فیزیکدان‌ها به دنبال ساخت شتاب‌دهنده‌ی ذرات در ماه

با عمیق‌ شدن اکتشافات جهان، آزمایش‌های مربوط به فیزیک ذرات هم روز‌به روز پیچیده‌تر می‌شوند. فیزیک‌دان‌ها برای آشکار کردن رازهای مربوط به کوچک‌ترین ذرات زیراتمی، باید آشکار‌سازها و شتاب‌دهنده‌ها را حتی‌الامکان سرد بسازند، هوا را تا حد ممکن حذف کنند و برای رسیدن به نتایج قابل‌اطمینان، شتاب‌دهنده‌ها را ثابت نگه‌دارند.

در نتیجه این پرسش مطرح می‌شود: اگر کل مراحل فوق را نادیده بگیریم و آزمایش‌های فیزیک ذرات را در ماه انجام دهیم چه اتفاقی خواهد افتاد؟ این طرح پیشنهادی در پایگاه داده‌ی پیش انتشار arXiv منتشر شده است. بر اساس این طرح، ماه جای خوبی برای انجام آزمایش‌های فیزیک پرانرژی است.

ماه در درجه‌ی اول سرد است. خیلی سرد. علاوه بر این هیچ جو یا آبی ندارد و چیزی برای انتقال گرمای خورشید از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر وجود ندارد. هنگام شب، در حالی که خورشید زیر خط افق قرار دارد، دمای هوا به منفی ۷۳ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد. این دما در زمین در محدوده‌ی انجماد قرار می‌گیرد. در هنگام روز، هوا اندکی گرم‌تر می‌شود و به بیش از ۳۸ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد؛ اما با توجه به اینکه یخ‌ها در سایه‌های ماه مخفی شده‌‌اند، تنها چیزی که برای خنک شدن نیاز دارید رفتن به مناطق سایه است؛ زیرا به دلیل نبود آب یا هوا در ماه، مناطقی که خارج از دسترسی نور مستقیم خورشید قرار دارند، بسیار سرد هستند.

فیزیک‌دان‌ها به چند دلیل نیاز به دماهای پائین دارند. دمای پائین در شتاب‌دهنده‌ها تضمین می‌کند آهنرباهای ابررسانا خود را ذوب نمی‌کنند. از این آهنرباها برای پرتاب ذرات به داخل شتاب‌دهنده با سرعتی تقریبا معادل سرعت نور استفاده می‌شود. در درجه‌ی دوم هرچقدر آشکارساز داغ‌تر باشد، در فرآیند رسیدن به سیگنال ذرات زیراتمی، نویز بیشتری به وجود می‌آید. گرمای بیشتر معادل با نوسان مولکولی بیشتر و در نتیجه نویز بیشتر است.

علاوه بر دماهای پائین، نبود جو در ماه هم یکی از مزایای عمده برای شتاب‌دهنده‌ها است. فیزیک‌دان‌ها معمولا باید هوای داخل شتاب‌دهنده و آشکارساز را تخلیه کنند؛ زیرا ممکن است در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور، ذرات با مولکول‌های سرگردان نیتروژن برخورد کنند؛ اما خلاء موجود در ماه ده برابر بهتر از خلاء ساختگی فیزیک‌دان‌ها در محیط آزمایشگاه است و بدون هیچ تلاشی ایجاد می‌شود.

از طرفی به دلیل قفل جزر و مدی (مدت زمان لازم برای چرخش قمر به دور محور خود برابر با مدت زمان گردش به دور زمین است)، همیشه یک طرف ماه به سمت زمین است. در نتیجه، تشعشعات ذرات قمری می‌توانند به سمت آزمایشگاهی آشکارساز در زمین بازگردند و فیزیک‌دان‌ها بدون تلاش زیادی از این مسافت طولانی بهره ببرند.

کارخانه‌ی نوترینوی قمری

شاید، بهترین کاربرد آزمایش فیزیک قمری، استفاده از شتاب‌دهنده به‌عنوان منبع نوترینو باشد. نوترینوها ذرات شبح‌وار، کوچک و فاقد باری هستند که جرم بسیار کمی دارند. در نتیجه می‌توانند بدون دیده شدن از مواد عادی عبور کنند. همین حالا صدها میلیارد نوترینو در حال عبور از بدن شما هستند اما چیزی حس نمی‌کنید.

بررسی و درک نوترینوها کار بسیار دشواری است. کمیت‌های بالای این ذرات در واکنش‌های هسته‌ای تولید می‌شود بنابراین برای تولید آن‌ها باید نیروگاه هسته‌ای را در ماه تعبیه کرد و اجازه داد شکافته شود. نوترینوهای تولیدشده در این فرآیند به سمت زمین حرکت می‌کنند، در نتیجه می‌توان به بررسی آن‌ها پرداخت.

یکی از اسرارآمیزترین خواص نوترینوها قابلیت تغییر آن‌ها در حین حرکت است. با توجه به مسافت بالای بین تولید نوترینو و آشکارسازی آن‌ها، این ذرات فرصت بیشتری برای تغییر پیدا می‌کنند و به این ترتیب می‌توان بهتر به درک رفتار آن‌ها پرداخت. ماه می‌تواند منبع بی‌نقصی از نوترینوها را شکل دهد؛ زیرا این قمر به اندازه‌ی کافی دور است که بتوان فاصله‌های دور را بررسی کرد و به اندازه‌ی کافی نزدیک است که بتوان مقادیر کافی نوترینو را بررسی کرد.

چه نیازی به زمین است؟

نوترینوها تنها ذراتی نیستند که از ماه به سمت زمین ارسال می‌شوند. حتی قدرتمندترین شتاب‌دهنده‌های ذرات نمی‌توانند از نظر تولید ذرات، به پای قدرتهای طبیعی برسند (و حتی اگر انسان با دقت بسیار بالای هم عمل کند نمی‌تواند به یک میلیاردم انرژی‌های یادشده برسد). در هر ثانیه از روز، ذرات پر انرژی به سمت جو زمین حرکت می‌کنند و پس از برخورد با مولکول‌ها، دوشی از فرآورده‌های ذرات را ایجاد می‌کنند که به سمت زمین حرکت می‌کنند.

از طرفی می‌توان آشکارسازها را هم روی ماه قرار داد. یک آزمایش کامل فیزیک ذرات همراه با منبع، شتاب‌دهنده و آشکارساز روی ماه، مزایای متعددی را نسبت به سیستم‌های مستقر در زمین دارد؛ اما یکی از موانع اصلی برای این آزمایش در زمین، نیاز به خلاء کنترل‌شده است که آزمایش‌های زمینی را محدود می‌کند.

اما خلاء روی ماه به صورت رایگان در دسترس است و خلاء موجود در ماه بسیار بهتر از خلاء‌های مصنوعی در آزمایش‌های شتاب‌دهنده‌ی ذرات است. همچنین می‌توان بدون نیاز به سرمایه‌گذاری روی پمپ هوا، دستگاه بسیار بزرگی را به دلخواه ساخت. تنها موانع برای رسیدن به این هدف و ساخت آزمایش‌های پیچید در ماه، چالش‌‌های کوچک فنی هستند.