9هزار فیزیکدان، متخصص و مهندس از سراسر جهان در این مرکز با زیر نظر گرفتن رفتار ذرات و آثار این برخورد ها به مطالعه چگونگی بوجود آمدن جهان و حتی دلیل بوجود آمدن آن می پردازند. هر لحظه از این آزمایش به ما در درک جهان کمک می کند و هزاران راز خلقت را آشکار می سازد.

شاید این روزها خبر ها و عکس هایی از برخورد دهنده بزرگ هادرون (Large Hadron Collider:LHC) دیده باشید. خوب به هر حال این آدم های به ظاهر بیکار حتماً در حال تلاش برای هدفی مهم هستند که رسانه ها کار آن ها را «آزمایش مهبانگ(Big Bang)» یا «بزرگترین آزمایش تاریخ» می خوانند. بیایید در اینجا کمی بیشتر در مورد این آزمایش و این همه تجهیزات غول پیکر بدانیم و یک قدم از دوستان خود جلو بزنیم.

این آزمایش حاصل کار یک تونل و یک شتاب دهنده در ۱۰۰متر زیر مرز فرانسه و سوئیس است. LHC قسمتی از پروژه آزمایشی سازمان تحقیقات هسته ای اروپا یا CERN است و تمام پروژه ۶میلیارد دلار هزینه برده است.

چند لحظه بعد از شروع این آزمایش آهنربا های الکتریکی غول پیکری اتم ها و شعاع های اتمی را با سرعتی نزدیک به سرعت نور به حرکت در می آورد و با هم برخورد می دهد.

در جستجوی راز هستی

۹هزار فیزیکدان، متخصص و مهندس از سراسر جهان در این مرکز با زیر نظر گرفتن رفتار ذرات و آثار این برخورد ها به مطالعه چگونگی بوجود آمدن جهان و حتی دلیل بوجود آمدن آن می پردازند. هر لحظه از این آزمایش به ما در درک جهان کمک می کند و هزاران راز خلقت را آشکار می سازد.

دانشمندان برای درک بهتر این اسرار از نظریه ای به نام مدل استاندارد استفاده می کنند. این نظریه ترکیبی از نظریه نسبیت اینشتین و تئوری کوانتوم است. این نظریه با سه تا از چهار نیروی اساسی جهان یعنی نیروی قوی هسته ، نیروی ضعیف هسته و نیروی الکترومغناطیس سر و کار دارد و با نیروی چهارم که نیروی جاذبه است سر و کاری ندارد.

این نظریه توضیحاتی در مورد چندین پدیده فیزیکی دارد که درستی بسیاری از آن ها با انجام آزمایش های فراوان به اثبات رسیده و یا تا حد قابل قبولی به اثبات درستی آن ها نزدیک شده ایم. ولی جنبه های دیگر این نظریه همچنان در ابهام قرار دارد. یکی از ذرات زیر اتمی که توضیحی برای آن ارائه نشده است ذره «هیگز» (Higgs) است.

تحقیق بر روی این ذره می تواند به این سوال پاسخ دهد که چرا جرم وجود دارد؟ چرا اجسام جرم دارند؟

دانشمندان ذراتی را می شناسند که جرمی ندارند. مانند نوترون. ولی در مقابل ذراتی وجود دارند که جرم دارند. دانشمندان برای توضیح این پدیده به سراغ مکانیزم هیگز رفته اند. بر اساس این قسمت از نظریه باید ذره ای وجود داشته باشد و به همراه آن یک نیرو که به اجرام جرم بدهد. این درحالی است که بعضی از دانشمندان معتقدند که ممکن است این ذره حتی وجود نداشته باشد و بعضی هم معتقدند که این آزمایش نه تنها ما را به حقایقی از این قبیل می رساند بلکه ممکن است چیز هایی را به ما نشان دهد که ما حتی آن ها را در نظر نگرفته ایم.

موضوع دیگری که دانشمندان به دنبال کشف آن هستند ریشه در پیدایش جهان ماده دارد. در ابتدا انرژی و ماده با هم در آمیخته بودند. بعد از اینکه ماده و انرژی در ابتدای خلقت از هم جدا شدند ذرات ماده و پادماده یکدیگر را خنثی کردند. اگر این دو مقدار مساوی بود آنوقت دیگر ماده ای برای ما باقی نمی ماند و این دو ذره یکدیگر را کاملاً از بین می بردند. ولی خوشبختانه بیشتر از مقدار پاد ماده، ماده وجود داشت.

دانشمندان امیدوارند که این فرایند و وجود پاد ماده را در آزمایش LHC مشاهده کنند و به این سوال پاسخ دهند که چرا تفاوتی در مقدار ماده و پاد ماده وجود داشته است.

«ماده تاریک» نیز یکی از مقاصد مهم دانشمندان در این آزمایش است. درک کنونی ما از جهان نشان می دهد که مقدار ماده ای که می بینیم و در اطراف ما و کهکشان ما قرار دارد تنها ۴درصد کل ماده در جهان است و دانشمندان از روی حرکات کهکشان های اطراف ما حدس می زنند که مقدار ماده ای وجود دارد که ما قادر به رویت آن نیستیم و نام ماده تاریک را بر آن نهاده اند.

با این حال تمام ماده ای که در جهان وجود دارد، یعنی ماده قابل رویت و ماده تاریک تنها ۲۵درصد از جهان را تشکیل می دهند. فرضیات می گویند که باقی جهان از انرژی که نام آن را «انرژی تاریک» می گذارند تشکیل شده است. دانشمندان با انجام آزمایش ها و مشاهدات مختلف در LHC امیدوارند که اثباتی برای این فرضیات پیدا کنند و یا به نتایجی برسند که توضیحات متفاوتی برای این پدیده ها ارائه بدهد.

این پیش بینی های عجیب و تکان دهنده تنها بخشی از اهداف آزمایشات دانشمندان در LHC است و ممکن است آزمایشات آن ها به نتایج باورنکردنی دیگری نیز برسد.

اگر به نظر شما ماده پاد ماده و ماده و انرژی تاریک خیلی هم عجیب نیستند شاید بخواهید بدانید که بعضی دانشمندان معتقدند که LHC به آن ها کمک می کند تا به ابعادی بیشتر از ابعاد فعلی دنیای ما برسند. ما تا به حال تحت چهار بعد، یعنی ۳ بعد فضایی طول و عرض و ارتفاع ؛ و زمان زندگی کرده ایم و یا شاید تنها اینطور فکر می کنیم و ابعاد دیگری نیز وجود دارند!

بعضی از نظریه های فیزیک تنها در ابعادی بیشتر از ابعاد ۴گانه ما درست هستند. برای مثال حالتی از نظریه ریسمان (StringTheory) تنها در ابعاد بالای ۱۱تا به نتیجه می رسد.

نظریهٔ ریسمان شاخه ای از فیزیک نظری و بیشتر مربوط به حوزه فیزیک انرژی های بالاست .این نظریه در ابتدا برای توجیه کامل نیروی قوی به وجود آمد ولی پس از مدتی با گسترش کرومودینامیک کوانتومی کنار گذاشته شد و در حدود سالهای ۱۹۸۰ دو باره برای اتحاد نیروی گرانشی و برطرف کردن ناهنجاری های تئوری ابر گرانش وارد صحنه شد. بنا بر آن ماده در بنیادین ترین صورت خود نه ذره بلکه ریسمان مانند است. یعنی تمام ذرات بنیادین (مثل الکترون، پوزیترون و فوتون) اگر با بزرگنمایی خیلی خیلی زیاد نگریسته شوند ریسمان دیس هستند. ریسمان می تواند بسته (مثل حلقه) یا باز (مثل بند کفش) باشد. توضیح اینکه چرا ابعادی بیشتری برای طرح این نظریه و وجود ریسمان ها لازم است مربوط به مباحث فیزیک نظری و نظریه گروه ها در ریاضی است.

این نظریه در بین فیزیکدانان و دانشمندان طرفداران زیادی دارد و آن ها امیدوارند که LHC به آن ها کمک کند تا نظر منتقدان را کمی تغییر دهند و قسمت هایی از درستی نظریه ریسمان را ثابت کنند.

LHC و حساب و کتاب آن!

تمام این ها به تاسیسات عظیمی در مرز بین فرانسه و سوئیس وابسته است. محیط تونل شتاب دهنده و سالن ها برخورد دهنده ۲۷ کیلومتر است و در ۱۰۰متری زیر زمین قرار دارد. تأسیسات کنترل و محل کار دانشمندان و مهندسین بالای این دستگاه ها و در سطح زمین است و دسترسی به تونل ها از طریق آسانسور و پله انجام می پذیرد.

شتاب دهنده با آهنرباهای بسیار قوی کار می کند و به ذرات سرعتی برابر ۹۹.۹۹درصد سرعت نور می دهد. این آهنرباها از نوع ابر رسانا هستند و صدها تون وزن دارند. در ساخت تونل شتاب دهنده از ۹۶۰۰ قطعه از این آهنرباها استفاده شده است. برای سرد کردن آهنرباها دمای آن ها را به ۲۷۱.۲۵ درجه سلسیوس زیر صفر می رسانند. این دما حتی از خلأ خارج از جو نیز سردتر است.

نامی از خلأ بردیم و بهتر است بدانید که مسیر تونل شتاب دهنده برای گذر شعاع ذرات عاری از هرگونه مولکول اضافی است. حتی یک مولکول مزاحم نیز می تواند مسیر حرکت شعاع ها را تغییر دهد و پمپ های تخلیه بسیار پرقدرتی وظیفه تخلیه تونل ها را دارند که حتی یک مولکول گازی شکل را نیز از قلم نمی اندازند

LHC و تمام آزمایش های آن دارای ۱۵۰میلیون حسگر و شناساگر هستند. اطلاعاتی که این حسگر ها در هر ثانیه به کامپیوتر ها و مراکز پردازش اطلاعات می فرستند ۷۰۰مگابایت است! این به این معنی است که اگر LHC به طور بی وقفه در یک سال کار کند ۱۵میلیون گیگابایت اطلاعات از آزمایشات آن جمع آوری می شود.

شاید به فکر انرژی که این مرکز مصرف می کند نیز افتاده باشید. پیش بینی می شود که LHC سالانه ۸۰۰هزار مگاوات ساعت برق مصرف کند. هزینه این مقدار برق ۱۹میلیون یورو تخمین زده می شود!

اساس کار این آزمایش به این گونه است که دو شعاع ذرات را از دو جهت مخالف به سمت یکدیگر می فرستند و بعد از برخورد آن ها به هم رفتار آن ها را مشاهده می کنند.

در قلب LHC

بیایید به سفر یک پروتون در LHC نگاهی بیندازیم. ابتدا دانشمندان از اتم هیدروژن الکترون را خارج می کنند تا پروتون از آن باقی بماند. سپس پروتون ها وارد LINAC۲ می شوند. این دستگاه ها پروتون ها را به داخل شتاب دهنده ای به نام PS Booster شلیک می کند. از فرکانس های رادیویی خاصی برای شتاب دادن به پروتون و از آهنربا های ابر رسانا برای نگاه داشتن آن ها در مسیر استفاده می شود.

وقتی پروتون به سرعت مناسب می رسد، PS Booster آن را به دستگاه دیگری به نام SuperProtonSynchrotron می فرستد. در این مرحله پروتون ها به گروه هایی تقسیم بندی می شوند و در همین گروه ها حرکت می کنند. هر گروه دارای ۱۱^۱۰۱.۱ پروتون است و در هر شعاع ۲۸۰۸گروه وجود دارد. این دستگاه شعاع ها را در جهتی مخالف یکدیگر حرکت می دهد.

در داخل LHC و بعد از ۲۰دقیقه شعاع ها ۱۱۲۴۵ بار در داخل تونل می چرخند و در یک ثانیه ۶۰۰میلیون بار برخورد می کنند.

با برخورد پروتون ها با هم ذراتی کوچکتر تشکیل می شوند. از فروپاشی پروتون ذراتی شکل می گیرند که عمر آن ها چند هزارم ثانیه است. حسگر ها اطلاعات تشکیل و تبدیل این ذرات زیر اتمی را دریافت و آن ها را به مراکز پردازش اطلاعات می فرستند.

در این میان بعضی از پروتون ها با یکدیگر برخورد نمی کنند و تا جایی که به مرحله فروپاشی برسند به حرکت ادامه می دهند. در این مرحله پروتون های اضافی توسط پرده ای از گرافیت جذب می شوند.

پردازش اطلاعات

طراحان سیستم کامپیوتری و پردازشی CERN به جای استفاده از ابر کامپیوترها برای انجام محاسبات، از روش پردازش موازی یا Parallel Computing استفاده می کنند. به این ترتیب که اطلاعات به جای پردازش در داخل مرکز به چندین کامپیوتر در نقاط مختلف فرستاده می شود و هر کامپیوتری قسمتی کوچک از پردازش را انجام می دهد ولی در عوض مجموع این پردازش ها، انبوهی از اطلاعات پردازش شده و آماده مطالعه می شود.

گروه اول کامپیوتر های این شبکه در داخل CERN قرار دارد و اطلاعات را برای پردازش به قسمت های کوچکی تقسیم می کند. دوازده گروه کامپیوتر دیگر در دوازده کشور شامل: کانادا، فرانسه، آلمان، ایتالیا، اسپانیا، سوئیس، تایوان، هلند، انگلستان، آمریکا و یکی از کشور های اسکاندیناوی اطلاعات را با استفاده از اتصال های که سرعتشان به ۱۰گیگابایت بر ثانیه می رسد، دریافت و پردازش می کند.

در مرحله ای دیگر گروهی از کامپیوتر های کوچک تر شامل کامپیوتر های دانشگاه ها و مراکز علمی به کمک کامپیوتر های دیگر می آیند و بعد از اتمام کار پردازش اطلاعات را به کامپیوتر های بالایی خود می فرستند و سرانجام به CERN. [هکر ها به LHC نفوذ کردند]

آیا LHC زندگی ما را تهدید می کند؟

گروهی از مردم معتقدند که آزمایشاتی از این قبیل ممکن است مشکلات جدی برای سیاره ما بوجود آورد. دو نفر از بازنشسته های بازرسان هسته ای در مارچ ۲۰۰۸ شکایتی را به دادگاه ایالتی هاوایی بردند و با مطرح کردن شکایت خود خواستار توقیف LHC شدند.

این نگرانی ناشی از این دیدگاه است که آزمایشات LHC باعث ایجاد سیاه چاله هایی می شود. سیاه چاله ها اجسام یا ناحیه هایی غیر شناخته شده و غیر مطالعه شده هستند که اجرام را در خود فرو می برند و آن ها را به انرژی و ماده هایی با چگالی بی نهایت تبدیل می کند.

مسئولین CERN نیز با قدرت تمام این حرف ها را تأیید کردند! ولی به مردم این اطمینان را دادند که مقدار سیاه چاله های ایجاد شده در LHC آنقدر کم است که در کمتر از ثانیه نابود می شوند.

دیدگاهی که از سیاه چاله ها وجود دارد، مربوط به نابود شدن ستاره ها در کهکشان های دیگر است. ولی روشن است که جرم نابود شده با مقدار سیاه چاله مرتبط است و مقدار پروتون در LHC با جرم ستار ه ها قابل مقایسه نیست.

نگرانی های دیگری نیز وجود دارد. بعضی ها از Strangelets ها حرف می زنند. گیتی شناس ها بر این باورند که این ناحیه ها باعث ایجاد میدان گرانشی قوی می شود که ممکن است زمین را به ویرانه ای تبدیل کند.

مسئولین CERN بار دیگر با قدرت و اطمینان به این اعتراضات نیز پاسخ دادند! آن ها می گویند که اولاً Strangelets ها تنها زایده یک فرضیه هستند و هیچ مشاهده ای وجود آن ها و اثراتشان را ثابت نمی کند. دوماً اینکه اگر هم همچنین ناحیه های بوجود آیند بسیار ضعیف و نا پایدار خواهند بود. جواب تقریباً قانع کننده دیگری نیز به این اعتراضات داده شده است. بعضی می گویند که این Strangelets ها زایده تشعشعات کیهانی هستند و اگر وجود هم داشته باشند حتما تا به حال به زمین نزدیک شده اند و با توجه به اینکه زمین هنوز زمین است و ما انسان ها هنوز هم در آن زندگی می کنیم، Strangeletsها را خیلی هم نباید جدی گرفت!

اکثریت دانشمندان و صاحب نظریان بر این باورند که این آزمایش افق دید ما را در درک بهتر جهان گسترس می دهد. تلسکوپی که گالیله ساخته بود در حد دوربین هایی که امروزه همه جا می توان آن ها را خریداری کرد، قدرت بزرگنمایی داشت ولی با این حال ما را به درک بهتر کهکشانمان رساند. آزمایش هایی مانند LHC با اینکه ممکن است در اول راه خود باشند ولی با این حال می تواند در آینده، علم دانش بشری را به دوردست ببرد.