بزرگ‌ترین ماشین دنیای علم: دانشمندان در تلاش برای ساخت قوی‌ترین برخورددهنده ذرات دنیا

در آزمایشگاه سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای یا سرن (CERN) در مرز سوئیس و فرانسه بحث‌ها و تلاش‌های جدی درباره برنامه‌های آینده فیزیک ذرات در جریان است. رهبران سرن قصد دارند بزرگ‌ترین ماشین روی زمین را بسازند: برخورد‌دهنده عظیم اف‌سی‌سی (FCC) که قرار است در سال ۲۰۷۰ افتتاح شود و به‌قدری بزرگ خواهد بود که برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) که هم‌اکنون مهم‌ترین تأسیسات این آزمایشگاه است، در مقایسه با آن بسیار کوچک خواهد بود.

طرح برخورددهنده اف‌سی‌سی (FCC) منحصر‌به‌فرد و بی‌سابقه است. این دستگاه قرار است در تونلی زیرزمینی به محیط ۹۱ کیلومتر، یعنی سه برابر تونل فعلی برخورددهنده هادرونی بزرگ قرار گیرد.

ساخت برخورددهنده اف‌سی‌سی حداقل ۳۰ میلیارد دلار هزینه خواهد داشت. این برخورددهنده قرار است پروتون‌ها را با انرژی هشت برابر انرژی برخورددهنده هادرونی بزرگ به یکدیگر برخورد دهد. با افزایش انرژی برخورد ذرات، ممکن است ذرات جدیدی کشف شوند. این ذرات می‌توانند به حل سوالات مهمی درمورد مدل استاندارد (بهترین نظریه فعلی فیزیک در مورد میدان‌ها و ذرات بنیادی مختلف جهان) کمک کنند. همچنین این کشفیات ممکن است به حل برخی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک مانند ماهیت ماده تاریک کمک کنند.

هنوز فناوری‌های لازم برای دستیابی به چنین انرژی‌های بالایی آماده نشده است. بنابراین، به جای ساخت دستگاه پیچیده برای دستیابی به این انرژی‌ها، ابتدا تونل حفر و دستگاه ساده‌تری در آن نصب می‌شود. این دستگاه قرار است از حدود سال ۲۰۴۵ شروع به برخورد الکترون‌ها و پادذرات آن‌ها یعنی پوزیترون‌ها کند.

برخورددهنده موقت قرار است تعداد زیادی ذره بنیادی به نام «بوزون هیگز» تولید کند و دانشمندان با بررسی این ذرات به نقش آن‌ها در طبیعت پی می‌برند. پس از اتمام تحقیقات، شتاب‌دهنده موقت (که به آن کارخانه هیگز گفته می‌شود) جمع‌آوری و تخریب خواهد شد.

طرح دو مرحله‌ای برخورددهنده اف‌سی‌سی مورد حمایت فیزیکدانان زیادی قرار دارد. برای مثال، فابیولا جیانوتی، مدیرکل سرن و مارک تامسون که قرار است ژانویه ۲۰۲۶ جانشین وی شود، از حامیان طرح هستند. جیانوتی در بیانیه‌ای به نیچر گفته است چنانچه طرح تصویب شود، اف‌سی‌سی به قدرتمندترین ابزار برای مطالعه قوانین طبیعت در بنیادی‌ترین سطح تبدیل خواهد شد.

هالینا  آبراموویچ، فیزیکدان ذرات می‌گوید آیا جامعه علمی آماده است ۵۰ سال آینده را صرف پروژه‌ای کند که ممکن است حاصلی نداشته باشد. از سوی دیگر، منتقدان بیان می‌کنند که رهبران سرن بدون مشورت کافی با جامعه علمی از پروژه اف‌سی‌سی حمایت می‌کنند.

در پروژه‌های بزرگ و پیچیده‌ای که شامل سرمایه‌گذاری مالی کشورهای مختلف عضو سرن و نظرات هزاران محقق می‌شود، طبیعی است اختلاف‌نظرهایی پیش آید. با‌این‌حال، درمورد پروژه اف‌سی‌سی نارضایتی‌ها به حد بی‌سابقه‌ای رسیده است.

هنوز مشخص نیست که آیا کشورهای عضو سرن هزینه پروژه اف‌سی‌سی را تأمین خواهند کرد یا نه. برای مثال، آلمان اعلام کرده است کمک‌های مالی خود را افزایش نمی‌دهد. علاوه‌براین، پروژه‌های مشابهی که در کشورهایی مانند چین درحال اجرا هستند، می‌توانند ضرورت ساخت اف‌سی‌سی را زیر سؤال ببرند.

سال آینده تصمیمات مهمی درمورد آینده پروژه گرفته خواهد شد. تا دسامبر، کارگروهی که به بررسی استراتژی پروژه پرداخته است، نتایج بررسی‌های خود را به شورای سرن ارائه خواهد داد. تصمیم‌گیری درباره این پروژه عظیم نه تنها تأثیر زیادی بر خود آزمایش دارد، بلکه بر حرفه و کار فیزیکدانان نسل‌های آینده و همچنین بر جایگاه اروپا در فیزیک ذرات در طول سال‌های باقیمانده قرن تأثیر خواهد گذاشت.

سرن پس از جنگ جهانی دوم به‌عنوان بخشی از تلاش‌های عمدی برای استفاده از علم به‌منظور ترویج صلح تأسیس شد. از آن زمان، سرن به مرکز مهمی برای تحقیقات در زمینه فیزیک ذرات تبدیل شده است.

بودجه سالانه سرن حدود ۱٫۷ میلیارد دلار‌ است. این بودجه از کشورهای عضو سرن و همچنین کشورهای غیرعضو مانند ایالات متحده و ژاپن تأمین می‌شود.  

سرن نزدیک ۲۰ سال میزبان برخورددهنده هادرونی بزرگ بوده است که بزرگ‌ترین و قدرتمندترین شتاب‌دهنده ذرات در جهان است. قبل از برخورددهنده هادرونی بزرگ برخورد‌دهنده‌ای به نام LEP در همان تونل، وجود داشت که دهه ۱۹۸۰ ساخته شده بود.

علاوه بر برخورددهنده هادرونی بزرگ، سرن پروژه‌ها و برنامه‌های فناوری دیگری نیز دارد که شامل مطالعه درزمینه‌ی پادماده، پرتوهای کیهانی، سایر فناوری‌های شتاب‌دهنده، آهنرباهای پیشرفته و ایزوتوپ‌ها برای استفاده‌های پزشکی می‌شود.

در سال ۲۰۱۲، فابیولا جیانوتی کشف بوزون هیگز را اعلام کرد. این کشف را می‌توان بزرگ‌ترین دستاورد سرن دانست، چرا که بوزون هیگز نقش مهمی در مدل استاندارد فیزیک ذرات دارد.

کشف بوزون هیگز اولین شاهد مستقیم وجود «میدان هیگز» است که در سراسر کیهان وجود دارد. تعاملات متفاوت میدان مذکور با سایر ذرات بنیادی باعث می‌شود ذرات جرم‌های مختلفی داشته باشند.

برخورددهنده هادرونی بزرگ نتوانسته است کشفی مانند بوزون هیگز را تکرار کند. بوزون هیگز با برخورد پروتون‌ها در انرژی‌های بالا کشف شد، اما برخورددهنده تاکنون موفق نشده است به کشف‌های مهم دیگری مانند ماهیت ماده تاریک دست پیدا کند. با توجه به اینکه عمر LHC قرار است در سال ۲۰۴۰ به پایان برسد، از دهه ۲۰۱۰ ایده‌ها و برنامه‌هایی برای ساخت برخورددهنده جانشین آن درحال شکل‌گیری بوده است.

بسیاری از پژوهشگران معتقدند این بررسی‌ها ارزشمند است. فابیولا جیانوتی توضیح می‌دهد این کاوش به ما کمک می‌کند درک بهتری از فیزیک در مقیاس‌های بسیار کوچک پیدا کنیم که این درک با فیزیک جهان در مقیاس‌های بزرگ (مانند ساختار کلی جهان) ارتباط نزدیکی دارد. به عبارت دیگر، بررسی فیزیک در مقیاس‌های کوچک می‌تواند به ما کمک کند مفاهیم بزرگ‌تر و پیچیده‌تر جهان را بهتر درک کنیم. پیرلوئیجی کامپانا، فیزیکدان ذرات، کاوش در حوزه‌ی انرژی‌های بالا را به اکتشافات اولین کاوشگرانی تشبیه می‌کند که اقیانوس آرام را با قایق‌های خود پیمودند و جزایر مختلف آن را پیدا کردند.

مفهوم برخورددهنده دو مرحله‌ای اف‌سی‌سی اولین بار در سال ۲۰۱۹ معرفی شد. طبق این ایده، در مرحله اول پروژه یعنی «کارخانه هیگز»، ممکن است انحرافاتی از پیش‌بینی‌های مدل استاندارد فیزیک ذرات مشاهده شود. این انحرافات می‌تواند نشان‌دهنده وجود ذرات جدید باشد و به دانشمندان کمک کند جرم این ذرات را تعیین کنند.

این سوال با معمایی در مدل استاندارد فیزیک ذرات مرتبط است: چگونه بوزون هیگز تقارن میان دو مورد از سه نیروی بنیادین (یعنی نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف) در مدل استاندارد را می‌شکند. در انرژی‌های بسیار بالا که بلافاصله پس از بیگ‌بنگ وجود داشت، این دو نیرو یکی بودند. اما با کاهش انرژی، این دو نیرو از هم جدا شدند و ویژگی‌های متفاوتی پیدا کردند. بوزون هیگز نقشی کلیدی در این فرآیند دارد و به‌وسیله‌ی آن، تقارن بین این دو نیرو شکسته و باعث می‌شود هریک از نیروها ویژگی‌های خاص خود را پیدا کند.

پس از پیشرفت‌های تحقیقاتی در تکنولوژی‌های لازم، مانند چگونگی ساخت آهنرباهای ابررسانا با قدرت کافی که بتوانند پرتوهای ذرات را هدایت و متمرکز کنند، مرحله دوم برخورددهنده اف‌سی‌سی ساخته خواهد شد تا ذرات جدید را کشف کند. به عبارت دیگر، برای ساخت مرحله دوم این شتاب‌دهنده، ابتدا باید تکنولوژی‌های مناسب به دست آید تا بتوان از آن برای کشف ذرات جدید استفاده کرد (برخی از فیزیکدانان می‌گویند ذرات جدید می‌توانند شامل اجزای تشکیل‌دهنده ماده تاریک باشند، اما بسیاری از نظریه‌پردازان فکر می‌کنند چنین ذراتی احتمالاً بسیار سبک‌تر از محدوده‌ای هستند که LHC قبلاً جستجو کرده است).

گرچه اکثر فیزیکدانان ذرات معتقدند که داشتن برخورد دهنده اف‌سی‌سی مفید خواهد بود، هزینه‌های ساخت آن‌ها بسیار بالا است. هنوز برآورد دقیقی از هزینه‌ها وجود ندارد، اما اسناد سرن نشان می‌دهند فقط فاز اول پروژه ممکن است حدود ۱۷ میلیارد دلار هزینه داشته باشد.

برآوردهای ولادیمیر شیلتسف و همکارانش حاکی از آن است که هزینه واقعی پروژه اف‌سی‌سی بیشتر از پیش‌بینی‌ها است. آن‌ها می‌گویند ۱۷ میلیارد دلار فقط هزینه حداقلی فاز اول است و مجموع دو فاز پروژه می‌تواند حداقل ۳۰ میلیارد دلار هزینه داشته باشد.

محققان چندین طرح دیگر برای برخورددهنده‌های آینده پیشنهاد کرده‌اند. برای مدت طولانی، یکی از مهم‌ترین پیشنهادها برای ساخت «کارخانه هیگز»، برخورددهنده‌ای خطی به نام برخورددهنده خطی بین‌المللی (International Linear Collider) بود. طرح برخورددهنده خطی  به‌طور دقیق مورد بررسی قرار گرفت و قرار بود در ژاپن ساخته شود، اما ژاپن پروژه را تایید نکرد.

طرح خطی همچنین می‌تواند نحوه تعامل میان دو ذره هیگز را مطالعه کند. مایکل پسکین، فیزیکدان نظری می‌گوید انجام چنین مطالعه‌ای به‌طور مستقیم در اف‌سی‌سی امکان‌پذیر نیست و این مطالعه برای درک ماهیت میدان هیگز مهم است. او می‌افزاید ساخت نسخه خطی بهتر است؛ چرا که هم درمورد نحوه ساخت آن به خوبی اطلاع داریم و هم هزینه معقولی دارد و می‌تواند در پایان پروژه برخورددهنده هادرونی بزرگ اجرا شود.

فیزیکدان‌ها می‌گویند گزینه‌های خطی و دایره‌ای هرکدام نقاط قوت و ضعف خود را دارند. حامیان طرح اف‌سی‌سی می‌گویند تونل خطی پس از انجام وظیفه به‌عنوان کارخانه هیگز دیگر کاربردی نخواهد داشت. اما جنی لیست معتقد است برخلاف نظر حامیان طرح اف‌اف‌سی، برخورددهنده خطی می‌تواند پس از ساخت و استفاده اولیه، با افزایش طول تونل به‌تدریج ارتقا پیدا کند. آبراموویچ با اشاره به هزینه بالای برق کارخانه‌های دایره‌ای می‌گوید دلیلی برای ساخت کارخانه هیگز دایره‌ای به جای کارخانه هیگز خطی وجود ندارد.  

برخی محققان بر این باورند که بهتر است به‌جای آنکه پژوهشگران آینده را مجبور کنیم تا سال ۲۰۷۰  فقط مسیر پرهزینه‌ای مانند اف‌سی‌سی را دنبال کنند، گزینه‌های مختلف را بررسی کنیم؛ چرا که هنوز مشخص نیست آیا اف‌سی‌سی واقعا ابزار مناسبی برای پاسخگویی به سوالات فیزیکدانان خواهد بود یا خیر.

یوهان شیک، فیزیکدان آکادمی علوم اتریش در وین و عضو شورای سرن می‌گوید بسیار ناعادلانه است که پروژه‌های فیزیک را از حالا بر پژوهشگران نسل آینده تحمیل کنیم. از سوی دیگر، برای بسیاری از فیزیکدان‌ها، یکی از دلایل قانع‌کننده برای حمایت از پروژه اف‌سی‌سی این است که پروژه یادشده می‌تواند به حمایت از جامعه بزرگ ۱۵ هزار نفری پژوهشگران و کارکنانی که حول آزمایش‌های LHC رشد کرده‌اند، ادامه دهد.

آبراموویچ معتقد است که دلیل اصلی حمایت بسیاری از افراد از مدل برخورددهنده دایره‌ای این است که این نوع برخورددهنده می‌تواند در چهار نقطه مختلف به‌طور همزمان برخورد ایجاد کند. در هر یک از این نقاط، برخورددهنده بزرگی وجود دارد که داده‌های حاصل از آن می‌تواند به همکاری تعداد زیادی فیزیکدان منجر شود. درمقابل، برخورددهنده خطی در هر زمان فقط یک آزمایش را انجام می‌دهد و فیزیکدان کمتری می‌توانند در آن مشارکت داشته باشند.

برخی محققان دراین‌باره نگران هستند که پروژه‌ای مانند اف‌سی‌سی تا سال ۲۰۷۰ آماده فعالیت نشود و بنابراین ممکن است نتوانند در دوران کاری خود شاهد پیشرفت‌های بزرگ در زمینه انرژی‌های جدید باشند.

برخی معتقدند سرن باید درزمینه‌ی تحقیق و توسعه فناوری‌های پیشرفته شتاب‌دهنده‌ها تلاش کند تا امکان رسیدن به انرژی‌های بالاتر زودتر فراهم شود. بررسی فناوری‌های مغناطیسی برای پروژه اف‌سی‌سی و همچنین ایده‌های جدید و غیر اثبات‌شده مانند استفاده از میون‌ها (ذراتی که مشابه الکترون‌ها هستند اما سنگین‌تر) برای برخورد از این دست پژوهش‌ها است.

جان وومرسلی پیشنهاد می‌کند مدت زمان فعالیت برخورددهنده هادرونی بزرگ تا سال ۲۰۳۵ کاهش یابد و به جای آن از بودجه‌ای که برای این برخورددهنده اختصاص یافته است، برای توسعه فناوری‌های مرحله دوم پروژه اف‌‌سی‌سی استفاده شود.

سخنگوی سرن می‌گوید داده‌های جدیدی که از برخورددهنده هادرونی ارتقایافته به‌دست می‌آید، فرصت خوبی برای پژوهشگران تازه‌کار فراهم می‌کند تا به کمک فناوری‌های جدیدتر به تحقیقات خود ادامه دهند. همچنین، اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش برود، تنها چند سال پس از پایان این برنامه، یک برخورددهنده الکترون-پوزیترون در اواسط دهه ۲۰۴۰ شروع به کار خواهد کرد. به عبارت دیگر، محققان می‌توانند در آینده‌ای نزدیک با فناوری‌های جدیدتری به تحقیقات خود ادامه دهند.

برخی معتقدند سرن قبل از طراحی طرح اف‌سی‌سی به نظرات و نیازهای جامعه علمی به اندازه کافی توجه نکرده است. همچنین، آن‌ها اشاره دارند که منابع مالی و انسانی که برای بررسی امکان‌پذیری پروژه اف‌سی‌سی اختصاص داده شده، بیشتر از سرمایه‌گذاری‌هایی است که در زمینه برنامه‌های دیگر مانند تحقیقات در حوزه شتاب‌دهنده‌های پیشرفته صورت گرفته است.

برخی اختلافات مربوط به نحوه تفسیر سند مهمی است که سال ۲۰۲۰ پس از برگزاری گردهمایی در شهر باد هونف آلمان منتشر شد. این گردهمایی توسط کارگروهی که از طرف شورای سرن منصوب شده و ریاست آن بر عهده آبراموویچ بوده، برگزار شد. هدف سمپوزیوم به‌روزرسانی استراتژی فیزیک ذرات اروپا و تعیین آینده سرن بود.

در سند منتشرشده، مواردی شامل بررسی امکان ساخت برخورددهنده هادرونی در سرن بررسی شده بود، با این احتمال که کارخانه هیگز مرحله اول این پروژه باشد. همچنین، بر افزایش تلاش‌ برای توسعه فناوری‌های لازم جهت ساخت شتاب‌دهنده‌های آینده نیز تاکید شده بود.

برخی از پژوهشگرانی که در فرآیند تدوین استراتژی مشارکت داشتند، معتقدند سند منتشرشده به‌گونه‌ای نوشته شده که اجازه دهد طرح‌های جایگزین برای کارخانه هیگز درنظر گرفته شوند و پروژه دو مرحله‌ای اف‌سی‌سی به‌عنوان اولویت اصلی تعیین نشود. برخی از محققان معتقدند سرن می‌توانست تلاش بیشتری برای بررسی گزینه برخورددهنده خطی انجام دهد و منابع بیشتری را برای توسعه فناوری‌های پیشرفته شتاب‌دهنده‌ها اختصاص دهد.