تلاش برای کشف رموز هستی در زیر زمین 

در علم فیزیک بسیاری از ناشناخته ها وجود دارند که برای حل آنها پژوهشگران از راه های مختلفی اقدام به تلاش برای حل این راز و رمز ها میکنند .

در مرکز تحقیقات سرن اروپا ۵ سال پیش انفجار بزرگ شبیه‌سازی شد. کمی بعد با کمک “برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی” یکی از اجزای اساسی سازنده جهان کشف شد؛ ذره هیگز. پژوهش‌ها برای آشکار کردن ذره‌ها به منظور تایید آن‌ها، ادامه دارد.

روز ۳۰ مارس سال ۲۰۱۰ دانشمندان فیزیک اتمی در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی LHC سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای، یک انفجار انجام دادند. منتقدان پروژه انفجار بزرگ‌ تلاش کردند پیش از ادامه تحقیقات، از راه‌های قانونی جلوی این پژوهش‌ها را بگیرند. تلاشی بی‌نتیجه. پژوهش‌ها ادامه یافت.

دروازه‌ای به دنیای یون‌های پرشتاب

سال ۲۰۱۳ ذره‌ی هیگز کشف شد: در آشکارساز (رهیاب) “اطلس”، یکی از بزرگترین دوربین‌های دیجیتال و گیرنده و ثبت‌کننده‌ی اثرات برخورد ذره‌ها. دوربینی با توانایی عکاسی از کوچکترین ذره‌های جهان هستی؛ عکاسی از هسته‌ی اتم.

این تصویر که بر دیوار مرکز تحقیقات نقش بسته‌ است، تصوری از بزرگی “اطلس” به بیننده می‌دهد. “اطلس” اصلی ۹۰ متر پایین‌تر، زیر زمین است و البته بزرگتر از این نقاشی دیواری.

اجبار استفاده از کلاه ایمنی برای عکاسان ذره

چهار دوربین آشکارساز ذرات، در امتداد برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی (بزرگترین شتاب‌دهنده اتمی جهان) تعبیه شده‌اند که “آلیس”، “اطلس”، “سی‌ام‌اس” و “ال‌اچ‌سی‌بی” نام داردند. کسی که می‌خواهد این دوربین‌ها را از نزدیک ببیند، باید ده‌ها متر در دل کوه‌های آلپ (در فرانسه و سویس) پایین برود.

جایی که گذاشتن کلاه ایمنی به دلیل وجود لوله‌ها و تاسیسات فراوان، اجباری است.

نگارگری از انفجار بزرگ

نمونه‌ای از تصاویری که آشکارسازها ثبت می‌کنند. با برخورد پروتون‌ها (برای نمونه در آشکارساز “سی‌ام‌اس”) یا یون‌های سرب که با سرعت نور به یکدیگر برخورد می‌کنند، کوچک‌ترین ذرات بنیادی آزاد می‌شوند؛ برای نمونه ذره‌ی تازه کشف شده‌ی هیگز.

این‌ها ذراتی هستند که جهان هستی ما در یک بیلیونیوم ثانیه‌ی ابتدايی انفجار بزرگ از آن‌ها تشکیل شده‌است.

راهی برای حرکت با سرعت نور

در این لوله یون‌های سرب و پروتون‌های هیدروژن شتاب داده می‌شوند و در مجرایی از خلا با سرعت یک قطار سریع به پرواز درمی‌آیند. آهن‌رباهای الکتریکی از انحراف مسیر آن‌ها جلوگیری می‌کنند. این تونل به درازای ۲۷ کیلومتر زیر سوییس و فرانسه قرار دارد.

ورود به این سیستم از طریق چهار آشکارساز ممکن است. برخورد ذرات هم در همین جا صورت می‌گیرد.

نه یک لوله، بلکه دو لوله

این سیستم عظیم که در تونل دایره‌ای شکل به طول ۲۷ کیلومتر قرار دارد، میلیاردها پروتون را با کمک بیش از هزار آهن‌ربای ابررسانا، در دو مسیر موازی، در جهت وارون یکدیگر با سرعت بسیار نزدیک به سرعت نور شتاب می‌دهد.

ابر یخچال سرن

آهن‌‌رباهای الکتریکی که پرتوهای ذرات را ثابت نگه می‌دارند، از سیم‌پیچ‌های ابررسانا تشکیل شده‌اند. کابل‌ها تا منهای ۳ / ۲۷۱ درجه سانتی‌گراد سرد می‌شوند و به این ترتیب مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند.

شتاب‌دهنده‌ی ذرات به هلیوم مایع زیادی نیاز دارد که این جا درون این تونل به جریان می‌افتد. به این ترتیب می‌توان گفت که “سرن” بزرگترین یخچال جهان را به‌کار می‌اندازد.

آهن‌رباهایی با دقت بسیار بالا

برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی یک دایره دقیق نیست، بلکه از مسیرهای مستقیم تشکیل شده‌ که به وسیله‌ی انحناهایی تغییر می‌کنند. در محل انحناها آهن‌رباها تعبیه شده‌اند که مسئول تغیر دادن مسیر پرتوها هستند. آهن‌رباهای الکتریکی به شدت دقیق هستند.

کمی پیش از لحظه‌ی برخورد، پرتو را چنان متمرکز می‌کنند که دو پروتون با احتمال بسیار بالا با یکدیگر روبرو شوند. برخورد نهایی درست در مرکز آشکارساز رخ می‌دهد.

همه چیز باید از این سوراخ بگذرد

آشکارسازها به بزرگی ساختمان‌های چند طبقه‌اند. آن‌ها باید به صورت قطعات بسیار زیاد مجزا به دل کوه انتقال یابند. مثلا از طریق این شکاف تنگ. زیر این حفره، فضایی غارمانند وجود دارد. “آلیس” در این نقطه کار گذاشته شده است. درست مثل یک کشتی در بطری شیشه‌ای.

دوربین دیجیتال با ۸ هزار تصویر در ثانیه

تصویر، آشکارساز آلیس را در حالی که باز شده ‌است، نشان می‌دهد. در حال کار، در مرکز آلیس پرتوهای یونی به یکدیگر برخورد می‌کنند.

ذراتی که در اثر این برخوردها به وجود می‌آیند در سوهای گوناگون به پرواز درمی‌آیند و از چندین لایه از برگه‌های سیلیسیومی می‌گذرند- برگه‌های سیلیسیومی مانند چشم‌های الکترونیک دوربین‌های دیجیتال عمل می‌کنند. این چیپس‌ها و آشکارسازها اثرات گذر ذره را ضبط می‌کنند.

آهن‌ربای الکتریکی ذره را قابل تشخیص می‌کند

این بخش آبی‌رنگ یک آهن‌ربای عظیم الکتریکی است، بخشی مهم از آشکارساز “آلیس”. محیطی که این آهن‌ربا به وجود می‌آورد، تشخیص ذراتی را که در نتیجه‌ی برخورد به وجود آمده‌اند، امکان‌پذیر می‌کند. بسته به راستایی که ذره‌ها به آن سو در پروازند، پژوهشگران می‌توانند بار مثبت، منفی یا خنثای ذره را مشخص کنند.

بال‌هایی برای شکار میون‌ها

آشکارساز “اطلس” دستگاه‌های اندازه‌گیری ویژه‌ای دارد که طیف‌سنج میون نامیده‌می‌شوند. این طیف‌سنج‌ها مانند بال‌های بزرگ بیرون از هسته‌ی رهیاب قرار دارند. به این ترتیب امکان شکار میون، ذره بنیادی با جرم ۲۰۷ برابر جرم الکترون به دست می‌آید.

زیرنظر گرفتن اعجاز علمی از فاصله‌ای امن

همه‌ی آشکارسازها دارای اتاق کنترل این‌چنینی هستند. وقتی که شتاب‌دهنده‌ی ذرات مشغول کار است، هیچ‌کس اجازه‌ی حضور در تاسیسات زیر زمینی را ندارد.

یک پرتو پروتونی از کنترل خارج شده قادر به ذوب کردن ۵۰۰ کیلو گرم مس است. خطر یخ‌زدگی و خفگی هم به ذلیل هلیوم‌هایی که از سیستم خارج می‌شوند، وجود دارد. همچنین پرتوهای ذره‌‌ای قادرند مواد رادیواکتیو تولید کنند.

این همه عکس به چه درد می‌خورد؟

چهار آشکارساز ذرات در هر ثانیه ۴۰ میلیون بار داده می‌دهند. از آنجا که همه‌ی برخوردها برای دانشمندان مهم نیستند، این اطلاعات دست‌چین می‌شوند. در پایان تنها ۱۰۰ برخورد بر ثانیه که از نظر علمی جالب هستند، باقی می‌مانند با حجمی برابر ۷۰۰ مگابایت در ثانیه. همه‌ی داده‌ها ابتدا سر از مرکز پردازش سرن درمی‌آورند.

شبکه‌ی کامپیوتری جهانی

داده‌هایی که سرن هر ساله جمع‌آوری می‌کند اگر بر روی سی‌دی ضبط شوند و سی‌دی‌ها بر روی هم انباشته شوند، ۲۰ کیلومتر طول خواهند داشت. به دلیل حجم بالای داده‌ها، این اطلاعات در سراسر جهان تقسیم می‌شوند. بیش از ۲۰۰ دانشگاه و مرکز تحقیقاتی به کامپویترهای مرکز سرن متصل شده‌اند.

داده‌هایی برای بشریت

دانشمندان فیزیک ذرات از سراسر جهان به داده‌های مرکز سرن دسترسی دارند. سرن خود را یک مرکز خدماتی برای دانشگاه‌ها و بنیادهائی می‌داند که در بخش پژوهش‌های بنیادی مشغول کار و مطالعه هستند. چرا که سرن این پروژه را پروژه‌ای برای تمامی بشریت می‌داند.