رمزگشایی از اسرارآمیزترین ذرات بنیادی

تا به امروز مهندسان سرن مشغول تعمیر و تقویت ابزارها بودند تا برخورددهنده بتواند دوره‌ بعدی فعالیتش را با توان و انرژی بیشتری آغاز کند. آنان 18 آهن‌ربای فوق ‌هادی از مجموع 1232 آهن‌ربا را جایگزین کردند، سامانه‌ خلأ را که باریکه‌ ذرات را از هجوم مولکول‌های سرگردان محافظت می‌کرد ارتقا دادند و سامانه‌های سرمایشی آهن‌رباهای عظیم آن را بازسازی کردند.

اگر همه ‌چیز بدرستی پیش رود، در بهار سال آینده دستگاه برخورد‌دهنده روشن خواهد شد. این‌بار انرژی برخوردی ذرات به 13 تِراالکترون ولت خواهد رسید؛ 5 تِرا الکترون ولت بالاتر از بیشینه‌ انرژی برخوردها در دوره‌ پیشین فعالیت. فاصله‌ زمانی تولید بسته‌های پروتون‌های پر انرژی که قرار است در شتاب‌دهنده تا سرعت‌های نزدیک به سرعت نور برسند و به هم برخورد کنند از 50 نانوثانیه به 25 نانوثانیه کاهش خواهد یافت. به این ترتیب تعداد ذرات و فراوانی برخوردها افزایش می‌یابد و داده‌های بیشتری برای بررسی دانشمندان تولید می‌شود؛ اطلاعاتی چنان زیاد که محققان بیش از 60 هزار هسته‌ جدید برای جمع‌آوری و بیش از 100 پتابایت حافظه‌ جانبی برای ذخیره‌ آنها تهیه و نصب کرده‌اند.

همه‌ این تلاش‌ها با این هدف انجام می‌شود که دانشمندان بتوانند در عین حال که به دنبال ذرات جدیدی می‌گردند، یافته‌های قبلی خود را با دقت و اطمینان بیشتر به اثبات برسانند. یکی از مهم‌ترین کشف‌های محققان در دوره‌ قبلی فعالیت شتاب‌دهنده، با یکی از اسرار‌آمیزترین ذرات بنیادی و درواقع گریزان‌ترین آنها مرتبط بود؛ بوزون هیگز.

شواهدی از بوزون هیگز کشف می‌شود

ماجرا به چهاردهم تیر 1391 بازمی‌گردد. در آن روز سرانجام تلاش ۷۹۳۱ دانشمند و مهندس (به نمایندگی از ۵۸۰ دانشگاه و مؤسسه تحقیقاتی از ۸۰ کشور جهان) و 2600 کارمند تمام وقت در سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای (سرن) که سال‌ها به دنبال ذره‌ مرموز هیگز بودند به نتیجه رسید و آنان برای اولین بار با شواهدی از این ذره رو‌به‌رو شدند. آنها نوری ضعیف و جرقه مانند را در صفحه‌ نمایش‌ ابزارهای آشکارسازشان دیدند که معنای عمیقی برایشان داشت، اما این همه‌ ماجرای کشف و شناسایی ذره‌ هیگز نبود.

فیزیکدانان آماده می‌شدند تا در لذت و هیجان «دیدن» بوزون هیگز ـ همان ذره مرموزی که میدانی موسوم به میدان هیگز را تولید می‌کند و خاصیت جرم داشتن به ذرات بنیادی می‌دهد ـ غرق شوند، اما در عمل همه می‌دیدند که آنان فقط دسته‌ای از اعداد و نمودارها و داده‌ها را مشاهده کرده‌اند. پیام این اطلاعات غیرتصویری به دانشمندان یک حقیقت مهم بود که در جریان نشست خبری در سِرن (سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای) روی تلکس خبرگزاری‌های جهان قرار گرفت: «بوزون هیگز آشکارسازی شده است.»

آنچه براساس گزارش‌های فیزیکدانان از این آزمایش‌ها به ‌دست آمده بود، این بود که احتمال شناسایی قطعی بوزون هیگز به اندازه‌ یک در 3.5 میلیون است! یعنی در 3.5 میلیون آزمایشی که انجام می‌شود، فقط در یک آزمایش امکان مشاهده و آشکارسازی ذره‌ هیگز وجود دارد! همین احتمال بسیار اندک هم دانشمندان سرن را تشویق می‌کرد به کار خود ادامه دهند و با امیدواری کامل به تکرار آزمایش بپردازند.

با این حساب اگر دانشمندان در سرن انتظار دیدن چیزی شبیه ذره‌ هیگز را، آن هم به این آسانی نداشتند پس واقعا دنبال چه بودند؟! آنان مدت‌های طولانی سرگرم واکاوی این حقیقت بودند که چگونه ذراتی مانند الکترون‌ها و کوارک‌ها که عناصر سازنده اتم‌ها و مولکول‌ها هستند جرم دارند. از سوی دیگر تعبیر و نمایش ریاضی فیزیکدانان از جهان متقارن و فرمول‌بندی آنان، بجز در حالتی که ذرات بنیادی را بدون جرم در نظر می‌گرفتند به درستی کار نمی‌کرد.

«پیتر هیگز» (که این ذره به نام او نامگذاری شده) و برخی از همکارانش ایده‌ای جالب مطرح کرده بودند: به ‌جای این‌که تلاش کنیم نشان دهیم چگونه می‌توانیم معادلات حاکم بر رفتار ذرات بنیادی را به گونه‌ای بهینه‌سازی کنیم که با رفتار واقعی ذرات جرم‌دار سازگار باشند، بیاییم اساس کار را بر درستی روابط ریاضیاتی بگذاریم و این فرض را اضافه کنیم که ذرات بنیادی در میدانی کار می‌کنند که آن میدان حرکت و رفتار خاصی را به ذرات اعمال می‌کند. اگر این فرض به شرایط واقعی نزدیک باشد، ممکن است چیزی بیابیم که در این میدان با ایجاد مقاومت در برابر حرکت ذرات، به آنها خاصیتی مانند جرم اضافه می‌کند. مگسی را تصور کنید که وزوز کنان از مقابل‌تان می‌گذرد. مگس در حرکتش در هوای آرام نیروی مقاومت بسیار کمی احساس می‌کند، تا این‌که با باد مخالفی مواجه می‌شود. ناگهان مگس سریع و کوچک ما، سنگینی زیادی احساس می‌کند که ناشی از مقاومت هوای جریان باد مخالف است. ممکن است در مورد ذراتی که در میدان هیگز در حال حرکتند نیز وضعیت مشابهی برقرار باشد.

فیزیکدانان به دنبال ذراتی بودند که میدان ایجاد‌کننده‌ جرم، یا همان «میدان هیگز» را می‌ساختند. آنها تصور می‌کردند اگر می‌توانستند شرایطی را که بلافاصله بعد از مهبانگ ایجاد شده بود بازسازی کنند، تلاش و جستجوی آنان موفقیت‌آمیز می‌شد. در چنان شرایطی می‌توانستیم ببینیم چگونه چیزهایی مثل کوارک‌ها و لپتون‌ها تولید می‌شوند و سرگردان در فضا حرکت می‌کنند تا این‌که به ذراتی مرکب مانند پروتون‌ها تبدیل شوند. اگر در این میان چیزی مانند بوزون هیگز که جرم ذرات دیگر را فراهم می‌کرد نیز تولید می‌شد، آن هم می‌توانست قابل شناسایی باشد.

برخورددهنده‌ بزرگ هادرونی (LHC) چطور کار می‌کند؟

برخورددهنده‌ بزرگ هادرونی، برای پروتون‌های در حال حرکت (و همچنین برخی یون‌های سنگین) که سرعت‌های بالا دارند، به جاده‌ مسابقه اتومبیل‌رانی شباهت دارد. این پروتون‌ها با سرعت و انرژی خیلی زیاد (و در راستاهای مخالف)‌ حرکت می‌کنند، مسیری دایره‌ای به طول 27 کیلومتر را طی می‌کنند و میلیون‌ها بار در ثانیه از کنار یکدیگر می‌گذرند. وقتی تعدادی از این پروتون‌ها به ‌هم برخورد می‌کنند، ذرات مرکب به اجزای کوچک‌تر سازنده خود یعنی کوارک‌ها و لپتون‌ها فرو می‌پاشند. انرژی بسیار زیادی در برخوردها آزاد می‌شود که کمک می‌کند ذرات جدیدی را که ایجاد می‌شوند، ببینیم.

دانشمندان می‌توانند مسیر ذرات در حال حرکت را با اعمال میدان مغناطیسی بسیار قوی دستخوش تغییراتی کنند و به شکل منحنی درآورند. اگر این کار انجام گیرد می‌بینیم که ذرات مختلف واکنش‌های متفاوتی نسبت به میدان مغناطیسی نشان می‌دهند. بعضی از ذرات که «اندازه حرکت» (یا تکانه، که به‌طور ساده آن را به‌صورت جرم ذره × سرعت آن تعریف می‌کنند) زیادی دارند چندان منحرف نمی‌شوند و همچنان در مسیر مستقیم به راه خود ادامه می‌دهند. ذراتی با اندازه حرکت کمتر تأثیر بیشتری از میدان مغناطیسی می‌پذیرند. این ذرات از راستای اولیه‌ خود خارج می‌شوند و مسیری مارپیچی در پیش می‌گیرند. پس میزان انحراف و چگونگی حرکت ثانویه‌ ذرات در میدان مغناطیسی، به نوع ذره و اندازه‌ حرکت آن بستگی دارد. از این‌رو اندازه حرکت از ویژگی‌های مفیدی است که محققان و فیزیکدانان برای شناسایی هویت ذرات بررسی و مطالعه می‌کنند.

علاوه بر میدان مغناطیسی، راهکارهای دیگری برای شناسایی و تشخیص هویت ذرات در شتاب‌دهنده‌ها وجود دارد. برای مثال، «تجهیزات ردیابی» در دستگاه‌های آشکارساز بسیار سودمند هستند. ابزارهای ردیابی، نشانه‌ها و علائم الکترونیکی را که هنگام عبور سریع ذرات از میان آشکارسازها به جا می‌ماند ثبت می‌کنند. این کار ایجاد نمایی گرافیکی از مسیر حرکت ذره را ممکن می‌سازد.

حرارت‌سنج (کالری‌متر) داخلی آشکارسازها نیز به شناسایی ذرات کمک می‌کنند. حرارت‌سنج‌ها انرژی‌ای را که ذرات پس از برخورد از دست می‌دهند، اندازه می‌گیرند. در ادامه فیزیکدانان می‌توانند تابشی را که از ذرات گسیل می‌شود، مطالعه کنند. این کار به آنان کمک می‌کند برخی ویژگی‌ها را که به ذرات ویژه‌ای تعلق دارد شناسایی و تعیین کنند.

حال با همه‌ این اوصاف، بوزون هیگز به چه چیزی شباهت دارد؟! فیزیکدانان در پاسخ به این سوال می‌گویند: «از این‌که شما را ناامید کنیم متنفریم! اما واقعیت این است که نمی‌توانیم ذره‌ هیگز را ببینیم». هیگز، ذره‌ بسیار کوچکی است که امکان دیدن مستقیم‌اش وجود ندارد. آنچه به‌عنوان ذره‌ هیگز می‌بینیم مجموعه‌ای از نمودارها و داده‌هاست. نمای ذره‌ هیگز چیزی بیش از نمودارها و طرح‌های گرافیکی شلوغ که مسیر و انرژی ذرات برخوردکننده و ذرات ثانویه را مشخص می‌کنند، نیست. همه‌ آنچه در آشکارسازها شناسایی شده به داده‌های عددی تبدیل می‌شوند. این اعداد و ارقام مشخص می‌کنند اتفاقات بسیاری در برخورددهنده رخ می‌دهد که وجود ذرات هیگز را اثبات می‌کنند.

با این حال خیلی هم نباید ناامید شویم! فیزیکدانانی که در سرن کار می‌کنند، افراد خوبی هستند که می‌دانند ما چه می‌خواهیم: تصویری زیبا که نمایی از بوزون هیگز نشان می‌دهد. آنان تلاش می‌کنند چنین نمایی را برایمان تهیه و فراهم کنند. اگر می‌خواهید شبیه‌سازی‌ای گرافیکی از برخوردهای درون شتاب‌دهنده‌ها ببینید و چیزی را که ذره‌ هیگز در عمل به آن شباهت دارد مشاهده کنید، به پایگاه اینترنتی سرن به نشانی اینترنتی home.web.cern.ch سر بزنید.

فیزیکدانان درباره‌ ذره هیگز می‌گویند...

«هیگز» یکی از ذرات بنیادی است که مدل استاندارد فیزیک ذرات وجود آن را پیش‌بینی کرده است. گفته می‌شود ذره‌ هیگز عامل ایجاد جرم (یا به بیانی نه‌چندان دقیق؛ سنگینی و وزن) در ذرات بنیادی است. این ذره تنها ذره‌ مدل استاندارد است که تا قبل از سال 2012 شناسایی و مشاهده نشده بود.

یکی از خواص کوانتومی ذرات بنیادی اسپین آنهاست. معادل مکانیکی یا کلاسیک اسپین را به‌صورت چرخش در نظر می‌گیرند. اسپین همان چرخش نیست، بلکه بیانی برای تجسم و درک اثر اسپین و مقادیر متفاوت آن در ذرات بنیادی مختلف است.

ذرات بنیادی را براساس اسپین‌شان به دو گروه تقسیم می‌کنند: فرمیون‌ها و بوزون‌ها. فرمیون‌ها ذراتی با اسپین نیم‌صحیح (مثل یک‌دوم یا دوسوم و... )اند و بوزون‌ها ذراتی هستند که اصطلاحا اسپین صحیح (یا غیرکسری) مثل یک یا دو یا... دارند. اسپین بوزون را معادل صفر در نظر می‌گیرند. ذره‌ بنیادی هیگز در این طبقه‌بندی در دسته‌ی بوزون‌ها قرار می‌گیرد.

از آنجا که ویژگی‌های فیزیکی، ازجمله جرم پیش‌بینی شده‌ برای بوزون هیگز، در محدوده‌ توان آشکارسازی ابزارهای کنونی مانند برخورددهنده‌ بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider=LHC) قرار دارد، به نظر دانشمندان آشکارسازی آن (در صورتی که واقعا وجود داشته باشد) کار غیرممکنی نیست. بنابراین در سال‌های دهه‌ اخیر تلاش‌های بسیاری برای آشکارسازی و شناسایی آن انجام می‌شد تا این‌که سرانجام در نیمه تیر 1391 تلاش‌ها نتیجه داد.

حامد الطافی مهربانی ‌/‌ جام‌جم