۱۰ راز کیهانی که برخورددهنده هادرونی بزرگ می‌تواند آشکار کند

برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) مستقر در CERN (سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای) در نزدیکی ژنو سوییس، برای بار سوم و پس از سه سال وقفه‌ی برنامه‌ریزی‌شده به منظور ارتقا، راه‌اندازی شد. این شتاب‌دهنده‌ی ذرات در طی ۱۴ سال از زمان اولین فعال‌سازی به بررسی بزرگ‌ترین رازهای جهان پرداخته و بی‌نهایت ذره را با سرعتی نزدیک به سرعت نور در تونلی ۱۰۰ متر زیر زمین برخورد داده است.

تصویرسازی فرضی از برهم‌کنش ذرات ماده تاریک. براساس پیش‌بینی در راه‌اندازی سوم (Run 3) برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) در مرکز CERN در سال ۲۰۲۲، دانشمندان به‌دنبال بررسی بزرگ‌ترین رازهای جهان از جمله ماده تاریک هستند.

یکی از شگفت‌انگیزترین نکات درباره‌ی LHC این است که دانشمندان نمی‌دانند در زمان برخورد پروتون‌ها با یکدیگر با سرعتی نزدیک به سرعت نور دقیقاً چه اتفاقی رخ می‌دهد. با وجود سال‌ها علم پیشگامانه، در انتهای راه‌اندازی دوم (Run2) در سال ۲۰۱۸ دانشمندان تخمین زدند که LHC تنها نزدیک به سه درصد از داده‌های قابل انتظار در طول عمرش را تولید کرده و تازه در آغاز راه است. رازهای بزرگی در جهان وجود دارند که دانشمندان به‌دنبال پاسخگویی به آن هستند و LHC می‌تواند در این روند مفید باشد. در این مقاله به بررسی ۱۰ راز جهان می‌پردازیم که برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ می‌تواند آن‌ها را حل کند.

تصویرسازی داده‌ای از برخورد ذرات در LHC در سرن.

یکی از مهم‌ترین اکتشافات LHC تاکنون، بوزون هیگز است، ذره‌ای بنیادی که وجود آن در سال ۲۰۱۲ در LHC تأیید شد. بااین‌حال، هنوز نکات زیادی برای یادگیری درباره‌ی این ذره‌ی عجیب وجود دارد. بوزون هیگز در ابتدا در سال ۱۹۶۴ توسط گروهی از نظریه‌پردازان از جمله پیتر هیگز و فرانسیس انگلرت معرفی شد و آخرین ذره‌ی کشف‌نشده‌ای بود که توسط مدل استاندارد پیش‌بینی شده بود. مدل استاندارد نظریه‌ای برای توصیف تمام نیروهای بنیادی شناخته‌شده و ذرات جهان است (در سال ۲۰۱۳، هیگز و انگلرت به‌دنبال کشف بوزون هیگز در LHC، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک شدند).

بوزون هیگز توجیهی برای جرم برخی ذرات مشخص بود. این ذره با آنچه میدان هیگز نامیده می‌شود در ارتباط است. این میدان باعث جرم‌دهی به دیگر ذرات بنیادی مثل الکترون‌ها و کوارک‌ها می‌شود که پروتون‌ها را تشکیل می‌دهند. این ذره حتی می‌تواند بر اثر برهم‌کنش با میدان هیگز به جرم خود برسد؛ اما تمام ذرات بنیادی جرم ندارند: برای مثال فوتون یا ذره‌ی سبک هیچ جرمی ندارد. هنوز رازهای زیادی درباره‌ی بوزون هیگز وجود دارند و دانشمندان با آزمایش‌های آینده در LHC می‌توانند به تصویر کامل‌تری از این ذره‌ی عجیب برسند.

دانشمندان LHC از زمان مشاهده‌ی بوزون هیگز، رفتارهای عجیبی را از این ذره دیده‌اند؛ درنتیجه رازها و معماهای بیشتری مطرح می‌شوند. دانشمندان در راه‌اندازی دوم LHC بررسی کردند آیا بوزون هیگز به ذرات ماده تاریک تجزیه می‌شود یا خیر. گرچه هنوز این پدیده را کشف نکرده‌اند.

تجزیه‌ی بوزون هیگز در برخوردی که توسط آشکارساز ATLAS در LHC در ۱۸ مه ۲۰۱۲ ثبت شده است.

دانشمندان امیدوار هستند به کمک LHC بتوانند ذرات تشکیل‌دهنده‌ی ماده تاریک را کشف کنند. ماده تاریک ماده‌ای اسرارآمیز است که به گفته‌ی دانشمندان بیش از ۸۰ درصد از کل ماده‌ی جهان را تشکیل می‌دهد. همچنین ماده تاریک نامرئی است. به بیان دیگر ما نمی‌توانیم ماده تاریک را ببینیم اما براساس آثارش می‌‌دانیم که وجود دارد. به گفته‌ی بنجامین سفدی، استادیار فیزیک در دانشگاه برکلی کالیفرنیا:

ماده تاریک بیشترین بخش از ماده‌ی جهان را تشکیل می‌دهد اما هیچ ایده‌ای از ماهیت آن نداریم. یکی از مهم‌ترین پرسش‌های علم این است که ماده تاریک چیست؟

درحال‌حاضر، دانشمندان کاندیداهای مختلفی را برای ماده تاریک درنظر گرفته‌اند. ذرات عجیب می‌توانند همان ماده تاریک گمراه‌کننده باشند. LHC ابزاری قدرتمند است که دانشمندان می‌توانند از آن برای حل این معمای بزرگ استفاده کنند. به نقل از مسئولان سرن در بیانیه‌ای:

اگر LHC ذره‌ی احتمالی ماده تاریک را کشف کند، برای اثبات وجود آن نیاز به آزمایش‌های دیگری است. درمقابل اگر آزمایش‌های مستقیم و غیرمستقیم سیگنالی از برهم‌کنش ذره‌ی ماده تاریک را کشف کنند، می‌توان آزمایش‌هایی را در LHC برای بررسی جزئیات این برهم‌کنش طراحی کرد.

ماده تاریک در مرکز کهکشان.

در حال که به نظر می‌رسد انرژی تاریک همان ماده تاریک باشد، شباهت آن‌ها تنها به همین اسامی خلاصه می‌شود. انرژی تاریک درواقع نیروی اسرارآمیزی است که گمان می‌رود نزدیک به سه‌چهارم جهان را در برمی‌گیرد و دانشمندان آن را عامل افزایش سرعت انبساط جهان می‌دانند.

با اینکه LHC برای آزمایش ذرات طراحی شده است، به باور برخی نظریه‌پردازها اگر انرژی تاریک نوعی میدان یا نیرو باشد، از LHC می‌توان برای بررسی آن استفاده کرد. درست همان‌طور که از LHC برای میدان هیگز و تولید ذره‌ی بوزون هیگز استفاده شد. به باور کلر بوریج فیزیکدان:

کیهان‌شناس‌ها می‌دانند فیزیک جدیدی وجود دارد که آن را درک نمی‌کنیم و کل شواهد به چیزی بسیار بنیادی درباره‌ی جهان اشاره دارند. آزمایش‌های LHC به موارد بنیادی مربوط هستند.

دانشمندان همچنین پیشنهاد داده‌اند که اگر انرژی تاریک نوعی میدان باشد می‌تواند ذرات سبک‌وزن را تولید کند. به عقیده‌ی بوریج: «تمرکز اصلی LHC ذرات سنگین است درنتیجه باید به عقب بازمی‌گشتیم و به‌دنبال چیزی سبک در داده‌ها می‌گشتیم.»

دوربین انرژی تاریک (DES)، از ۱۰ ناحیه‌ی منتخب آسمان معروف به میدان‌های عمیق عکس‌برداری کرد. تصاویر متعدد هرکدام نگاهی اجمالی بر کهکشان‌های دوردست و چگونگی توزیع آن‌ها در کل جهان هستند.

از میان کاندیدهای ماده تاریک، WIMP-ها یکی از ذرات سنگین دارای برهم‌کنش ضعیف هستند که در طول سال‌های گذشته توجه زیادی را به خود جلب کردند و در LHC هم بررسی شدند. ویمپ‌ها ذراتی فرضی هستند که ازطریق نیروهایی مثل گرانش و نیروهایی خارج از مدل استاندارد با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. به باور تیم تیت، نظریه‌پرداز ماده تاریک از دانشگاه ایرواین کالیفرنیا و یکی از پژوهشگران گروه کاری ماده تاریک LHC:

LHC در جستجوی ماده تاریک به شکل ذراتی سنگین با برهم‌کنش ضعیف، عملکرد نوآورانه‌ای داشته است.

تاکنون LHC تلاش‌هایی را برای رصد این کاندید ماده تاریک انجام داده است. دانشمندان هم برای بررسی ویمپ‌ها از LHC استفاده کردند. آن‌ها برای این کار به جست‌وجوی سیگنال‌هایی احتمالی پرداختند که برای مثال ازطریق برهم‌کنش ویمپ‌ها با ماده‌ی معمولی به وجود می‌آیند؛ اما به عقیده‌ی تیت:

تمام نتایج به‌دست‌آمده سازگار با مدل‌هایی هستند که ماده تاریک را در برنمی‌گیرند. بااین‌حال داده‌ها نشان می‌دهند کدام ذرات نمی‌توانند ماده تاریک را توصیف کنند و اطلاعات ارزشمندی را فراهم می‌کنند.

حتی اگر ویمپ‌ها نتوانند ماده تاریک را توصیف کنند، جستجوی این ذرات پرثمر بوده است. به باور تیت:

این نتایج از یک‌سو آزمایش‌کننده‌ها را به مسیرهای جدیدی برای جستجوی ماده تاریک هدایت می‌کنند و از سوی دیگر به نظریه‌پردازها کمک می‌کنند تا درباره‌ی ایده‌های فعلی درباره‌ی ماهیت ماده تاریک تجدیدنظر کنند و در برخی موارد به ایده‌های جدیدی برسند.

اما درها به‌طور کامل به روی ویمپ‌ها بسته نشدند و راز آن‌ها هنوز به قوت خود باقی است.

برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ پس از سه سال خاموشی در تاریخ ۲۲ آوریل ۲۰۲۲ فعالیت خود را از سر گرفت.

آکسیون‌ها ذره‌‌هایی بنیادی دیگری هستند که با کمرنگ‌ شدن اهمیت ویمپ‌ها در جامعه‌ی علمی مورد توجه قرار گرفتند. آکسیون که در سال ۱۹۷۷ پیشنهاد شد دارای انرژی و جرم پائینی است؛ فیزیک‌دان‌ها در سال ۲۰۲۰ به اولین شواهد مستقیم مربوط به آکسیون‌ها پی بردند و شعله‌های علاقه به این ذره به‌عنوان یکی از کاندیدهای ماده تاریک را افزایش دادند.

براساس یافته‌های ۲۰۲۰، محبوبیت آکسیون به‌عنوان یکی از کاندیدهای ماده تاریک افزایش یافته است؛ اما تاکنون هیچکس آکسیون را به صورت مستقیم در شتاب‌دهنده‌ای مثل LHC کشف نکرده است. به باور بنجامین سفدی درباره‌ی ماده تاریک:

گمان می‌کنیم ذره‌ای جدید وجود دارد که درباره‌ی آن چیزی نمی‌دانیم و آن ذره می‌تواند آکسیون باشد. ممکن است این ذره در مقادیر زیاد در زمان بیگ‌بنگ به وجود آمده باشد.

دانشمندان آزمایش‌هایی را برای شکار آکسیون پیشنهاد داده‌اند اما همان‌طور که پژوهشگرها در بیانیه‌ی سرن سال ۲۰۱۸ می‌گویند، از LHC می‌توان برای جست‌وجوی ذره‌ای فرضی و جدید استفاده کرد که QCD آکسیون نامیده می‌شود؛ اما این ذره چیست و چه عاملی آن را از آکسیون معمولی متمایز می‌کند. گرچه فیزیکدان‌ها هنوز آکسیون یا نوع مشابه آن را شکار نکرده‌اند، ممکن است آزمایش‌های آینده با LHC از این راز پرده بردارند و به‌ویژه شک دانشمندان را درباره‌ی آکسیون برطرف کنند یا اطلاعات جدیدی را ارائه دهند که ایده‌های وجودی را به‌طور کامل تغییر دهند.

پژوهشگرها در یک بررسی به شبیه‌سازی شکل‌گیری کهکشانی آغازین در جهان آغازین براساس سه سناریوی ماده تاریک پرداختند: جهانی مملو از ماده تاریک سرد (سمت چپ)؛ جهان ماده تاریک گرم (مرکز)؛ و ماده تاریک فازی (سمت راست).

نوترینوها که به دلیل ماهیت فرارشان «ذرات شبح» نامیده می‌شوند، برای اولین بار در سال ۲۰۲۱ در یکی از شتاب‌دهنده‌های ذرات مشاهده شدند. این کشف که در LHC به دست آمد پیشرفت عمده‌ای برای فیزیک بود و دنیای کاملی از رازهای زیراتمی مطرح کرد.

نوترینوها ذرات زیراتمی مشابه الکترون‌ها هستند با این تفاوت که فاقد بار الکتریکی هستند و جرم بسیار اندکی دارند به‌طوری‌که دانشمندان تصور می‌کردند این ذرات هیچ جرمی ندارند. نوترینوها یکی از رایج‌ترین ذرات در کل جهان هستند؛ در هر ثانیه نزدیک به ۱۰۰ میلیارد نوترینو از هر سانتی‌متر مربع بدن انسان عبور می‌کند و این ذرات که در قلب ستاره‌ها ازطریق گداخت هیدروژنی ایجاد می‌شوند تقریباً همه جا وجود دارند.

اما ازآنجاکه نوترینوها برهم‌کنش زیادی با ماده ندارند (نوترینوها صرفاً ازطریق گرانش و نیروی ضعیف واکنش برقرار می‌کنند) و به دلیل نداشتن بار الکتریکی و جرم اندک، رصد آن‌ها در شتاب‌دهنده‌های ذرات کار بسیار دشواری است. کشف شاخص LHC در سال ۲۰۲۱ همه چیز را تغییر داد و با توجه به این دستاورد بزرگ LHC می‌تواند این علم را یک گام فراتر ببرد و این ذرات شبح‌وار را که در دنیا غالب‌ شده‌اند، بیشتر بررسی کند.

این تصویرسازی برخوردهای ذره‌ای پرانرژی را نشان می‌دهد که حاصلشان نوترینوها هستند.

ابرتقارن یکی از رازهای بنیادی جهان است که دانشمندان سال‌ها است با آن دست‌وپنجه نرم می‌کنند. به بیان ساده، ابرتقارن نظریه‌ای است که نشان می‌دهد کل ذرات بنیادی باید دارای «ابرذراتی» همتا باشند. براساس این نظریه که تعمیمی از مدل استاندارد است، وقتی ذرات بنیادی مثل فوتون و الکترون در آغاز جهان شکل گرفتند، ابرذرات همتای آن‌ها هم تشکیل شدند. این نظریه نشان می‌دهد هر ذره‌ای که در مدل استاندارد دیده می‌شود دارای ذره‌ای شریک با چرخش یا اسپین متفاوت است.

بااین‌حال، هنوز هیچ مدرک مستقیمی از ابرتقارن وجود ندارد. دانشمندان امیدوار هستند با استفاده از LHC بتوانند شرایط جهان اولیه را بازسازی کنند و علائم ابرتقارن را جست‌وجو کنند. به نقل از سرن در بیانیه‌ای: «در صورتی که نظریه صحیح باشد، ذرات ابرتقارنی باید در برخوردهای LHC ظاهر شوند.»

دانشمندان قبلاً گمان می‌کردند LHC ذرات ابرتقارنی را ایجاد می‌کند که از آشکارساز می‌گریزند و سپس تجزیه می‌شوند. از طرفی آزمایش‌های LHC از جمله ATLAS (بزرگ‌ترین آزمایش همه‌منظوره در LHC) به‌جای کشف مستقیم ذرات، تجزیه‌ی ذرات و فرآورده‌های حاصل از تجزیه را کشف می‌کنند. به‌همین‌دلیل، فیزیکدان‌ها نگران‌اند که چگونه می‌توان این ذرات را در صورت وجود کشف کرد؛ اما با وجود این راز، فرصت‌های جدیدی برای اکتشاف با LHC به وجود می‌آیند.

این نمودار برخورد دو پروتون را در برخورد دهنده‌ی هادرونی بزرگ نشان می‌دهد که منجر به ایجاد افشانه‌ای از ذرات دیگر از جمله B-s مزون (آبی) شده است که به دو موئون (بنفش) تجزیه می‌شود.

یکی از بزرگ‌ترین رازهای علم، مسئله‌ی عدم تقارن ماده، پادماده است. همان‌طور که می‌دانید، بیگ‌بنگ باید مقدار تقریباً مساوی از ماده و پادماده را در آغاز جهان به وجود آورده باشد. (ذرات پادماده دارای جرم یکسان با همتای ماده‌ی خود هستند اما بار الکتریکی مخالفی دارند)؛ اما جهان کنونی ترکیبی از ماده و مقدار کمی پادماده است. درنتیجه این پرسش مطرح می‌شود که دقیقاً چه اتفاقی رخ داده است؟

دانشمندان در آزمایش LHCb‌ (زیبایی برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ) به بررسی تفاوت‌های اندک بین ماده و پادماده پرداختند. در ابتدای سال ۲۰۲۲، بزرگ‌ترین عدم تقارن ماده، پادماده در این آزمایش مشاهده شد. بررسی‌های آینده می‌توانند جزئیات بیشتری را درباره‌ی علت‌ها و چگونگی به وجود آمدن جهان ارائه دهند.

یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌هایی که درباره‌ی جهان مطرح می‌شود این است که چرا ماده‌ی بیشتری نسبت به پادماده وجود دارد.

اگر بزرگ‌ترین و قدرتمند‌ترین شتاب‌دهنده‌ی ذرات در یک کار خوب باشند، آن کار برخورد ذرات با یکدیگر است. این فناوری زمینه را برای گام‌های خارق‌العاده در زمینه‌ی فیزیک ذرات از جمله ایجاد و مشاهده‌ی ذرات عجیب و جدید فراهم کرده است که دانشمندان صرفاً گمان می‌کنند وجود دارند.

دانشمندان از سال ۲۰۱۱ تا ۲۰۲۱ با استفاده از LHC موفق به کشف ۵۹ نوع جدید ذره‌ی هادرونی شدند. نتیجه‌ی این تلاش‌ها، ذره‌ی راز عجیب در سال ۲۰۱۸، ذره‌‌ی تتراکوراک دارای چهار کوارک در سال ۲۰۲۱ و ذره‌ای غیربنیادی بود که در LHC رصد شدند؛ البته کشف بوزون هیگز در LHC هم یکی از یافته‌های شاخص به شمار می‌رود.

با ادامه‌ی برخورد پروتون‌ها با سرعت نزدیک به سرعت نور، ممکن است ذرات جدید و عجیبی در طول فاز جدید عملیاتی LHC خود را نشان دهند.

آشکارساز LHCb در CERN.

آخرین آیتم فهرستمان، آیتم شایسته‌ی ذکر و یکی از مهم‌ترین و جامع‌ترین اهدافی است که دانشمندان برای بررسی آن از LHC استفاده می‌کنند: مدل استاندارد.

مدل استاندارد تمام نیروها و ذرات شناخته‌شده در جهان را توصیف می‌کند. این مدل، بهترین «نظریه‌ی همه‌چیز» است که دانشمندان با آن کار می‌کنند؛ اما مدل استاندارد کامل نیست و پژوهشگرها با بررسی ناشناخته‌هایی مثل ماده و انرژی تاریک، در صورت نیاز این مدل را تعمیم می‌دهند. LHC به دانشمندان اجازه می‌دهد شک خود درباره‌ی مدل استاندارد را برطرف کنند و از سوی دیگر نواقص مدل را شناسایی کنند و در صورت نیاز آن را تعمیم داده یا مدل را به‌طور کامل نقض کنند.