همه دستاوردهای یک نسل

آغاز به کار بزرگ ترین شتاب دهنده ذره در جهان

روز چهارشنبه ۲۰ شهریور بزرگ ترین شتاب دهنده ذرات جهان در مرکز پژوهش های فیزیک ذرات بنیادی (سرن) کار خود را آغاز کرد. با آغاز به کار این ابزار که برخورددهنده بزرگ هادرونی نام دارد، مرحله تازه یی از پژوهش های فیزیکی آغاز شده است. در این آزمایش که بزرگ ترین و پیچیده ترین و پرهزینه ترین آزمایش لقب گرفته است و برخی آن را بزرگ ترین رویداد علمی تاریخ بشر نامیده اند، قرار است فیزیکدانان به بنیادی ترین رازهای جهان پی ببرند. در یک طرف فیزیکدانان ذرات می خواهند اصلی ترین اجزای سازنده ذرات را بشناسند و به بسیاری از پرسش های ماندگار خود پاسخ دهند از جمله اینکه چرا ذرات جرم دارند و چگونه می توان نظریه های مربوط به ماده را آزمود و از طرف دیگر کیهان شناسان می خواهند با انجام این آزمایش ها وضعیت جهان را در نخستین لحظه های پس از انفجار بزرگ شبیه سازی کنند. به همین مناسبت نگاهی داریم به موسسه تحقیقاتی سرن و برخورددهنده بزرگ آن.

هنگامی که پرتوهای پروتون در دالان های برخورددهنده بزرگ هادرون در جهت عقربه های ساعت و سرعت بسیار نزدیک به سرعت نور به حرکت درآمدند، آخرین مرحله از بزرگ ترین آزمایش فیزیکی جهان آغاز شد. هدف از آزمایشی که در سرن آغاز شده آن است که به مهم ترین پرسش ها درباره ماهیت ماده پاسخ دهد. اینکه منشاء ماده و به ویژه جرم ماده از چیست، چرا جهان از ماده ساخته شده است و از ضد ماده نیست و ماهیت ماده تاریک چیست، پرسش های بسیار دشواری است که دانشمندان امیدوارند با انجام این آزمایش به پاسخ آنها دست یابند. در معتبرترین نظریه فیزیکی مربوط به ذرات با عنوان «مدل استاندارد» از ذراتی نام برده می شود با نام هیگز که عامل جرم دار شدن ذرات است. هرچند که این نظریه از مبانی نظری پایداری برخوردار است، اما تاکنون هیچ نشانه مستقیمی از وجود این ذره ارائه نشده است، ولی فیزیکدانان امیدوارند با انجام این آزمایش نشانه هایی از وجود آن بیابند و به درک کامل تری از ماهیت ماده برسند.

ابر تقارن مفهوم نظری دیگری است که در این آزمایش مبانی آن بررسی می شود. گفته می شود در اولین لحظه های تشکیل جهان چهار نیروی اصلی جهان (گرانش، الکترومغناطیس، هسته یی قوی و هسته یی ضعیف) یکی بودند، اما پس از مدتی از یکدیگر جدا شده و به صورت چهار نیروی مجزا درآمدند. امید است که با این آزمایش ها بتوان به شناخت کامل تری از این چهار نیرو نایل شد. بنابر پیش بینی نظریه ها، همه ذرات یک «همزاد ابر متقارن» نیز دارند. شاید ماده تاریک که گفته می شود بیش از ۹۵ درصد از جرم جهان را تشکیل می دهد نیز از این ذرات ابر متقارن تشکیل شده باشد. اما این همه موضوع های پژوهشی LHC نیست، احتمال وجود ابعاد دیگر و ماهیت سیاهچاله ها از دیگر موضوع هایی است که انتظار می رود این آزمایش به آنها پاسخ گوید.

● برخورد دهنده هادرونی چیست

برخورد دهنده بزرگ هادرونی بزرگترین و پرقدرت ترین مجتمع شتاب دهنده ذرات است که هدف آن به هم کوباندن دو پرتو از پرتون (یکی از انواع هادرون ها) با انرژی بسیار زیاد است. هدف اصلی این ابزار بررسی صحت ، اعتبار و محدودیت های مدل استاندارد است. مدل استاندارد تصویر کنونی ما از فیزیک ذرات است. پیش بینی می شود که این آزمایش ها بتواند وجود بوزون های هیگز را تایید کند. در صورت اثبات وجود بوزون هیگز یکی از خلاءهای مدل استاندارد پر می شود و توضیح می دهد که ذرات بنیادی دیگر چگونه دارای جرم می شوند. LHC را سازمان اروپایی پژوهش های هسته یی (سرن) ساخته است و در مرز فرانسه و سوئیس قرار دارد. کار LHC به تازگی آغاز شده است و پرتوهای پرتون در مدار ۲۷ کیلومتری آن دور زده اند، اما نخستین آزمایش مربوط به برخورد این پرتوها یک ماه دیگر انجام می شود. این برخورد دهنده دارای شش آشکار ساز است که در دالان های آن نصب شده است.

از این شش آîشکارساز، ATLAS و CMS آشکارسازهای بزرگ و چند منظوره ذرات هستند. برخورد دهنده بزرگ یونی (ALICE) و LHCB اختصاصی تر هستند و دو آشکارساز دیگر TOTEM و LHCF بسیار کوچک تر هستند و در پژوهش های بسیار تخصصی تر به کار می روند. طبق پیش بینی ها باید در این آزمایش ها بوزون های هیگز تولید و مشاهده شود. گفتنی است، بوزون هیگز آخرین ذره مشاهده نشده در مدل استاندارد ذرات است. با کشف این ذره می توان دریافت ذرات تشکیل دهنده جهان چگونه دارای جرم می شوند. علاوه بر اینها دانشمندان امیدوارند با آغاز به کار این شتاب دهنده بتوان به پرسش زیر پاسخ داد.

آیا مکانیسم هیگز برای تولید جرم ذرات بنیادی در مدل استاندارد با رفتار طبیعت همخوانی دارد؟ و اگر چنین است چقدر بوزون هیگز وجود دارد و جرمشان چقدر است؟

- آیا همان گونه که نظریه های گوناگون وحدت بزرگ پیش بینی می کنند، الکترومغناطیس، نیروی هسته یی قوی و نیروی هسته یی ضعیف تنها نمادهای مختلفی از یک نیروی واحد است؟

- چرا گرانش تا این اندازه از دیگر نیروهای طبیعت ضعیف تر است؟

- آیا ابرتقارن در طبیعت وجود دارد، به بیان دیگر ذرات مدل استاندارد همزاد ابرتقارنی دارند؟

-چرا بین ماده و ضدماده عدم تقارن وجود دارد؟

- ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک چیست؟

- آیا همان گونه که نظریه هایی مانند نظریه تار پیشگویی می کنند، ابعاد اضافه دیگری وجود دارد و اگر این ابعاد وجود داشته باشد، می توان آنها را آشکار ساخت؟

هر چند که از بین همه دستاوردهای آینده LHC کشف ذره هیگز از همه محتمل تر است، اما به این موضوع هم نمی توان یقین داشت. استفن هاوکینگ در مصاحبه یی به بی بی سی گفته است؛ «بسیار هیجان انگیزتر می شود اگر نتوانیم ذره هیگز را کشف کنیم. این موضوع نشان می دهد یک جای کار غلط است و ما باید دوباره فکر کنیم. من صد دلار شرط بندی کردم که نمی توانیم هیگز را بیابیم.» وی در همان گفت وگو از احتمال یافتن ابر همزادها سخن می گوید و اضافه می کند؛ «گذشته از اینکه LHC چه چیزی را کشف کند، یا کشف نکند، نتایج آزمایش ها گفتنی های بسیاری در مورد جهان به ما می آموزد.»

● سرن کجاست

سرن که مخفف عبارت «سازمان اروپایی پژوهش های هسته یی» است، بزرگ ترین آزمایشگاه فیزیک ذرات در دنیا محسوب می شود و در شمال غرب ژنو در مرز سوئیس و فرانسه قرار دارد. سرن در سال ۱۹۵۴ تاسیس شد و هم اکنون ۲۶۰۰ کارمند تمام وقت در آن کار می کنند. حدود هشت هزار دانشمند و مهندس که از حدود ۵۰۰ دانشگاه و موسسه پژوهشی و هشتاد کشور گرد هم آمدند، در سرن سرگرم پژوهش اند. کار اصلی سرن ساخت شتاب دهنده های ذرات و دیگر زیر ساخت های لازم برای پژوهش های فیزیک در حوزه انرژی زیاد است. سرن برای تحلیل داده های حاصل از آزمایش های گوناگون خود، یک مرکز بزرگ کامپیوتری در شهر میرین دارد که از تجهیزات بسیار قدرتمندی برای پردازش اطلاعات تشکیل شده است. بعدها برای آنکه پژوهشگران سرتاسر جهان بتوانند به این اطلاعات دسترسی داشته باشند، شبکه یی برای انتقال اطلاعات طراحی شده است. از آنجایی که سالانه بیش از یک میلیارد دلار هزینه در سرن صرف می شود، ممکن است این پرسش پیش آید که اصولاً سرن طی بیش از یک قرن فعالیت خود، چه دستاوردهایی داشته است. هر چند که دستاوردهای سرن بسیار است، اما می توان به موارد زیر به عنوان مهم ترین آنها اشاره کرد؛ کشف بوزون های wوZ در سال ۱۹۸۳، تعیین انواع نوترینوها در برخورد دهنده بزرگ الکترون- پوزیترون در سال ۱۹۸۹، تولید اولین نمونه های اتمی ضد هیدروژن در سال ۱۹۹۵ و کشف شواهد مستقیمی برای نقض CP (بار- پاریته) در سال ۱۹۹۹.

به دلیل همین کارهای پیشگام دانشمندان سرن بود که جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۸۴ به کارلوروبیا و سایمون وان در میر برای کشف بوزون های wوZ و همچنین جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۹۲ به جرج چارپاک برای ابداع نوعی از آشکارساز ذره اهدا شد.

اما یکی از مهم ترین دستاورهای سرن شبکه جهان گستر (World wide web) یا همان www است. www مهم ترین مشخصه http یا پروتکل جا به جایی ابر لینک ها است. سرن در سال ۱۹۹۰ برای ارتباط بین پژوهشگران و دانشمندان خود این شیوه را ابداع کرد. اولین وب سایت نیز در سال ۱۹۹۱ راه اندازی شد. در ۳۰ آوریل ۱۹۹۳ سرن اعلام کرد که دسترسی به شبکه جهان گستر برای همه مردم آزاد است. نسخه یی از اولین صفحه وب که برنرزلی ایجاد کرد، به عنوان یک سند تاریخی هنوز هم در وب در دسترس است. در سال ۱۹۹۵ از سرتیم برنرزلی به خاطر مشارکت در توسعه شبکه جهان گستر قدردانی شد.

● نگرانی از پایان جهان

پیش از آنکه این شتاب دهنده کار خود را آغاز کند، بسیاری از مردم نسبت به این دستگاه، امنیت آن و همچنین پیامدهای احتمالی آن به شدت ابراز نگرانی کردند. بسیاری از مردم با تماس های تلفنی و فرستادن ای میل خواستار توقف این آزمایش ها شده بودند، حتی عده یی نیز به دادگاه حقوق بشر اروپا شکایت برده و از آن دادگاه خواسته بودند باعث توقف اجرای این آزمایش ها شود. هرچند که مجریان این آزمایش ها بارها اعلام کرده بودند این آزمایش ها خطری ندارد، اما برخی از افراد بدگمان همچنان بر توقف آزمایش ها پافشاری می کردند. اما موضوع از چه قرار بود؟

کارشناسان در معرفی چگونگی کارکرد این دستگاه گفته بودند قرار است پرتوهایی از پروتون ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور با یکدیگر برخورد کنند و در نتیجه آن سیاهچاله هایی ایجاد می شود. سیاهچاله ها اجرامی هستند که جرم بسیار زیادی دارند و به دلیل جاذبه گرانش شدیدی که دارند، هیچ چیز (حتی نور) نمی تواند از میدان جاذبه آنها بگریزد، به همین دلیل دیده نمی شوند (نامگذاری سیاهچاله نیز به همین دلیل است). اما در تصویرهای مبهمی که مردم عادی از سیاهچاله ها در ذهن دارند، آنها موجوداتی ترس آور و وحشتناک هستند و هرچیزی را که در اطراف شان باشد، می بلعند. همین موضوع باعث نگرانی آنها شد. اما باید یادآور شد سیاهچاله هایی که در این آزمایش ها تولید می شود، بسیار بسیار کوچک است (در ابعاد پروتون) و دیگر آنکه این سیاهچاله ها یک میلیاردم ثانیه پس از ایجاد شدن نابود می شود. با این همه منتقدان قانع نشده و این احتمال را مطرح کردند که ممکن است این سیاهچاله های میکروسکوپی با یکدیگر ترکیب شده و در نتیجه آنقدر بزرگ و ماندگار شوند که کم کم ماده موجود در اطراف خود را ببلعند و در نهایت خطری را برای همه کره زمین و ساکنان آن ایجاد کنند. گفتنی است پیش از این نیز در سال ۱۹۹۹ برخی افراد شکاک که نگرانی های مشابهی داشتند، خواستار توقف آزمایش شتاب دهنده نسبیتی یون های سنگین شدند؛ اما نه آنها توانستند مانع اجرای آزمایش ها شوند و نه اجرای آزمایش خطری به وجود آورد.

● نقش ایران در این پژوهش

همان گونه که گفته شد در این پژوهش از مجموعه بسیار بزرگی از شتاب دهنده ها و آشکارسازها استفاده می شود که کار طراحی، ساخت، راه اندازی و بهره برداری از آنها توسط مراکز پژوهش، دانشگاه ها و شرکت های بزرگ علمی و صنعتی سراسر جهان اجرا می شود. ایران نیز یکی از کشورهایی است که در این پروژه نقش موثری دارد.CMS Compact Muon Solenoid)) یکی از چهار ابزار مهم LHC است که ایران با ساخت قسمت مکانیکی ابزار با عنوان «میز نگهدارنده آشکارساز و محفظه استوانه یی پوشاننده آن» در این تحقیقات مشارکت کرده است. مراحل ساخت این میز با نظارت مهندسان سرن انجام شده است. این میز می تواند قطعه هایی به وزن ۲۰۰ تا ۳۰۰ تن را تحمل کند و اجزای آن با فاصله میلی متری از یکدیگر باز و بسته می شود. گفتنی است ایران با مشارکت در این طرح پژوهشی، منافع اقتصادی کوتاه مدتی ندارد، اما می تواند با مشارکت در یک پروژه علمی بین المللی در بالاترین سطح پژوهش در حوزه فیزیک ذرات بنیادی، دستاوردهای علمی بسیاری را نصیب کشور کند.

دکتر رضا منصوری نیز با بیان اینکه همکاری های ایران با سرن از حدود هفت سال پیش آغاز شده است، تصریح کرد؛ این موضوع حدود ۱۰ سال در داخل کشور پیگیری شد تا همکاری ایران و سرن محقق شود، به طوری که ابتدا وزارت علوم، تحقیقات و فناوری و سپس پژوهشگاه دانش های بنیادی کار را پیگیری کردند. وی خاطرنشان کرد؛ ایران در زمینه ساخت آشکارساز CMS با پروژه همکاری داشته و ساخت قطعاتی از آن را برعهده گرفت که به علت موفقیت در مدیریت ساخت این قطعه ها، جایزه یی به ایران تعلق گرفت.

دکتر منصوری در گفت وگو با ایسنا با بیان اینکه همکاری در این پروژه، راه را برای کسب دانش و آشنا شدن محققان ایرانی با مدیریت پروژه های بزرگ علمی هموار کرد، افزود؛ انتقال دانش فنی مرتبط با علم و فناوری خاص این حوزه و تربیت نیروی متخصص از دیگر مزیت های همکاری ایران در پروژه سرن به شمار می رود. وی افزود؛ مدل همکاری ایران با سرن نشان داد که می توان با هزینه کم، دستاوردهای بسیار زیادی در جهت علم و فناوری داشت.

گفتنی است هم اکنون تعدادی از دانشجویان دکترای فیزیک ذرات دانشگاه های مختلف ایران برای انجام پایان نامه دکترای خود از پژوهشگاه دانش های بنیادی به مرکز سرن می روند.دکتر فرهاد اردلان عضو هیات علمی پژوهشکده دانش های بنیادی که برای شرکت در مراسم افتتاح ال اچ سی در سرن حضور داشت، درباره جزئیات این قرارداد گفت؛ به موجب آن ایران قطعه یی از ایستگاه آشکارساز سی ام اس را ساخت و در عوض قرار شد تعدادی از دانشجویان ایرانی در رشته های مرتبط برای انجام پایان نامه دکترای خود به سرن بیایند.

دکتر فرهاد اردلان با اشاره به موفقیت آمیز بودن ساخت قطعه مورد نظر توسط شرکت ایرانی «هپکو» گفت؛ این شرکت در سال ۲۰۰۴ میلادی جایزه طلایی سی ام اس را به دلیل ساخت این قطعه از سرن دریافت کرد.

وی تاکید کرد؛ علاوه بر این موفقیت، فیزیکدانان و دانشجویان فیزیک ایرانی نیز به طور مداوم در برنامه های شتاب دهنده ذرات در سرن مشارکت داشته اند و برای ساخت شتاب دهنده بزرگ دیگری در سرن که در دستور کار ۱۰ سال آینده قرار دارد نیز همکاری خواهند کرد.

این استاد دانشگاه صنعتی شریف هدف اصلی ایران از حضور در پروژه های سرن را مشارکت در مباحث علمی جهانی در پیشرفته ترین سطح عنوان کرد و افزود؛ مهم ترین اثر این مشارکت، دستیابی ایران به پیشرفته ترین فناوری ها در زمینه شتاب دهنده است.

به گفته وی اگر دانشجویان ایرانی در این تحقیقات و آزمایش ها شرکت نمی کردند، مجبور بودیم آخرین و پیشرفته ترین دستاوردهای آنها در زمینه فناوری های شتاب دهنده ها را با صرف هزینه بسیار خریداری کنیم.

اردلان با اشاره به برنامه ایران برای ساخت شتاب دهنده ذرات طی ۱۰ سال آینده گفت؛ ایران برای فعالیت در فیزیک ذرات، برنامه ریزی بلندمدت دارد و این برنامه ها از طریق پژوهشکده دانش های بنیادی پیگیری خواهد شد.

وی در ادامه با تاکید بر اهمیت راه اندازی شتاب دهنده ذرات ال اچ سی به عنوان یک رویداد مهم علمی گفت؛ ساخت این ماشین و رساندن آن به مرحله افتتاح، حاصل کار یک نسل است. شاید بتوان گفت این رویداد، مهم ترین اتفاق نسل فعلی فیزیکدانان جهان است.

پس از سال ها کار گروهی در حقیقت پیشکسوتان کنونی فیزیک دنیا در سرن با راه اندازی این شتاب دهنده، حاصل سال ها کار نظری و عملی خود را خواهند دید تا شاید نسل بعدی فیزیکدانان با طرح سوال های جدیدتر، مرز میان دانسته ها و نادانسته های خود از عالم هستی را جابه جا کرده و کمی جلوتر ببرند. رئیس پژوهشکده ذرات و شتابگرهای پژوهشگاه دانش های بنیادی، در عین حال سهم ایران در این پروژه را با توجه به جایگاه درخور کشورمان، حتی در مقایسه با برخی کشورهای منطقه اندک خواند و به ایسنا گفت؛ همکاری با سرن می تواند ضمن ارتقای جایگاه و اعتبار علمی کشور تجارب، آموزه ها و دستاوردهای علمی، مدیریتی و تکنولوژیک فراوانی برای کشور داشته باشد و محققان کشور ما هم از ظرفیت بالایی برای مشارکت در این پروژه برخوردارند. با این حال به دلیل مسائل مالی و عدم تخصیص اعتبارهای لازم، همکاری ما با این پروژه بسیار محدود شده است، به طوری که کشورهایی مثل ترکیه و پاکستان در همسایگی ما سرمایه گذاری و بهره برداری بسیار بیشتری از این پروژه عظیم بین المللی دارند.وی گفت؛ اگر مسوولان بودجه کافی را به همکاری های ایران در این پروژه علمی اختصاص دهند، می توانیم تعداد دانشجویان و محققان ایرانی اعزامی به سرن را که در حال حاضر انگشت شمار هستند افزایش دهیم و تعهدات خود را در زمینه ساخت بخشی از آشکارسازهای پیشرفته شتابگر عظیم سرن که می تواند بستری برای انتقال دانش و فناوری های پیشرفته به کشور باشد، عملی کنیم.

گفتنی است به دنبال مشارکت موفقیت آمیز ایران در پروژه CMS، کشورمان در پروژه گرید نیز با سرن همکاری می کند. گرید سرویس نرم افزاری برای به اشتراک گذاشتن توان محاسباتی و فضای ذخیره داده ها بین کامپیوترهای متصل به هم است و هدف نهایی از آن ایجاد یک شبکه وسیع جهانی محاسباتی و اطلاعاتی است.

سلیمان فرهادیان