Real Time Web Analytics در جستجوی ذرات با طول عمر بلند : در بخش تاریک عالم چه می‌گذرد؟ | دیپ لوک

در جستجوی ذرات با طول عمر بلند : در بخش تاریک عالم چه می‌گذرد؟

2

همه‌ی ما خوب می‌دانیم دانش ما از جهان، تصویر خامی بیش نیست. سوالات بی‌پاسخ زیادی که به خصوص در زمینه‌ی کیهان‌شناسی وجود دارد، ما را بیشتر متوجه حقارت دانشمان می‌کند. گویا بخش عظیمی از عالم در تاریکی پنهان شده و ما درباره‌ی آن، هیچ چیز نمی‌دانیم! حالا دانشمندانی از سراسر دنیا در جستجوی کشف رازهای این بخش تاریک هستند. در مقاله‌ی زیر درباره‌ی دو پروژه‌ای که برای کشف ذرات با طول عمر بلند طراحی شده‌اند صحبت خواهیم کرد؛ پروژه‌هایی که احتمالا حقایق جالبی درباره‌ی عالم فاش خواهند کرد. با دیپ لوک همراه باشید…

نوشتار زیر ترجمه‌ی مقاله‌ای از سایت معتبر کوانتامگزین و نوشته‌ی باب هندرسون است. هندرسون، ژورنالیست و دکترای فیزیک نظری از دانشگاه روچستر است.

قدرتمندترین شتاب‌دهنده جهان یعنی برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) که در آزمایشگاه سرن در نزدیکی شهر ژنو قرار دارد، تاکنون در یافتن ذراتی که فیزیکدانان را به فیزیک ورای مدل استاندارد امیدوار کند ناموفق بوده است. در واقع ممکن است ال‌اچ‌سی چنین ذراتی را تولید کند و به دلیل اینکه این ذرات با طول عمر بلند هستند ما قادر به آشکارسازی آن‌ها نباشیم! دانشمندان با پیشنهاد آزمایش‌هایی به دنبال کشف این ذرات با طول عمر بلند هستند.

به دلیل اینکه طول عمر ذرات تولید شده، بیشتر از آن است که ال‌اچ‌سی بتواند آن‌ها را آشکارسازی کند، آنها را ذرات با طول عمر بلند (long-lived) می‌نامند. اگر ال‌اچ‌سی واقعا این ذرات را تولید کند، احتمال دارد برخی از آن‌ها از تونل زیرزمینی شتاب‌دهنده فرار کرده و بالای زمین‌های زراعی نزدیک آنجا مانند مواد آتش‌بازی منفجر شده و به مواد عادی که می‌شناسیم واپاشی کنند! با فرض وجود این ذرات، دانشمندانی از دانشگاه‌های واشنگتن و راجرز برای گیرانداختن این آتش‌بازی‌ها، ساخت یک آشکارساز عظیم و قرار گرفتن آن در این مزارع را پیشنهاد دادند. آن‌ها در مقالات خود، نام این آشکارساز را ماتوسلا (Mathusla) گذاشتند. این نام از یک شخصیت افسانه‌ای گرفته شده که بیش از ۹۰۰ سال عمر کرده است!

دیوید کورتین، فیزکدان دانشگاه تورنتو یکی از اولین افرادی است که پیشنهاد آشکارسازی درات با عمر بلند در ال‌اچ‌سی را داده است.
دیوید کورتین، فیزیکدان دانشگاه تورنتو یکی از اولین افرادی است که پیشنهاد آشکارسازی ذرات با طول عمر بلند در ال‌اچ‌سی را داده است.

تاکنون تلاش‌ها برای مشاهده ذراتی با طول عمر کوتاه که توسط نظریه ابرتقارن پیش‌بینی شده بودند، ناموفق بوده و این فیزیکدانان را به سمت کشف ذرات با طول عمر بلند ترغیب کرده است. متاسفانه آشکارسازی ذرات با طول عمر بلند مشکل است، اما خبر خوب این است که کشف ذره بوزون هیگز توسط ال‌اچ‌سی ما را به این امر امیدوار کرده است.

 ذرات با طول عمر بلند و دوقلوهای هیگز

کشف ذره خدا یا همان هیگز در سال ۲۰۱۲ برای فیزیکدانان، دو نشانه‌ی مهم در برداشت: پیروزی در پیدا کردن آخرین قطعه‌ی از دست رفته مدل استاندارد و همچنین شاهد قانع‌کننده‌ای که نشان می‌داد این مدل، مشکل بزرگی دارد! این مشکل در مدل استاندارد مربوط می‌شود به جرم اندازه‌گیری شده هیگز که حدود هزار میلیون میلیون برابر کوچکتر از مقدار پیش‌بینی شده‌ی مکانیک کوانتومی است. فیزیکدانان این وضعیت را مشکل سلسله مراتبی می‌نامند. این مسئله مدرکی است مبنی بر اینکه مدل استاندارد تنها تقریبی از یک نظریه جامع‌تر است که می‌تواند جرم ذره هیگز را به طور طبیعی توضیح دهد. ابرتقارن برای مدت طولانی نامزد اصلی این نظریه جامع بود، زیرا مشکل سلسله مراتبی را با در نظر گرفتن ذرات جدیدی به عنوان شریک ذرات اصلی مدل استاندارد حل می‌کرد؛ اما با نیافتن هیچ نشانه‌ای از وجود این ذرات جدید ابرتقارنی در آزمایشات ال‌اچ‌سی، برخی فیزیکدانان راه حل مشکل سلسله مراتبی را مرتبط با ذرات بخش تاریک عالم می‌پندارند.

بخش تاریک، خانواده‌ای از ذرات هستند که بدون دخالت سه نیروی مدل استاندارد (نیروی قوی، نیروی الکترومغناطیس و نیروی ضعیف)، می‌توانند با هم برهمکنش کنند. این ذرات به طور مستقیم با ذرات اصلی برهمکنش نمی‌کنند و همین امر، آشکارسازی آنها را بسیار سخت می‌کند. وجود بخش تاریک ذرات می‌تواند به حل مشکل سلسله مراتبی کمک کند؛ به این صورت که هیگز با واکنش با ذرات مدل استاندارد، بیش از حد سنگین می‌شود و اگر این بخش تاریک وجود داشته باشد نقش کنترل کننده یا کاهنده جرم را خواهد داشت. «زکریا چاکو» که در اوایل دهه‌ی ۲۰۰۰، این مدل را پیشنهاد داد، آن را «هیگز دوقلو» نامید، زیرا در این مدل، هیگز مانند تمام ذرات مدل استاندارد یک دوقلو در بخش تاریک دارد. در این جا هیگز با توانایی ترک بخش مدل استاندارد (در واقع جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم) و رفتن به بخش تاریک از طریق تبدیل به دوقلوی خود، نقش ویژه‌ای بازی خواهد کرد.

آیا واقعا چنین چیزی اتفاق می‌افتد؟ برخورد پروتون-پروتون در ال‌اچ‌سی در یک ساعت، صدها بوزون هیگز ایجاد می‌کند، اما این فقط میزان کوچک از ذراتی است که پیوسته در این برخورد تولید شده و به سمت آشکارسازها یورش می‌برند. فقط کسر کوچکی از آن‌ها می‌توانند شمارش شوند. بر اساس اطلاعاتی که تاکنون به دست آمده، یک چهارم بوزون‌های هیگز ال‌اچ‌سی می‌توانند به بخش تاریک فرار کنند. اگر کشف فیزیکدانانی از دانشگاه مریلند در سال ۲۰۱۴ نبود، ردیابی چنین ذراتی که به بخش تاریک فرار می‌کنند، در عمل نا امید کننده بود. آنها به دلیل عدم اکتشافات جدید در ال‌اچ‌سی، به بررسی دوباره مدل هیگز دوقلوی چاکو پرداختند و فهمیدند که این مدل، به دلیل ذرات بخش تاریک می‌تواند طبیعی بودن را بازسازی کند. آنها همچنین دریافتند که در حالت کلی، برخی از ذرات بخش تاریک که هیگز به آن‌ها واپاشی می‌کند، پنهان نمی‌مانند و در کسری از زمان که یک طول عمر ماتوسلایی به حساب می‌آید، به ذرات مدل استاندارد واپاشی می‌کنند. چنین ذراتی می‌توانند در ال‌اچ‌سی‌ یا در نزدیکی آن مشاهده شوند.

رامن ساندرام فیزیکدانی در دانشگاه مریلند است که راهکارهایی برای حل مشکل طبیعی بودن با استفاده از بخش پنهان ارائه داده است.

کریستوفر هیل، فیزیکدانی از دانشگاه ایالت اوهایو و همکارش اندی هاس از دانشگاه نیویورک که در آزمایش اطلس در ال‌اچ‌سی کار می‌کند، در پروژه‌ای متفاوت به نام میلیکان به دنبال پیدا کردن این بخش تاریک هستند. نام این آزمایش به رابرت میلیکان (اولین کسی بود که بار الکترون را اندازه‌گیری کرد) اشاره دارد و همچنین این واقعیت را نشان می‌دهد که به دنبال ذراتی به نام میلی‌بار (باری به کوچکی یک هزارم باری که میلیکان برای الکترون اندازه گیری کرد) هستیم. در این آزمایش، یک فوتون اصلی می‌تواند به فوتون‌های بخش تاریک تبدیل شود. در این مورد، یک ذره‌ی شبه الکترون در بخش تاریک به عنوان یک ذره میلی‌بار در بخش مدل استاندارد ظاهر می‌شود.

کریستوفر هیل (سمت چپ) که پروژه میلیکان را با اندی هاس (سمت راست) رهبری می‌کنند.
کریستوفر هیل (سمت چپ) که پروژه میلیکان را با اندی هاس (سمت راست) رهبری می‌کنند.

ممکن است ایده‌ی بخش‌ تاریک، شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر برسند که توسط یک سری فیزیکدان مطرح شده، اما در واقع می‌دانیم که نمونه‌هایی وجود دارند که طبیعت همینطور رفتار می‌کند (ماده تاریک). مهم نیست که ما چیز زیادی در مورد ماده تاریک نمی‌دانیم، اما مطمئنیم مدرک محکمی است دال بر اینکه بخش دیگری ورای مدل استاندارد وجود دارد.

در واقع فیزیکدانان به دنبال ذرات با طول عمر بلند و بخش‌ تاریک هستند تا همه مسائل بنیادی فعلی در فیزیک، مانند ماده تاریک و نابرابری ماده و پادماده در عالم را حل کنند. نیما ارکانی حامد فیزیکدان مشهور ایرانی الاصل دانشگاه پرینستون، ایده جستجوی بخش‌های تاریک را طبیعی و بسیار جذاب می‌داند، اما به دنبال بخش‌های تاریک گشتن به معنی پیدا کردن ذرات با طول عمر بلند گریزان نیز است.

ذرات با طول عمر بلند و آتش‌بازی در انبار

فیزیکدانان تجربی، کشف ذرات با طول عمر بلند را به پیدا کردن سوزن در یک انبار کاه تشبیه می‌کنند، ما حتی نمی‌دانیم کدام انبار کاه! نمی‌توان این ذرات را منحرف کرد و گیر انداخت و یا حتی پراکنده کرد. ذرات با طول عمر بلند تا جایی که بخواهند پیش رفته و سپس هر جاکه بخواهند واپاشی می‌کنند. در نهایت پیگیری‌ها به پروژه ماتوسلا منجر شد. پس از ماه‌ها کار و جلسات مختلف و شبیه‌سازی، یک طرح اولیه ارائه شد:‌ یک سازه با ارتفاع ۲۰ متر که می‌تواند مساحتی بیش از هفت زمین فوتبال را پوشش دهد. پنج لایه ردیاب ذره که به کمک آنها می‌توان باقیمانده واپاشی ذرات که در فضای عظیمی اتفاق افتاده را بازساری کرد. این بنا روی زمین و بالای یکی از آشکارسازهای اطلس یا CMS ساخته خواهد شد.

در مقابل، پروژه میلیکان، یک آزمایش کوچکتر است که نیاز به بررسی جزیی‌تری دارد. آشکارساز آن به تونلی که به ساختمان ال‌اچ‌سی منتهی می‌شود، متصل می‌گردد. چالش این آزمایش اینجاست که یک ذره که بار الکتریکی برابر با یک هزارم بار یک الکترون دارد، به یک میلیون فوتون در یک آشکارساز ضربه می‌زند. آشکارسازهای میلیکان در سه لوله که هر کدام یک متر طول دارد، قرار می‌گیرند که هر سه لوله در نقطه برخورد پروتون‌ها به هم می‌رسند. طول لوله ها باید به قدری باشد تا در هر کدام از سه لوله، یک ذره میلی‌بار به یک فوتون ضربه بزند و یک سیگنال واضح ایجاد شود، به طوری که فیزیکدانان بتوانند یک ذره میلی‌بار واقعی را از دریای طوفانی اختلالات پس‌زمینه تشخیص دهند.

با اینکه هیچ کدام از این دو آزمایش توسط سرن تأیید نشده، اما مدل‌های اولیه، بر اساس قرار گرفتن در زمین ال‌اچ‌سی ساخته شده‌اند. ماتوسلا یک جعبه ۲٫۵ مترمربعی با بلندی ۵٫۵ متر است. مدل اولیه میلیکان یک نمونه مینیاتوری از نوع واقعی است که از قطعات باقیمانده ساخته شده و از لطف گروه CMS که فضای مورد استفاده خود را در اختیار گذاشته، بهره می‌برد.

در مقایسه با اطلس و CMS که هر کدام هزاران نفر کارمند داشته و از آشکارسازهای پیچیده به ارزش بیش از نیم میلیارد دلار در آن‌ها استفاده می‌شود، میلیکان و ماتوسلا به طور حتم طرح‌های محقری هستند که فقط با مقادیر به ترتیب یک میلیون و چند ده میلیون دلار عملی می‌شوند. هر دو پروژه، مبتنی بر تکنولوژی آشکارسازی ذرات هستند که قدمت آن به پروژه منهتن باز می‌گردد.

بنابر نظر یکی از اعضای کمیته تصمیم گیرنده این دو آزمایش در سرن، عملی کردن آنها از لحاظ علمی، آسان است، ولی نگرانی در مورد جنبه‌های عملی کار مانند هزینه، فضا و زمان آماده شدن آنها می‌باشد. اگر همه چیز خوب پیش برود، احتمالا ال‌اچ‌سی در اواسط سال ۲۰۲۰ شروع به جمع آوری داده خواهد کرد. ارکانی حامد معتقد است آزمایش‌های ماتوسلا و میلیکان می‌توانند بسیار شگفت‌آور باشند، با این حال هنوز مورد بررسی قرار نگرفته‌اند. شاید مهم‌ترین چیزی که این پروژه‌ها به ما بیاموزند این است که دانش ما درباره‌ی عالم چقدر اندک است!

فوق لیسانس فیزیک ذرات بنیادی. علاقمند به تقارنها و نظریه میدان‌های کوانتومی

گفتگو۲ دیدگاه

  1. با درود.. درمورد طول عمر ماتوسلایی توضیح مبسوطی ارائه دهید لطفا..ممنون از زحماتتون..

  2. سلام / واقعا از خواندن تک تک مقالات این سایت لذت فراوان می برم و هر چه جلوتر میروم بیشتر می فهم که هیچ نمی دانم و هیچ نیستم و بیشتر متوجه حقارت جایگاه خود در کیهان می شوم / هر چه هست و نیست متعلق به اوست / هیچ قدرت و نیرویی به جز او وجود ندارد /

ارسال نظر

*