آزمایش‌های جدید در سرن؛ انقلاب در فهم بشر از جهان؟

 پس از گذشت دو سال از فعالیت اولیه‌ی هادرون کولایدر بزرگ آزمایشگاه سرن که منجر به کشف ذره‌ی خدا یا بوزون هیگز شد، اکنون زمان آن رسیده که این ماشین عظیم که در کشور سوئیس قرار دارد بار دیگر برای سلسله آزمایش‌های جدیدی که با عنوان «فصل دوم» شناخته شده روشن شود.

ذره خدا، یک ذره بنیادی اولیه فرضی دارای جرم بوده که وجود آن توسط مدل استاندارد فیزیک ذرات پیش‌بینی شده‌ است. مشاهده تجربی این ذره می‌تواند درباره چگونگی جرم‌دار شدن ماده توسط ذرات بنیادی بدون جرم دیگر، توضیح دهد. به طور خاص، بوزون هیگز، می‌تواند دلایلی برای تفاوت‌های بین فوتون که بدون جرم است و بوزون‌های W و Z که نسبتاً پرجرم هستند، ارائه کند. جرم ذرات بنیادی، تفاوت‌های بین الکترومغناطیس (که توسط فوتون‌ها ایجاد می‌شود) و نیروی هسته‌ای ضعیف (که توسط بوزون‌های W و Z ایجاد می‌شود) در ساختار میکروسکوپیک (و به‌طبع ماکروسکوپیک) ماده مؤثر هستند؛ بنابراین، بوزون هیگز یک مؤلفه بسیار مهم در دنیای ماده‌ است.

در تاریخ چهارم ژوئیه ۲۰۱۲ دانشمندان مرکز تحقیقات سرن در سوئیس اعلام کردند که در آزمایش‌های خود ذره «بوزون هیگز» را که «ذره خدا» نیز نامیده می‌شود، مشاهده کرده‌اند. حال با تایید شناسایی این ذره، فیزیک ذرات مدل استاندارد تکمیل شده است؛ اما دانشمندان احتمال وجود ذرات دیگر را به کلی نادیده نگرفته و همچنان بدنبال جنبه‌های احتمالی ناشناخته در این مدل هستند.

در میان شاهکارهای متعدد برنامه‌ریزی شده، دانشمندان این مرکز بزرگ تحقیقاتی این بار تلاش خواهند کرد ماده‌ی تاریک را بر روی زمین تولید کنند. تصور می‌شود 95 درصد از جهان بی‌انتهای ما از ماده‌ی سیاه تشکیل شده باشد؛ ماده‌ای که هنوز هم ماهیت دقیق و خصوصیات ویژه‌ی آن بر ما پوشیده است و سرانجام شرایط آزمایشگاهی مطالعه بر روی آن پدید آمده است. در ادامه طی فصل دوم آزمایشات که به لطف برخورد دهنده‌ی بزرگ امکان‌پذیر خواهد شد، دانشمندان این مرکز به دنبال نشانه‌هایی از بُعدهای جدید در فضا و زمان خواهند گشت تا راهی برای جای دادن جاذبه در مدل‌های استاندارد فیزیک ذرات بدست آید؛ مساله‌ای که در حال حاضر یکی از نواقص اصلی دانش ما در فیزیک به شمار می‌رود.

همچنین این احتمال وجود دارد که ذرات کاملا جدیدی در دل ماده کشف شوند که پتانسیل ایجاد انقلاب در درک ما از جهان را دارا خواهند بود.

این آزمایش‌ها نیازمند نیروی بسیار عظیمی خواهد بود. پرتوهای ذرات پروتون ضمن برخورد شدید با یکدیگر موجب ایجاد تصادفی خواهند شد که 13 برابر انرژی یک پشه‌ی در حال پرواز را ایجاد خواهد کرد. بله ممکن است تصور کنید این میزان انرژی چندان زیاد نیست، اما این همین میزان انرژی در واقع درون فضایی فشرده شده که حدود یک تریلیون بار کوچک‌تر از آن حشره است.

پروفسور دیو کارلتون که رهبری یکی از آزمایش‌ها را بر عهده خواهد داشت اعلام کرده که محققان مایل هستند به خصیصه‌های بوزون هیگز بیشتر پی برده و متوجه شوند که آیا نوع دیگری از اینگونه ذرات نیز وجود دارد یا خیر.

پرسش بزرگ دیگری که امیدواریم به نتایجی در خصوص آن دست یابیم این است که جهان تاریک چیست... احتمال خوبی وجود دارد که بالاخره به سرآغاز پی بردن به این مساله رسیده باشیم. اگر ما بتوانیم به ماده‌ی تاریک دسترسی پیدا کنیم، قادر خواهیم بود ذرات آن را بصورت مستقیم تولید کنیم.

پروفسور کارلتون به فرضیه‌ای اشاره می‌کند که بر اساس آن، جاذبه با فهم فعلی ما از فیزیک ذرات ترکیب می‌شود که البته «احتمالا به بُعدهای اضافی فضا زمان نیاز خواهد داشت.»

برخورد دهنده‌ی بزرگ ذرات که به اختصار LHC خوانده می‌شود، در حقیقت یک تونل 27 کیلومتری است که در سراسر آن آهنرباهای قدرتمندی کشیده شده و تا کمتر از منفی 270 درجه سلیسیوس سرد شده است. در اصلاحات جدید این دستگاه عظیم آنچنان ارتقا یافته که آزمایشگاه مرکزی سرن، آن را یک ماشین تقریبا جدید می‌داند.

انتظار می‌رود در ابتدای امر، پرتوهای کم انرژی برای طی کردن مسیر حلقوی موجود ارسال شوند تا فرآیند عملکرد دستگاه در مراتب پیچیده‌تر مورد آزمایش قرار گیرد. انتظار می‌رود برخوردهای پر انرژی حداقل تا دو ماه دیگر صورت نگیرند.

پروفسور چارلتون از دانشگاه بیرمنگام می‌گوید:

با بازسازی شرایطی نظیر آنچه دقیقا پس از مهبانگ (بیگ‌بنگ) بوجود آمد در آزمایشگاه، انتظار می‌رود به نتایج مهمی در خصوص آنچه در پس این پدیده به وقوع پیوست تا جهان در 13.8 میلیارد سال پیش ایجاد شود دست پیدا کنیم.

البته کسانی که تصور می‌کنند دانشمندان قرار است در سرن یک کلید را فشار داده و یک مهبانگ دیگر بوجود آورند که جهان را تهدید خواهد کرد بهتر است تصورات منفی را از خود دور کنند. این ایده در ابتدای کار برخورد دهنده‌ی بزرگ در کشورهایی نظیر ایالات متحده موجب نگرانی‌هایی شد اما در این میان یک قانون ساده‌ی فیزیک وجود دارد که باید آن را در نظر داشت. پروفسور چارلتون می‌گوید:

یکی از قوانین پایه‌ای این است که شما فراتر از آنچه بعنوان انرژی به سامانه وارد می‌کنید، انرژی دریافت نخواهید کرد. ما قادر به خلق دنیای جدید یا انفجارهایی در حد بیگ‌بنگ نخواهیم بود. چگالی و تراکم انرژی شبیه‌سازی شده به آنچه در ایجاد جهان اولیه وجود داشته شبیه خواهد بود اما ما آن حجم انرژی که در بیگ بنگ اولیه وجود داشته را وارد دستگاه نمی‌کنیم. این آزمایش در حقیقت ذره‌ای بسیار کوچک و ریز از مهبانگ است.

بنابراین آنچه دانشمندان در صدد انجام آن هستند، بازسازی شرایط وقوع انفجار بزرگ است که تصور می‌شود مبدا جهان بوده و جنبه‌های ناشناخته‌ی بسیاری برای ما دارد. امکان مطالعه‌ی تجربی ماده‌ی تاریک می‌تواند پس از کشف بوزون هیگز، از بزرگ‌ترین دستاوردهای فیزیک مدرن به شمار رود.