جام جم آنلاين: كشف حركت انبساطي عالم​ يا همان دور شدن خوشه‌هاي كهكشاني از يكديگر، دانشمندان را به اين انديشه فرو برد كه با معكوس كردن نمودار زمان مي‌توان به لحظه آغاز آفرينش نزديك شد.
نظريه «انفجار بزرگ» كه حاصل اين طرز تفكر است نشان داد در اين حركت معكوس، كاهش ابعاد عالم، افزايش دماي حيرت‌انگيزي را به دنبال دارد. براي مثال پس از گذشت يك ثانيه از انفجار بزرگ، دماي عالم حدود 10 ميليارد درجه بوده است. در اين دما ذرات بنيادي مانند «كوارك‌ها» توانايي تشكيل پيوند و به‌وجود آوردن هسته اتم‌ها را نداشتند چراكه اين دماي فوق‌العاده زياد هر پيوندي را متلاشي مي‌كند. بنابراين جهان مخلوط داغي از ذرات بنيادي بود كه با گذر زمان بسرعت سرد مي‌شد. پس از 3 دقيقه از انفجار، وقتي دما به 6 ميليارد درجه كاهش يافت كوارك‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشكيل دادند و بالاخره 380 هزار سال بعد، زماني كه دما به 3000 درجه رسيد، با جايگيري الكترون‌ها در اطراف هسته، اتم متولد شد. كنترل جهان به عهده 4 نيروي متفاوت است كه عبارتند از نيروهاي جاذبه، الكترومغناطيسي، هسته‌اي ضعيف و هسته‌اي قوي. كيهان‌شناسان معتقدند اين چهار نيرو در واقع برآمده از يك ابرنيرو‌ي واحد هستند كه بلافاصله پس از انفجار بزرگ به 4 نيروي ظاهرا متفاوت شكسته شد. آنها بر اين باورند كه در محيط‌هاي بسيار پرانرژي اين نيروها دوباره تبديل به يك ابرنيرو‌ مي‌شوند، بنابراين در جستجوي نظريه‌اي هستند كه بتواند اين 4 نيرو را از جنبه نظري با يكديگر تركيب كند و علم فيزيك را از نظريه‌هاي گوناگوني كه گاهي از يك پديده واحد، تفسيرهاي متفاوت ارائه مي‌دهند، برهاند. نخستين دستاورد در جهت رسيدن به اين هدف، تركيب موفقيت‌آميز نيروي هسته‌اي ضعيف و الكترومغناطيسي تحت عنوان نيروي« الكترو ـ‌ ضعيف» بود. شبيه‌سازي لحظات اوليه انفجار بزرگ بهترين روش براي درك چگونگي اتحاد نيروها و رفتار ذرات بنيادي در انرژي‌هاي بسيار بالاست. اين شبيه‌سازي در حال حاضر در مركز اتمي سرن انجام مي‌شود. آزمايشگاه عظيمي كه با استفاده از دستگاه‌هاي شتاب‌دهنده ذرات و برخورد دادن پرتوهاي پرانرژي به يكديگر و شبيه‌سازي آنچه در چند هزارم ثانيه پس از انفجار بزرگ روي داد، تلاش دارد تا درهاي جديدي را به روي دانشمندان بگشايد و رازهاي زيادي را برايشان برملا كند.

تاريخچه

سازمان اتمي اروپايي سرن يك سازمان بين‌المللي است كه بزرگ‌ترين آزمايشگاه فيزيك ذرات جهان را اداره مي‌كند و در شمال غربي ژنو، در مرز ميان سوئيس و فرانسه واقع شده‌است. سرن در سال 1954 با هدف تحقيق روي هسته اتم‌ها تاسيس شد ولي كاربرد اصلي آن در حال حاضر ساخت و راه‌اندازي شتاب‌دهنده‌هاي ذرات و ديگر زيرساخت‌هاي مورد نياز براي تحقيقات فيزيك در محيط‌هاي بسيار پرانرژي است. بيشترين پروژه‌هاي حال حاضر سرن در آزمايشگاه ال اچ سي يا برخورددهنده بزرگ هادرون متمركز است. تونل ال اچ سي 100 متر زير سطح زمين، بين فرودگاه ژنو و حوالي كوهستان ژورا واقع است. 7 آزمايشگاه فعال در مركز از داده‌هاي ال‌ اچ‌ سي استفاده مي‌كنند و هريك، از جنبه‌هاي مختلف و با فناوري‌هاي گوناگون به تحليل داده‌ها مي‌پردازند. ساخت اين آزمايشگاه‌ها با تلاش طاقت‌فرساي مهندسان امكانپذير شد. به‌عنوان مثال به‌منظور جابه‌جايي قطعات 2000 تني ماشين آشكارساز ذرات در آزمايشگاه سي ام اس و انتقال آنها به زير سطح زمين جرثقيل‌هاي ويژه‌اي از كشور بلژيك وارد شد. سرن توسط 12 كشور تاسيس شد ولي درحال حاضر 20 عضو ثابت و 7 عضو ناظر دارد. حدود 40 كشور غيرعضو از جمله ايران نيز با اين مركز تفاهمنامه همكاري امضا كرده‌اند. به‌گفته مسوولان وزارت علوم، ايران در حال حاضر در زمينه ساخت برخي تجهيزات آزمايشگاه سي ام اس كه يكي از 7 آزمايشگاه فعال در مركز است مشاركت دارد. بودجه سالانه اين مركز كه حدود يك ميليارد دلار است، توسط 20 كشور عضو پرداخت مي‌شود و كشورهاي ديگر براي استفاده از تجهيزات و حضور در آزمايشگاه‌ها حق عضويت پرداخت مي‌كنند. حدود 8000 دانشمند و مهندس از 608 دانشگاه و مركز تحقيقاتي از 113 كشور جهان در «سرن» مشغول به فعاليت هستند. دستاوردهاي اين مركز و نقش انكار ناپذير آن در پيشرفت علم حائزاهميت است، به طوري كه مركز اتمي سرن را مي‌توان يكي از خبرسازترين مراكز علمي سراسر جهان به شمار آورد. از موفقيت‌هاي سرن مي‌توان به كشف بوزون‌هاي دبليو و «زد» كه وجودشان قبلا توسط نظريه نيروي الكترو ـ ضعيف پيش‌بيني شده بود، نام برد. كارلو روبيا و سيمون فاندرمير، هر دو از سرن، به خاطر پيشرفت‌هايي كه منجر به كشف اين ذرات بنيادي شد، جايزه نوبل فيزيك 1984 را دريافت كردند. توليد اتم‌هاي پادهيدروژن در سال 1995 و جداسازي 38 عدد از اين اتم‌ها و نگهداري آنها به‌مدت بيش از 15 دقيقه در سال‌هاي 2010 و 2011 از ديگر افتخارات اين شاهكار مهندسي محسوب مي‌شوند. نوبل فيزيك 1992 نيز به يكي ديگر از دانشمندان سرن به نام جورجيز چاپارك براي ساخت دستگاه‌هاي آشكارساز ذرات اهدا شد.

اشتباه سال گذشته

​سپتامبر 2011 آزمايشگاه اپرا در مركز اتمي گرن‌ساسو‌ي كشور ايتاليا با همكاري سرن آزمايشي انجام دادند كه نتيجه آن باعث ايجاد ابهام در صحت نظريه نسبيت اينشتين شد. آنها اعلام كردند نوترينو‌هاي شليك شده از مركز ‌سرن‌ مسافت 730 كيلومتري ژنو تا گرن‌ساسو را 60 هزار ميليونيم ثانيه سريع‌تر از نور پيموده‌اند. خبري كه براي فيزيكدانان مانند يك شوك ناگهاني بود چراكه بنيان فيزيك جديد مانند نظريه ريسمان‌ها و نظريه‌ام بر نسبيت بنا شده است. ​ اوايل سال 2012 يكي ديگر از آزمايشگاه‌هاي مركز گرن‌ساسو به نام ايكاروس با تحليل مجدد نتايج آزمايش و كنترل دستگاه‌هاي اندازه گيري اعلام كرد كه نتيجه حاصل ناشي از عدم اتصال صحيح كابل فيبر نوري يك واحد جي پي اس به يك كارت الكترونيكي بوده است. اين كابل وظيفه تصحيح زمان حركت نوترينوها را به عهده داشته كه با توجه به خطاي پيش آمده، عملا از مدار خارج شده است. بعد از برقراري اتصال موردنظر و اندازه‌گيري زمان انتقال داده‌ها در طول فيبر نوري مشخص شد كه ‌نوترينو‌ها از سرعت نور پيشي نگرفته‌اند و نسبيت مي‌تواند همچنان به حاكميت خود ادامه دهد.

كشف جديد

در چند روز گذشته بار ديگر سرن با اعلام توليد و مشاهده يك ذره زيراتمي در برخورد دهنده بزرگ هادرون، در راس اخبار علمي جهان قرار گرفت.

ذره جديد كه ايكس آي بي استار نام دارد، از خانواده باريون‌هاست. باريون‌ها ذراتي هستند كه از 3 كوارك تشكيل مي‌شوند. پروتون و نوترون كه هسته اتم‌ها را تشكيل مي‌دهند؛ معروف‌ترين باريون‌ها هستند. كوارك‌ها به 6 نوع تقسيم مي‌شوند كه در جرم و بار الكتريكي با يكديگر تفاوت دارند. تمامي تركيباتي كه كوارك‌هاي سبك‌تر با يكديگر تشكيل مي‌دهند براي دانشمندان شناخته شده بود ولي ذره جديد از 2 كوارك سنگين و يك كوارك سبك ساخته مي‌شود. وجود اين ذره در مدل‌هاي فيزيك ذرات پيش‌بيني شده بود ولي دانشمندان هرگز موفق به مشاهده آن نشده بودند. البته پيوند ميان كوارك‌هاي اين باريون به‌قدري ناپايدار است كه در زمان فوق‌العاده كوتاهي فروپاشيده و به ذرات ديگر تبديل مي‌شود. به دليل همين ناپايداري نمي‌توان اين ذره را به صورت مستقيم مشاهده كرد بلكه تحليل اثرات ناشي از فروپاشي، وجود آن را اثبات مي‌كند. در روي زمين اين ذره تنها در ال اچ سي وجود دارد. در فضا نيز زماني كه يك پرتو پر انرژي كيهاني به سطحي مثل سطح ماه برخورد مي‌كند باريون‌ مورد نظر امكان تشكيل مي‌يابد. ايكس آي بي استار‌ كه جرمي تقريبا برابر جرم اتم ليتيم دارد از برخورد دو پرتو فوق‌العاده پرانرژي پروتون با انرژي 7 هزار ميليارد الكترون ولت، كه خلاف جهت يكديگر درحال حركت بودند، به وجود آمد. (انرژي يك پروتون در حالت معمولي برابر يك ميليارد الكترون ولت است.) كارلوس لورنكو، محقق ارشد سرن مي‌گويد: «اين كشف، درك ما را از پيوندهاي ميان كوارك‌ها افزايش مي‌دهد و نظريه نيروي هسته‌اي قوي را تقويت مي‌كند. ضمن اين‌كه چشم‌انداز روشني براي كشف ذرات ديگر ترسيم مي‌كند.» وينچنزو چيوچيا يكي ديگر از مجريان ارشد آزمايش مي‌گويد: «آشكارسازي اين ذره، فوق‌العاده مشكل است. تشخيص اين فرآيند فروپاشي بسيار پيچيده، به ما اعتماد به نفس بيشتري نسبت به توانايي‌مان براي يافتن ديگر ذرات مي‌دهد. در واقع كشف اين نوع ذرات، دانشمندان را بيشتر نسبت به برهمكنش‌هاي ماده و انرژي آگاه مي‌سازد.» بدون شك منظور لورنكو و چيوچيا از ذرات ديگر، بوزون هيگز است. ذرهاي كه وجود آن سال‌ها پيش توسط مدل استاندارد فيزيك ذرات پيش‌بيني شده ولي هنوز حلقه مفقوده اين مدل محسوب مي‌شود. مدل استاندارد پيشبيني مي‌كند هر مكانيسمي كه قادر باشد ذرات بنيادي را توليد كند در انرژي‌هاي بالاتر از 4‌/‌1 ترا الكترون ولت قابل مشاهده است، درحالي كه دستگاه ال اچ سي به انرژي 7 ترا الكترون ولت دست يافته است. بدون شك آشكارسازي بوزون هيگز بزرگ‌ترين دستاورد سرن در تمام سال‌هاي فعاليتش خواهد بود.

مسعود توكلي / جام جم