سرن كجاست؟
بزرگترین آزمایش علمی جهان(سرن) - 1
برخورد دهنده هادرونی بزرگ
.
۱۰ سپتامبر سال ۲۰۰۸ میلادی زمانی بود که چند هزار فیزیکدان همزمان با برخورد پروتون ها در حلقه LHC جیغ کشیدند و آغاز عظیم ترین و پر هزینه ترین ازمایش علمی تاریخ را در بزرگترین شتاب دهنده دنیا جشن گرفتند. اتفاق در سرن افتاد. مرکزی که از زمان تاسیسش در مرز سوییس و فرانسه هرازگاه میزبان خبرسازترین ازمایش ها و رویدادها در حیطه فیزیک ذرات بنیادی بوده است.
۲ قطار ۴۰۰ تنی را تصور کنید که با سرعت ۱۵۰ کیلومتر در ساعت از رو به رو به هم برخورد میکنند ! این حادثه هر ثانیه بیست و دو هزار بار در عظیم ترین و پر هزینه ترین ازمایش علمی که انسان تا کنون انجام داده است اتفاق می افتد.
آنچه در LHC روی می دهد ، در عین پیچیدگی فنی بسیار ساده است . ۲ باریکه از پروتون یا یون در خلاف جهت یکدیگر وارد حلقه ۲۷ کیلومتری در عمق صد متری زمین می شوند و بعد از آنکه تحت تاثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی شدید ، سرعتشان به حدود سرعت نور رسید ، جلوی چشم چند سنسور و آشکار ساز بسیار حساس از رو برو به هم برخورد می کنند . ضمن این برخورد ، ذرات تازه ای متولد می شوند که آشکار سازها مسیر حرکت و زمان عبورشان را ثبت خواهند کرد . حالا نوبت فیزیکدان ها است که لابه لای این اطلاعات ، دنبال گمشده ها و جواب سوالها یشان بگردند ، دنبال حقایقی که درک ما از جهان و طبیعت را کامل تر و زیباتر خواهد کرد . فیزیک ذرات بنیادی سوالات بی پاسخ زیادی دارد . در چند دهه گذشته دانش ما از ذرات بنیادی-یا آجرهای ساختمان طبیعت – واندر کنش های بینشان گسترش زیادی پیدا کرده است .تئوری های زیادی طرح شده اند و بعضی هایشان را نتایج حاصل از شتاب دهنده ها تائید کرده اند . اما مجموعه این دانسته ها که به (( مدل استاندارد )) ذرات معروف است ، هنوز سوراخ هایی دارد که چندان خوشایند فیزیک دان ها نیست و پر کردنشان هم به علت محدودیتهای آزمایشگاهی تا حالا امکان پذیر نبوده است ولی از حالا به بعد دریچه ای رو به دانشمندان باز شده است که به واسطه آن می توان به پاسخ سوالهای مبهم خود دست یابند . البته ۴ میلیارد یورو پول خیلی زیادی است اما پاسخ این سوالها برای فیزیک دان ها بسیار بیشتر از این می ارزد .
و اما سوالات اساسی . . .
فیزیک دانها و دانشمندان سوالات بی پاسخ زیادی در زمینه چگونگی آفرینش جهان و طبیعت و رازهای آن در ذهن دارند که در میان انبوه اطلاعاتی که از شتاب دهنده LHC به دست خواهد آمد به دنبال پاسخ آنها هستند . در اینجا به برخی از اساسی ترین سوالات آنها اشاره می کنیم :
- جرم چیست ؟ در بین کمیت های فیزیکی گستره جرم از همه بیشتر است . گستره ای که ذرات فوق العاده سبکی مثل نوترینو و موجودات فوق العاده سنگینی مثل کهکشان ها را در بر می گیرد . اما هنوز کسی نمی داند جرم چیست ، از کجا می آید و چرا می تواند چنین طیف وسیعی در طبیعت داشته باشد . چرا الکترون جرمش اینقدر است و پروتون آنقدر ؟ جواب همه این سوالات شاید با پیدا کردن ذره هیگز معلوم شود ، ذره ای که وجودش در سال ۱۹۶۴ پیش بینی شد اما هنوز جایش در مدل استاندارد خالی است . آشکار سازهای ATLAS وCMS در حلقه LHC به دنبال رد پای هیگز خواهند گشت .
- ماده تاریک چیست و چگونه به وجود آمده است ؟
مشاهدات کیهان شناسی نشان می دهد که تنها ۴ درصد جرم هستی از ماده است . بقیه این جرم به (( ماده تاریک و انرژی تاریک ) نسبت داده می شود که هنوز تئوری جامعی برای تویح نحوه شکل گیری آن در آغاز هستی وجود ندارد . وظیفه دیگر آشکار سازهای ATLAS وcmsHDK جست و جوی ذرات خاصی است که ممکن است یکی از تئوری های موجود برای پیدایش ماده تاریک را تائید کنند .
- پاد ماده کجاست ؟
پاد ماده را می شود برادر دوقلوی ماده اما با بار مخالف تصور کرد . ( مثلاً پاد الکترون ، الکترونی است با بار مثبت ) بر اساس تئوری های فیزیک ، در آغاز جهان باید مقادیر برابری از ماده و پاد ماده پدید آمده باشد ، اما در جهانی که ما امروز می بینیم ، این نسبت کاملاً به سود ماده است . چه بلایی سر پاد ماده آمده ؟
چرا طبیعت ماده را به پاد ماده ترجیح داده است ؟ آشکار ساز LHCb به دنبال تفاوت های این دو خواهد گشت تا راز انتخاب طبیعت آشکار شود .
- در ثانیه اول آفرینش ماده چگونه بوده است ؟
ماده ای که ما امروز می شناسیم از اتم ساخته شده است . اتم هسته ای دارد از پروتون و نوترون . پروتون و نوترون از کوارک ساخته شده اند و کوارک را ذراتی به اسم گلوئون کنار هم نگه داشته اند . پیوند بین کوارک ها پیوند بسیار محکمی است اما نه آنقدر که بتواند دمای وحشتناک پس از انفجار بزرگ را تاب بیاورد . بنابراین به نظر می اید که لااقل در چند میکرو ثانیه اول پس از انفجار بزرگ ، دنیا مخلوط بسیار داغ و چاگی ای از کوارک و گلوئون بوده باشد . آشکار ساز ALICE قرار است با شبیه سازی لحظات آغازین پیدایش جهان به بررسی این مخلوط بپردازد.
- آیا بعدهای دیگر فضا واقعاً وجود دارد ؟
ما حداکثر ۳ بعد برای دنیا می شناسیم اما از نظر فیزیک دان های تئوری ریسمان ، فضا به راحتی می تواند ۲۵ یا لااقل ۱۱ بعد داشته باشد . بعد هایی که شاید در انرژی های بسیار بالا بشود واقعاً آنها را مشاهده کرد . همه آشکار سازهای LHC به دنبال نشانه هایی از این ابعاد خواهند گشت .
تونل ۲۷ کیلومتری !
تونلی که HLC در آن نصب شده است تا سال ۲۰۰۰ میزبان شتاب دهنده دیگری به نام LEP بود که برچیده شد . اینکه چرا شتاب دهنده در زیر زمین نصب شده است یک دلیل ساده دارد ، هزینه حفر ۲۷ کیلومتر تونل ، از هزینه خرید زمین های بالای سرش کمتر است ، غیر از اینکه ۱۰۰متر خاک و سنگ ، سپر مناسبی در مقابل رفت و آمد تشعشعات خواهد بود . عمق تونل LHC ثابت نیست و به دلیل ملاحظات زمین شناسی از ۱۷۵متر ( زیر ناحیه ژورا در فرانسه ) تا ۵۰ متر ( سمت دریاچه ژنو در سوئیس ) متغیر است . حفاری تونل چنان دقیق انجام شد که ۲ بازوی حفار با اختلاف ۱ سانتی متر به هم رسیدند .
در شتاب دهنده HLC , شش سنسور و اشکارساز بسیار حساس و قوی نصب شده است تا کوچکترین اثر واکنش حاصل از برخورد ذرات بنیادی از دید دانشمندان و فیزیک دانان پنهان نمی ماند .
این آشکار سازها به تربیت عبارتند از :
۱- اشکار ساز ATLAS :
2 باریکه پروتون که در خلاف جهت یکدیگر ، حلقه LHC را با سرعتی نزدیک به سرعت نور می پیمایند ، تحت تاثیر میدان مغناطیسی ۶ تا ۸ تسلایی آشکار ساز اطلس متمرکز می شوند و به هم برخورد می کنند . کار اصلی اطلس به عنوان یک آشکار ساز همه مننظوره این است که لا به لای ذرات حاصل از این برخورد سهمگین ، دنبال گمشده های فیزیک بگردد . ذره هیگز ، ذرات تشکیل دهنده ماده تاریک و ابعاد اضافی مهمترین این گمشده ها هستند . آشکار ساز اطلس ۴۶ متر طول ، ۲۵ متر ارتفاع ، ۲۵ متر عرض و ۷ تن وزن دارد و حاصل کار ۱۷۰۰ دانشمند از ۱۵۹ موسسه در ۳۷ کشور دنیاست.
۲- آشکار ساز ALICE :
در آزمایش آلیس ، یون های سرب با سرعت بسیار زیاد به هم برخورد می کنند . تحت تاثیر این برخوردها ، دما به صورت موضعی تا ۱۰۰ هزار برابر مرکز خورشید افزایش پیدا می کند و به احتمال زیاد با شکستن پروتون ها و نوترون ها مخلوطی از کوارک و گلوئون ( پلاسمای کوارک – گلوئون ) به وجود خواهد آمد . یعنی همان حالتی از ماده که در لحظات ابتدای پیدایش جهان وجود داشته است . به این ترتیب آلیس ماشین زمانی است که فیزیک دانها را به ثانیه اول عمر جهان خواهد برد ، جایی که می شود نشست و تولد ماده را از دل این سوپ داغ تماشا کرد !
آشکار ساز آلیس ۲۶ متر طول ، ۱۶ متر ارتفاع و ۱۶ متر عرض و ۱۰ تن وزن دارد و حاصل کار ۱۰۰۰ دانشمند از ۹۴ موسسه در ۲۸ کشور دنیاست .
۳- آشکار ساز CMS :
۲ بایرکه پروتون بعد از ترک اطلس ، نمایش مهیج و با شکوه برخوردشان را یکبار دیگر در آن سوی حلقه و جلوی چشم CMS تکرار می کنند . تفاوت عمده آشکار ساز CMS با اطلس در سامانه مغناطیسی آن است . اطلس برای تولید میدان مغناطیسی ، از ۱۸ بر رسانای ۲۵ متری استفاده می کند ، در حالی که در CMS این کار بر عهده یک سیم پیچ بر رسانای عظیم استوانه ای شکل است . میدان مغناطیسی ۴ تسلایی حاصل از این سیم پیچ را یک هسته فولادی در محور استوانه متمرکز می کند . ۱۰ هزار تن از وزن ۱۲۵۰۰تنی CMS ، مربوط به همین هسته است ( بیشتر از فولاد به کار رفته در برج ایفل ) . بر خلاف سایر آشکار ساز های مجموعه که عملیات ساختشان در محل تونل انجام شده CMS در ۱۵ قطعه روی زمین ساخته شده و سپس در تونل سر هم شده است . آشکار ساز CMS 21 متر طول ، ۱۵ متر عرض و ۱۵ متر ارتفاع دارد و بیش از ۲۰۰۰ دانشمند از ۱۵۵ موسسه در ۳۷ کشور جهان در ساخت آن مشارکت داشته اند .
۴- آشکار ساز TOTEM :
آرایش آشکار سازهای آلیس ، اطلس و CMS طوری است که تنها ذرات عمود بر راستای تونل از آنها می گذرند ، اما در برخورد ۲ باریکه ، ذرات جدید هم عمود و هم موازی با راستای باریکه ها آزاد می شوند . وظیفه آشکار ساز توتم ، مشاهده و ثبت ذرات موازی به وسیله آشکار سازهای طولی است که درون ۸ محفظه خلاء – با نام دیگ رسی- نزدیک به محل برخورد باریکه ها در CMS نصب شده اند . یکی از نتایج آزمایش توتم می تواند تعیین اندازه پروتون باشد .آاشکار ساز توتم ۴۴۰ متر طول ، ۵ متر ارتفاع و ۲۰ تن وزن دارد.
۵-آشکار ساز LHCb :
قرار است به این سوالات پاسخ بدهد که چرا مقادیر پاد ماده در طبیعت اینقدر کم است یا به عبارت دیگر چه تفاوت ناشناخته ای بین ماده و پاد ماده هست که یکی را اینطور به سوگلی طبیعت تبدیل کرده است . کلید این معما شاید در اختیار یک ذره بنیادی خاص باشد ، (( کوارک زیبایی)) یا ((کوارک بی )) . آشکار سازهای طولی LHCb تمام سعی شان را می کنند تا پاسخ این راز را از زبان کوارک بی بیرون بکشد . LHCb ،۲۱ متر طول ، ۱۰ متر ارتفاع ، ۱۰ متر عرض و ۵۶۰۰ تن وزن دارد و حاصل کار ۶۵۰ دانشمند از ۴۸ موسسه در ۱۳ کشور است .
۶- آشکار ساز LHCF :
آبشار ذراتی که از برخورد ۲ باریکه سریع در حلقه LHC حاصل می شود ، شباهت زیادی به فرآیند ورود پرتو های کیهانی به جو زمین دارد . کار آشکار ساز کوچک LHCF ، استفاده از همین شباهت برای کالیبره کردن آزمایش های واقعی پرتو های کیهانی است HLCF ۸۰ کیلوگرم وزن دارد .
- شتاب دهنده های اولیه : اما اصلاً این پروتون ها از کجا می آیند ؟
پروتون باریکه ها از یونیزه کردن اتم های هیدروژن به دست می آیند . این پروتون ها وارد شتاب دهنده خطی LINAC2 می شوند که انرژی شان را تا ۵۰ مگا الکترون ولت بالا می برد . از این پس نوبت مجموعه شتاب دهنده های حلقوی PS وPSB وsps است که انرژی پروتون ها را به ۴/۱ و ۲۵ و ۴۵۰ گیگا الکترون ولت برسانند . پروتون های ۴۵۰ گیگا ولتی در ۲ جهت ساعتگرد و پاد ساعتگرد وارد حلقه LHC می شوند . تحت تاثیر میدان های الکتریکی حلقه ، انرژی باریکه ها پس از ۲۰ دقیقه چرخش به ۷ ترا الکترون ولت می رسد . سرعت پروتون ها در هر یک از این ۵ مرحله ، به ترتیب ۳۱، ۶/۹۱ و ۹۳/۹۹ و ۹۹۹۹۱/۹۹ درصد سرعت نور است .
اما علاوه بر مطالبی که در بالا گفته شده شتاب دهنده LHC نکته های جالب دیگری نیز دارد که شاید گفتن آنها خالی از لطف نباشد :
- تونل ۲۶۶۵۹ متری LHC ، مجموعاً ۹۳۰۰ آهن ربا دارد . همه این آهنرباها ابتدا به کمک ۱۰ هزار تن نیتروژن مایع تا منهای ۱۹۳ درجه سانتی گراد سرد می شوند تا در مرحله بعد ۶۰ تن هلیوم مایع دمایشان را به منهای ۳/۲۷۱ درجه سانتی گراد (۹/۱) کلوین برساند. فقط یک هشتم این سیستم سرمایشی برای کسب عنوان بزرگترین یخچال دنیا کافی است .
- باریکه پروتون ، در هر ثانیه ، ۱۱۲۴۵ بار مسیر ۲۶۶۵۹ متری حلقه را می پیمایند . از ضرب این دو در یک دیگر سرعتی به دست می اید که تنها در رقم نهم بعد از ممیز از سرعت نور جا می ماند (۹۹۹۹۹۹۹۹۱/ ۰ سرعت نور ) .برای جلوگیری از برخورد پروتونها با ملوکولهای هوا باریکه ها مسیر را در خلاء فوق العاده بالا طی می کنند ، یعنی در فشار ۱۰ به توان منفی ۱۳ اتمسفر یا ۱۰ بار کمتر از فشار سطح ماه .در مسیر باریکه ها همانقدر ماده هست که در فضای میان سیارات.
- LHC همزمان سرد ترین و گرم ترین نقاط کهکشان را در خود جای داده است . وقتی دو باریکه هفت ترا الکترون ولتی به هم می خورند ، برای لحظات بسیار کوتاهی دمای مناطق بسیارکوچک ۱۰۰۰۰ هزار برابر دمای مرکز خورشید می رسد . در حالی که چند متر آنطرف تر آهنربا ها در دمای ۹/۱ کلوین ( یعنی سرد تر از دمای فضای بین ستاره ای) کار می کنند.
- هر کدام از آشکار سازها در زمان فعالیتشان با آهنگ بسیار بالایی اطلاعات تولید می کنند . اطلس ۳۲۰ مگابایت در ثانیه ، ۲۲۰CMS مگابایت در ثانیه ، آلیس ۱۰۰ مگابایت در ثانیه و LHCB ۵۰ مگابایت در ثانیه ! به این ترتیب اطلاعات به دست آمده از LHC در هر سال و ۱۵ میلیون گیگابایت می رسد . اگر این حجم اطلاعات را روی سی دی بریزید و سی دی ها را روی هم بگذارید ، ارتفاعشان به ۲۰ کیلومتر می رسد . جالب است بدانید که هواپیما کنکورد در ۱۵ کیلومتری سطح زمین پرواز می کرد !
- توان مصرفی LHC ، حدود ۱۲۰ مگاوات است . با در نظر گرفتن ۲۷۰ روز کاری در سال ( شتاب دهنده در زمستان تعطیل است ) . مصرف برق سالی ۸۰۰ هزار مگاوات ساعت است که بخش اعظم آن ، سیستم سرمایش را تغذیه خواهد کرد . توان مصرفی کل تاسیسات ۲۳۰ مگاوات است .
- هر باریکه پروتون حاوی بیش از ۱۰۰ ترا ذره است . سطح مقطع برخورد پروتون ها آنقدر کوچک است که با وجود تمام میدانهای مغناطیسی متمرکز کننده ، بین هر ۱۰ میلیون پروتون ، فقط یک برخورد اتفاق می افتد. این یعنی ۶۰۰ میلیون برخورد در هر ثانیه !
- مجموع جرم سکون پروتون های هر باری که کمتر از یک نانوگرم است اما سرعت پروتون های آنقدر زیاد است که انرژی باریکه در مجموع به ۳۵۰ مگاژول می رسد . یعنی به اندازه یک قطار ۴۰۰ تنی که با سرعت ۱۵۰ کیلومتر در ساعت در حرکت است !
- در این پروژه بزرگ ، ۱۱ ایرانی هم هستند که دستی به آتش داشتنه اند :
سعید پاک طینت ، مجتبی نجف ابادی و مجید هاشمی که فعالیت ها و تحقیقات دکتری خود را در LHC انجام می دهند .
مریم زینلی، علی فهیم ، حامد بخشیان ،و عبیده ( نجبیه) جعفری که در بخش اشکارساز سی. ام. اس برای آنالیز داده ها کار می کنند .
حامد شاکر ، محمد اشراقی که در بخش شتاب گر فعالیت می کنند .
دکتر مشاعی و کتایون دورود در بخش سخت افزاری آشکار سازها فعالیت می کنند .
- LHC پنچر می شود !
سه روز پس از آغاز به کار برخورد دهنده بزرگ هادرون ها ( LHC) ، نقصی در آن رخ داد که باعث شد دما در ۱۰۰ آهن ربای فوق سرد به میزان ۱۰۰ دجه افزایش یابد و حدود یک تن هلیوم مایع به درون تونل نشت کند . در پی این حادثه سخنگوی سرن اعلام کرد که فعال سازی دوباره ی LHC به منظور رفع نقص آن تا بعد از دوره زمستانی خاموشی این دستگاه ، یعنی بهار ۲۰۰۹ به تعویق خواهد افتاد .
به گفته سخنگوی سرن به احتمال زیاد عامل بروز این نقص ایراد در ارتباط الکتریکی بین دو حلقه از آهنرباهای شتاب دهنده بوده است ، به این معنی که این ارتباط طی دوره آزمایشی ذوب شده و منجر به نشت هلیوم به درون سیستم شده است . وی ادامه داد قرار است مهندسان برای کشف منشاء اصلی بروز مشکل ، به درون دستگاه رفته و با افزایش دما یکی از هشت قسمت برخورد دهنده تحقیقات دقیق و کاملی را بر روی عامل ایجاد نقص فنی به عمل آورند .
