر می‌گذرند و باعث می‌شوند ذرات از روبرو با هم برخورد کنند. در نزديکی هر يک از نقاط تقاطع يک آشکارساز، دستگاهی به اندازه يک کاخ برای ضبط و اندازه‌گيری 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 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 «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 می‌کنند تا حدودی با گروه مديريت «سی ام اس» رقابت خواهند داشت. هر دو تيم قصد دارند نخستين کسانی باشند که هيگز را می‌يابند و وظيفه «تصديق» اين يافته را به ديگری محول کنند.
[↑] بخشنده جرم
بوزون‌های هيگز يا «هيگز بوزون» (Higgs Boson) توضيح می‌دهد 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 به‌دست می‌آورند.
در «پوينت وان» کلاه‌های حفاظتی به‌سر می‌کنيم، با کارگران ساختمانی وارد يک آسانسور می‌شويم و به دالان عظيمی که جايگاه اطلس خواهد بود نزول می‌کنيم.
واحدهای سازنده اين دستگاه عظيم به‌طور جداگانه در آزمايشگاه‌هايی در گوشه و کنار جهان ساخته شده و برای مونتاژ به سرن منتقل شده‌اند.
دکتر الن بار، فيزيکدان در «يونيورسيتی کالج» لندن و عضو تيم اطلس می‌گويد: «همين اتفاق در مورد هواپيماهای بزرگ مثل A380 می‌افتد. قطعات آن‌ها جداگانه ساخته می‌شود و بعد آن‌ها را روی هم سوار می‌کنند.»
[↑] وقت پس دادن امتحان
در آن‌سوی مرز در شهر سسی فرانسه، تيم «سی ام اس» به‌زودی آزمايش‌ها به‌روی «برش»های دستگاه خود را آغاز می‌کند تا ببيند آيا تک تک آن‌ها قادر به رديابی اشعه‌های کيهانی از فضا هستند يا نه.
بخش اعظم مونتاژ «سی ام اس» روی زمين انجام می‌شود. عناصر بزرگ سپس توسط جرثقيل به‌داخل دالان‌های بزرگ زيرزمينی که برای جاسازی آن‌ها ساخته‌شده پايين داده می‌شوند. اين فرآيند تقريباً شش ماه زمان می‌برد.
پروفسور جان اليس، نظريه‌پرداز 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 ۱۹۹٨، دو تيم مطالعه‌کننده ابرنواخترها (سوپرنووا) نشان دادند که انرژی تاريک باعث تسريع انبساط جهان می‌شود. مطالعات بعدی آشکار ساخت که انرژی تاريک ممکن است ٧٠ درصد جهان را تشکيل دهد اما بهترين نظريه‌ها قادر به‌توضيح آن نبودند.
اما به گفته جان اليس، ميدان هيگز بهترين نامزد به‌عنوان منبع انرژی تاريک است.
او توضيح می‌دهد: «ساز و کار هيگز تمام فضا را با يک ميدان پر می‌کند. بر خلاف 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 می‌دهد، به اين معنی که انرژی تاريک، چگالی انرژی در فضای خالی به‌فاصله 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 به‌دست می‌دهد ده به‌توان ۱٢٠ 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 می‌شود تاييد خواهد کرد. سپس می‌توانيم به‌سوال بعدی بپردازيم که چرا رقم متفاوتی ارائه می‌کند.»
چنين پيشرفتی به بحث پيرامون يک «نظريه متحد» برای توضيح تمامی پديده‌های طبيعی جان خواهد داد.
اکتشافاتی مانند ابرتقارن همچنين ممکن است شکاف ميان شواهد تجربی و نظريه ابرريسمان‌ها (string theory) را پر کند. نظريه ابرريسمان‌ها تلاشی برای ايجاد يک نظريه کلان در توضيح جهان است که نسبيت عام و مکانيک کوانتوم را کاملا آشتی می‌دهد.
«ال اچ سی» ممکن است حتی چيزی کاملاً غيرمنتظره را درباره طرز کار جهان ما آشکار کند. به گفته فيزيکدان‌ها چنين وضعی بيش از هر چيز نتايج زحمات آن‌ها را لذت بخش خواهد کرد[۱].
[↑] مدل استاندارد
مدل استاندارد نظريه‌ای با هدف توضيح چگونگی کنش و واکنش ذرات تشکيل‌دهنده اتم است اين مدل از شانزده عنصر تشکيل شده است (۱٢ ذره مادی و چهار ذره حامل نيرو). اما اگر آن‌ها را جداگانه در نظر آوريم جرمی ندارند بوزون‌های هيگز توضيح می‌دهد چرا ذرات دارای جرم هستند ذرات جرم خود را از طريق کنش و واکنش با يک ميدان پر، موسوم به ميدان هيگز، که توسط بوزون‌های هيگز حمل می‌شود به‌دست می‌آورند.
[↑] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی ارسال شده است.
[↑] پی‌نوشت‌ها
[۱]- پل رينکون، تلاش‌ها برای اثبات يک نظريه کلان، دانش و فن، بخش فارسی بی بی سی: سه شنبه ۱٠ ژانويه ٢٠٠٦ - ٢٠ دی ۱٣٨۴
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمه‌ها
□ دانش و فن، بخش فارسی بی بی سی
