شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی؛ کشف اسرار ماده و فیزیک نوین در اعماق زمین

جهان از چه ساخته شده است و ذرات بنیادی چگونه جرم به دست می‌آورند؟ این‌ها سوالاتی هستند که بشر قرن‌هاست برای پاسخ به آن‌ها تلاش می‌کند اما با ساخت شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider) یا همان ال‌اچ‌سی، فیزیکدانان ابزاری بی‌نظیر برای بازسازی شرایط نخستین ثانیه‌های پس از بیگ‌بنگ (Big Bang) در اختیار دارند. دانستن درباره این دستاورد عظیم علمی برای هر کسی که به نجوم، فیزیک و آینده فناوری علاقه‌مند است بسیار ضروری و افزاینده دانش است، چرا که این ابرسازه مرزهای مهندسی و فیزیک نظری را جابجا کرده است. در این مقاله می‌خواهیم بررسی کنیم که پس از گذشت سال‌ها از شروع به کار این شتاب‌دهنده، چه دستاوردهایی حاصل شده است؟ آیا واقعاً خطر ایجاد سیاه‌چاله‌های نابودگر در این دستگاه وجود دارد یا این‌ها صرفاً سوءبرداشت‌های رسانه‌ای هستند؟ با ما همراه باشید تا سیر تحول و یافته‌های جدید این پروژه جهانی را مرور کنیم.

ساختار مهندسی و ابعاد ال‌اچ‌سی

شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی (LHC) یک تونل دایره‌ای شکل به محیط ۲۷ کیلومتر است که در عمق ۱۰۰ متری زمین در نزدیکی مرز سوئیس و فرانسه ساخته شده است. این تونل غول‌پیکر حاوی آهنرباهای ابررسانای بسیار قدرتمندی است که در دمایی نزدیک به صفر مطلق یعنی منفی ۲۷۱.۳ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند، دمایی که حتی از اعماق فضا نیز سردتر است. این آهنرباها وظیفه دارند باریکه‌های پروتون را در مسیری دایره‌ای هدایت کنند تا با سرعتی نزدیک به سرعت نور به حرکت درآیند.

مهندسی این مجموعه به قدری دقیق است که هرگونه لرزش کوچک در سطح زمین، حتی جزر و مد ناشی از ماه یا عبور قطارهای سریع‌السیر در ژنو، در تنظیمات دستگاه لحاظ می‌شود. بیش از ۹ هزار آهنربای مختلف در این تونل به کار رفته است که جریان الکتریکی عظیمی را برای هدایت ذرات هدایت می‌کنند. این ابعاد حیرت‌انگیز مهندسی نشان می‌دهد که چگونه بشر توانسته است پیچیده‌ترین و بزرگ‌ترین ماشین ساخته دست خود را برای کاوش در کوچک‌ترین ذرات جهان هستی به کار گیرد.

تاریخچه ساخت و همکاری‌های بین‌المللی سرن

ایده اولیه ساخت شتاب‌دهنده‌ای در این مقیاس به دهه ۱۹۸۰ برمی‌گردد اما کار ساخت رسمی آن توسط سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای (CERN) سال‌ها به طول انجامید و سرانجام در سال ۲۰۰۸ به بهره‌برداری رسید. در طراحی، ساخت و اجرای این پروژه عظیم علمی، بیش از ۸ هزار دانشمند، مهندس و تکنسین از ۸۵ کشور دنیا مشارکت داشته‌اند که نمونه‌ای بی‌نظیر از دیپلماسی علمی و همکاری جهانی بدون مرزهای سیاسی است.

این مرکز پژوهشی به عنوان نمادی از صلح و همکاری علمی شناخته می‌شود که در آن دانشمندانی با ملیت‌های مختلف که کشورهایشان در حال تنش هستند، در کنار یکدیگر روی پروژه‌های مشترک فیزیک کار می‌کنند. بودجه این پروژه میلیاردی توسط کشورهای عضو سرن تامین شده و دستاوردهای علمی آن به طور رایگان و عمومی در اختیار تمام جامعه علمی جهان قرار می‌گیرد تا سرعت پیشرفت علم شتاب بیشتری به خود بگیرد.

مکانیسم شتاب‌دهی و برخورد پروتون‌ها

فرآیند کار در ال‌اچ‌سی با تزریق پروتون‌ها از کپسول‌های گاز هیدروژن آغاز می‌شود و ذرات در چندین شتاب‌دهنده کوچک‌تر پیش‌شتاب می‌گیرند تا به انرژی لازم برای ورود به تونل اصلی برسند. در تونل اصلی، دو باریکه از پروتون‌ها در دو جهت مخالف (ساعت‌گرد و پادساعت‌گرد) به حرکت درمی‌آیند و با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی قوی، انرژی آن‌ها به مرور افزایش می‌یابد تا به مرز سرعت نور برسند.

سپس در نقاط مشخصی از دایره، این دو باریکه با یکدیگر برخورد داده می‌شوند تا در اثر این برخورد پرانرژی، ذرات جدیدی متولد شوند که در شرایط عادی در طبیعت وجود ندارند. این برخوردها در میلیاردها بار در ثانیه رخ می‌دهند و انرژی آزاد شده در نقطه برخورد، شبیه‌سازی کوچکی از انرژی موجود در لحظات آغازین خلقت جهان است که امکان مطالعه ذرات بنیادی را فراهم می‌کند.

کشف تاریخی بوزون هیگز و میدان انرژی آن

بزرگ‌ترین و درخشان‌ترین دستاورد ال‌اچ‌سی تا به امروز، کشف ذره بوزون هیگز (Higgs boson) در سال ۲۰۱۲ بود که وجود آن حدود نیم قرن قبل توسط پیتر هیگز پیش‌بینی شده بود. این ذره که در رسانه‌ها به اشتباه ذره خدا نامیده شد، کلید فهم این موضوع است که چرا ذرات بنیادی دیگر دارای جرم هستند و بدون آن، هیچ اتم، ستاره یا کهکشانی در جهان شکل نمی‌گرفت.

کشف بوزون هیگز کامل‌کننده مدل استاندارد فیزیک ذرات (Standard Model) بود و تایید کرد که میدانی نامرئی به نام میدان هیگز در سراسر کیهان پخش شده است که ذرات با عبور از آن جرم کسب می‌کنند. این کشف تاریخی جایزه نوبل فیزیک را برای نظریه‌پردازان آن به ارمغان آورد و نشان داد که محاسبات ریاضی فیزیکدانان در توصیف ساختار نادیدنی جهان تا چه حد دقیق و درست بوده است.

سال‌های پس از راه‌اندازی؛ آپدیت‌ها و فازهای جدید

از زمان اولین برخوردها در سال ۲۰۰۸، اکنون سال‌ها می‌گذرد و شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی دوره‌های خاموشی موقت طولانی را برای ارتقاء تجهیزات و افزایش انرژی برخوردها تجربه کرده است. در طول این سال‌ها، دستگاه از فاز اول به فازهای دوم و سوم وارد شده و انرژی برخورد ذرات را از ۷ تِراالکترون‌ولت اولیه به رکورد بی‌سابقه ۱۳.۶ تِراالکترون‌ولت رسانده است.

این ارتقاهای مداوم به دانشمندان اجازه می‌دهد تا برخوردهای شدیدتری را ثبت کنند و شانس دیدن ذرات سنگین‌تر و نادرتر را افزایش دهند. با وجود گذشت بیش از پانزده سال از آغاز به کار، ال‌اچ‌سی همچنان در خط مقدم فیزیک تجربی جهان قرار دارد و برنامه‌ریزی‌ها نشان می‌دهد که این دستگاه تا اواخر دهه ۲۰۳۰ با نام «شتاب‌دهنده با درخشندگی بالا» به کار خود ادامه خواهد داد.

آشکارسازهای چهارگانه و وظایف هر کدام

برخوردهای پرانرژی در ال‌اچ‌سی در دل چهار آشکارساز عظیم به نام‌های اطلس (ATLAS)، سی‌ام‌اس (CMS)، آلیس (ALICE) و ال‌اچ‌سی‌بی (LHCb) اتفاق می‌افتند که هر کدام مانند دوربین‌های سه‌بعدی غول‌پیکر عمل می‌کنند. اطلس و سی‌ام‌اس آشکارسازهای عمومی هستند که برای جستجوی بوزون هیگز و فیزیک جدید طراحی شده‌اند و ساختاری کاملاً مستقل از هم دارند تا نتایج یکدیگر را تایید کنند.

آشکارساز آلیس به مطالعه برخورد یون‌های سنگین و بازسازی حالت پلاسمای کوارک-گلوئون (شرایط جهان در میکروسانیه‌های اول بیگ‌بنگ) می‌پردازد و ال‌اچ‌سی‌بی روی مطالعه ضد ماده و علت ناپدید شدن آن در جهان تمرکز دارد. این چهار آزمایشگاه بزرگ که در نقاط مختلف تونل ۲۷ کیلومتری قرار گرفته‌اند، داده‌های متفاوتی را ثبت می‌کنند تا تصویری جامع از فیزیک ذرات بنیادی ارائه دهند.

شایعات پایان جهان و فرضیه سیاه‌چاله‌ها

در سال‌های ابتدایی راه‌اندازی ال‌اچ‌سی، موجی از نگرانی‌های عمومی و شایعات رسانه‌ای ایجاد شد مبنی بر اینکه برخوردهای پرانرژی دستگاه ممکن است سیاه‌چاله‌های کوچکی ایجاد کند که کل کره زمین را ببلعد. فیزیکدانان به سرعت توضیح دادند که انرژی برخوردهای کیهانی طبیعی در جو زمین بسیار بیشتر از توان ال‌اچ‌سی است و زمین میلیاردها سال است که بدون هیچ مشکلی با این ذرات بمباران می‌شود.

حتی اگر سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی در این برخوردهای آزمایشگاهی ایجاد شوند، بر اساس نظریه تابش هاوکینگ در کسری از ثانیه تبخیر شده و از بین می‌روند و فرصتی برای رشد ندارند. این سوءبرداشت‌های علمی با گذشت سال‌ها و تداوم کار بی‌خطر دستگاه برطرف شد و نشان داد که ترس از فناوری‌های نوین اغلب ناشی از عدم درک مکانیسم‌های علمی و فیزیکی آن‌ها در جامعه است.

نقش ال‌اچ‌سی در جستجوی ماده تاریک

یکی از بزرگ‌ترین رازهای حل‌نشده فیزیک مدرن، ماهیت ماده تاریک (Dark Matter) است که حدود ۸۵ درصد از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد اما با نور برهم‌کنش ندارد و دیده نمی‌شود. دانشمندان امیدوارند با افزایش انرژی برخوردها در فازهای جدید ال‌اچ‌سی، بتوانند ذرات فرضی سازنده ماده تاریک مانند ذرات ابرتقارنی را در آزمایشگاه تولید و شناسایی کنند.

اگرچه هنوز ردیابی مستقیمی از این ذرات ثبت نشده است، اما داده‌های به دست آمده فرضیه‌های بسیاری را محدودتر و دقیق‌تر کرده‌اند تا فیزیکدانان بدانند در چه محدوده‌هایی باید به دنبال این ماده مرموز بگردند. حل معمای ماده تاریک با استفاده از داده‌های شتاب‌دهنده می‌تواند فهم ما از نحوه شکل‌گیری کهکشان‌ها و سرنوشت نهایی کیهان را به طور بنیادی تغییر دهد.

انرژی‌های بی‌سابقه و رکوردهای ثبت شده

شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی با ثبت رکوردهای جدید در زمینه انرژی ذرات، توانسته است شرایطی را ایجاد کند که در هیچ جای منظومه شمسی به طور طبیعی یافت نمی‌شود. ذرات در این دستگاه با انرژی‌های در مقیاس تِراالکترون‌ولت به هم برخورد می‌کنند که باعث تولید دماهایی تریلیون‌ها برابر داغ‌تر از مرکز خورشید در نقطه‌ای بسیار کوچک می‌شود.

این رکوردهای انرژی به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا فراتر از محدودیت‌های مدل استاندارد بروند و به دنبال نشانه‌هایی از ابعاد اضافی فضا یا تئوری‌های نوین ریسمان بگردند. هر افزایش کوچکی در انرژی برخوردها، پنجره جدیدی را به روی پدیده‌های ناشناخته باز می‌کند که می‌تواند کتاب‌های درسی فیزیک را در سال‌های آینده بازنویسی کند.

فناوری‌های جانبی متولد شده در سرن

پژوهش‌های انجام شده در سرن و ال‌اچ‌سی نه تنها فیزیک نظری را جلو برده، بلکه منجر به ابداع فناوری‌های کاربردی روزمره‌ای شده است که زندگی همه ما را تغییر داده‌اند. مشهورترین نمونه آن، شبکه جهانی وب (WWW) است که در ابتدا توسط تیم برنرز لی در سرن برای اشتراک‌گذاری آسان داده‌ها بین دانشمندان طراحی شد و امروز بستر اینترنت مدرن را ساخته است.

همچنین پیشرفت در زمینه آهنرباهای ابررسانا و آشکارسازهای ذرات منجر به بهبودهای شگرفی در تصویربرداری‌های پزشکی مانند دستگاه‌های ام‌آرآی (MRI) و روش‌های نوین درمان سرطان با پروتون‌تراپی شده است. این دستاوردهای جانبی نشان می‌دهند که سرمایه‌گذاری بر روی علوم پایه و پروژه‌های بزرگ فضایی و فیزیکی، چگونه به طور غیرمستقیم به بهبود کیفیت زندگی انسان‌ها و توسعه صنایع تکنولوژیک کمک می‌کند.

چالش‌های پردازش داده‌های عظیم آزمایشگاهی

میزان داده‌های تولید شده توسط برخوردهای ال‌اچ‌سی به قدری نجومی است که هیچ ابرکامپیوتری به تنهایی قادر به ذخیره‌سازی و پردازش آن‌ها نیست. برای حل این مشکل، سرن شبکه محاسباتی مشبک جهانی (LHC Computing Grid) را ایجاد کرد که هزاران کامپیوتر را در سراسر دنیا به هم متصل می‌کند تا داده‌ها را به صورت توزیع شده تحلیل کنند.

این روش انقلابی در پردازش داده‌های بزرگ (Big Data)، الگوهای جدیدی را برای ذخیره‌سازی ابری و تحلیل‌های هوش مصنوعی ارائه داده است که امروز در صنایع مالی و هواشناسی نیز کاربرد دارند. فیلتر کردن هوشمند میلیاردها برخورد در ثانیه و جدا کردن برخوردهای ارزشمند علمی از نویزهای پس‌زمینه، یکی از پیچیده‌ترین عملیات‌های نرم‌افزاری جهان است که در سرن انجام می‌شود.

نسل بعدی شتاب‌دهنده‌ها و آینده فیزیک ذرات

با وجود اینکه ال‌اچ‌سی همچنان در حال کار است، دانشمندان از هم‌اکنون به فکر ساخت جانشین آن با ابعادی بسیار بزرگ‌تر و انرژی‌های فراتر از تصور هستند. پروژه شتاب‌دهنده دایره‌ای آینده (FCC) با طول تونل ۱۰۰ کیلومتر یکی از این طرح‌هاست که می‌تواند انرژی برخوردها را به مرز ۱۰۰ تِراالکترون‌ولت برساند و اسرار عمیق‌تری از جهان را فاش کند.

این پروژه‌های آینده‌نگرانه نشان می‌دهند که کنجکاوی بشر برای شناخت جهان پایانی ندارد و مسیر علم همواره رو به جلو است. ساخت چنین دستگاه‌هایی نیاز به دهه‌ها برنامه‌ریزی و همکاری‌های بین‌المللی جدید دارد تا مطمئن شویم که چراغ کاوش در دنیای ذرات بنیادی برای نسل‌های آینده نیز روشن خواهد ماند.

سوالات متداول

دکتر علیرضا مجیدی

پزشک، نویسنده و بنیان‌گذار وبلاگ «یک پزشک»

دکتر علیرضا مجیدی، نویسنده و بنیان‌گذار وبلاگ «یک پزشک».
با بیش از ۲۰ سال نویسندگی «ترکیبی» مستمر در زمینهٔ پزشکی، فناوری، سینما، کتاب و فرهنگ.
باشد که با هم متفاوت بیاندیشیم!

دربارهٔ علیرضا مجیدی در یک پزشک