ذره گریزپا در حلقه سرن

شاید بسیاری از شما در مورد بوزون هیگز و برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سرن، آزمایشگاه اروپایی برای فیزیک ذرات بنیادی، مطالبی را شنیده‌اید، اما چه کسی اطلاعات خوبی درباره این مفاهیم دارد؟ پیش روی شما کتابی قرار دارد که بر مبنای آنچه شما در ذهنتان به خاطر دارید، نوشته‌ شده و از اصطلاحاتی بهره برده که تا حد امکان برای هر فرد مشتاق، اما غیرمتخصص قابل‌درک باشد. هدف کتابِ «چه کسی به بوزون هیگز می‌اندیشد»، توضیح شفاف «بوزون هیگز» است. علاوه‌برآن موضوعات کلیدی در مورد فیزیک ذرات بنیادی نیز عنوان‌ شده تا در حد امکان برای بسیاری از افراد قابل‌ درک باشد. ازاین‌‌رو، هر خواننده مشتاقی می‌تواند جهانِ افسونگر فیزیک ذرات بنیادی را کشف کند، بدون آنکه اجازه دهد ریاضیات و توضیحات بسیار دقیق تخصصی مانع آن شود. مقدار قابل‌توجهی از کنجکاوی کافی خواهد بود و هیچ دانش اضافی‌ای از ریاضیات پیشرفته یا مفاهیم علمی بیشتر نیاز نیست. فقط دانشی در حد دبیرستان لازم است تا از خواندن این کتاب گویا و مهیج لذت ببرید.

کتاب از چه سخن می‌گوید؟ کتاب با توضیحی از هدف فیزیک ذرات بنیادی، توصیفات و توضیحاتی در مورد جهان ذرات بنیادی آغاز می‌شود. سپس به قلب موضوع پیش می‌رود تا ماهیت و نقش منحصربه‌فرد بوزون هیگز را کشف کند. در این کتاب خواهیم دید که چطور ذرات بنیادی در LHC/ ال.ایچ.سی تولید می‌شوند و چگونه فیزیک‌دانان آنها را آشکارسازی می‌کنند؛ سپس قدمی بزرگ برداشته، از بی‌نهایت کوچک به بی‌نهایت بزرگ می‌رویم تا بفهمیم تمام دانش اخیر در مورد فیزیک ذرات تنها پنج‌درصد از محتوای عالم را دربر می‌گیرد. مابقی چیزها برای کشف دست‌نخورده باقی ‌مانده و منجر به پیشنهاد نظریه‌ای گسترده‌تر و فراگیرتر می‌شود که می‌تواند به‌زودی جایگزین مدل اخیر شود؛ مدلی فراتر از مدل استاندارد ذرات بنیادی. موفقیت آزمایش‌های فیزیک ذرات بستگی به مدل مدیریت منحصربه‌فردی دارد که گروه مدیریت سرن برای هر یک از آزمایش‌ها، فعالیت‌هایی را هماهنگ می‌کند و بیش از اعمال نگرش‌ها و صدور دستورات به افراد، سازوکارهای از قبل موردقبول را دنبال می‌کند. ازاین‌رو، هزاران دانشمند از ده‌ها کشور مختلف با سطح بالایی از استقلال کاری با یکدیگر کار می‌کنند، بدون اینکه نظارت شدید و مستقیم روی آنها باشد و به‌سادگی با اهداف معمولی متحد شده‌اند. این دانشمندان کشف می‌کنند که جهان مادی چطور کار می‌کند. تنوع یعنی خلاقیت، هرچند که فیزیک ذرات با استقبال بیشتر مردم با جنسیت، تمایلات، نژادها و قابلیت‌های فیزیکی مختلف راه زیادی برای کشف دارد. در این کتاب دو فصل مهم و منحصر‌به‌فرد دراین‌باره نوشته ‌شده است: مدیريت در سرن و سازوکار آن، نقش زنان در دنیای ذرات بنیادی. کتاب با نگاهی به آینده نزدیک و کاوش آنچه می‌تواند در 10 یا 20 سال آینده اکتشافات بزرگی در فیزیک ذرات بنیادی رقم بزند به پایان می‌رسد. ما تقریبا در آستانه انقلاب علمی بزرگی هستیم و این اثر آن‌قدر خوب است که احتمال کنارگذاشتن آن برای خوانندگان، به‌ویژه جوانان و نوجوانان مشتاق علم دشوار می‌نماید. شما نیز می‌توانید درباره چیستی بوزون هیگز و دیگر جزئیات ضروری دست به اکتشاف بزنید تا درک بهتری از برخی موارد کلیدی در فیزیک امروزی داشته باشید. نویسنده در این کتاب چند مورد از جزئیات تاریخی و ریاضیاتی را کنار گذاشته‌ است تا نکات ضروری حفظ شوند. فیزیک‌دانان گاهی تمایل دارند موضوع را با وسواس‌های فکری‌شان که کاملا درست و بجا هستند، دشوارتر و چه‌بسا اندکی، هرچند ناخواسته، مبهم‌تر کنند. در مقام مقایسه، اگرچه این کتاب از نظر علمی درست است، اما هدف آن قابل ‌درک‌بودن است، نه معادلاتی در کار است و نه محاسباتی پیچیده. هر فردی با کمینه علاقه‌ای می‌تواند بدون اندکی انحراف مطالب این کتاب را درک کند و این علاقه را به اشتراک بگذارد که می‌تواند موجب ایجاد انگیزه در هزاران دانشمند درگیر در این نوع تحقیق شود. از آنجایی‌ که نویسنده قصد ندارد تغییرات اندک و گذرایی برای اکثر خوانندگان کنجکاو ایجاد کند، بنابراین تمام اطلاعاتی که آن دسته از افراد انتظار دارند را برآورده کرده است. این جزئیات درون متن اصلی در کادرهایی جمع‌آوری ‌شده‌اند تا خواندن را برای اکثر علاقه‌مندان که در پی تصویری شفاف و کلی هستند، آسان‌تر کند. چندین کتاب تخصصی دسترس‌پذیر در بازار وجود دارند که به خوانندگان مشتاق اجازه می‌دهند تا به عمق مطالب نفوذ کنند. اگر شما فرد کنجکاوی هستید - کسی که به‌سادگی می‌خواهد بداند بخشی از پول مالیاتی که پرداخت می‌کند چگونه صرف تحقیقات علمی می‌شود- این کتاب برای شماست. شما نیز می‌توانيد از دانش خارق‌العاده زیادی که در تحقیقات فیزیک ذرات وجود دارد، بهره‌مند شوید و اگر اشتیاق به فهم بهتر جهان اطرافمان در ذهن و دیدگاهتان توجیه کافی برای سرمایه‌گذاری‌های زیاد در تحقیقات نیست، کل فصول این کتاب تأثیرات اقتصادی و اجتماعی تحقیقات بنیادی را آشکار می‌کند. این اثر در 10 فصل تنظیم‌ شده است. نویسنده، خود، نسخه انگلیسی و فرانسوی آن را تألیف کرده و درحال‌حاضر نسخه فارسی آن نیز توسط نگارنده اين مقاله، ترجمه و آماده چاپ است. فصل‌های این کتاب عبارتند از: 1- ماده از چه چیزی ساخته‌ شده است: کوچک‌ترین اجزای ماده چیست؟ چطور با یکدیگر در برهم‌کنش هستند به‌گونه‌ای که چیزی را می‌سازند و ما در اطراف خود مشاهده می‌کنیم؟ 2- درباره بوزون هیگز چه می‌دانیم: درواقع، سه عنصر برای تولید جرم‌های ذرات بنیادی لازم هستند: یک سازوکار، یک میدان و یک بوزون. سازوکار برو-آنگلرت- هیگز یک صورت‌گرایی (Formalism) ریاضیاتی است که از طریق معادلات، وجود فیزیک واقعی، میدان برو-‌آنگلرت- هیگز را توصیف می‌کند. این میدان مانند فضا و زمان، به‌سادگی یکی از ویژگی‌های عالم ماست. بوزون هیگز یک برانگیزش از این میدان است، درست مانند موجی که یک برانگیزش از سطح اقیانوس است. کشف بوزون هیگز، وجود این میدان را اثبات می‌کند. 3- شتاب‌دهنده‌ها و آشکارسازها؛ ابزاری ضروری: تولید بوزون‌های هیگز، یکی از اهداف برخورددهنده ‌بزرگ ‌هادرونی یا LHC در سرن بود. ابتدا پروتون‌ها را تا نزدیکی سرعت نور شتاب داده، سپس آنها را به هم برخورد می‌دهند. این شتاب‌دهنده می‌تواند مقدار زیادی از انرژی را در نقطه بی‌نهایت کوچکی از فضا متمرکز کند. 4- کشف بوزون هیگز: با طبقه‌بندی میلیاردها رویداد گردآوری‌شده با آشکارسازهایی که در LHC عمل می‌کنند، فیزیک‌دانان قادرند رویدادهای کمی که ویژگی‌هایی از بوزون هیگز را داراست، استخراج کنند. 5- سویِ تاریک عالم: مدل استاندارد به‌طور شگفت‌انگیزی به‌خوبی کار می‌کند، اما فقط برای پنج درصد از محتوای عالم کاربرد دارد. در مورد 27 درصد دیگر عالم نوع عجیبی ماده وجود دارد که قطعا مرموزترین نوع است و ماده تاریک نام دارد. 68 درصد باقی‌مانده از عالم دارای شکل خاصی از انرژی است که بسان ناشناخته‌بودنش مرموز نیز هست. 6- درخواست کمک از ابرتقارن: مدل استاندارد، با وجود موفقیت شگفت‌انگیزش ایرادها و نقص‌هایی هم دارد؛ برای مثال، گرانش و ماده تاریک را توضیح نمی‌دهد. مشخص است که باید نظریه جامع‌تری وجود داشته باشد که بر اساس مدل استاندارد باشد، اما چیزهای بیشتری را دربر بگیرد. یک نظریه قابل‌قبول و وسوسه‌انگیز، ابرتقارن يا SUSY نام دارد که بسیار محبوب است. (در فارسی مخفف SUSY را سوسی می‌گویند که برگرفته از تلفظ انگلیسی آن «سوپرسیمتری» است). 7- تحقیقات بنیادی به ما چه می‌آموزند: تمام تحقیقات در سرن هزینه‌بر هستند. آیا ارزشش را دارد؟ پاسخ من بی‌تردید «بله» است. باید قدردان تحقیقات بنیادی بود که سبب فهم و درک بیشتر را از دنیای مادی اطراف برای نوع بشر فراهم آورده است. درواقع منافع تحقیقات بنیادی پیش ‌از این هم زیاد بوده، اما وقتی بیشتر به آن توجه می‌کنیم، منافع آن فراتر از اینهاست. 8- مدل منحصربه‌فردی از مدیریت: هزاران پژوهشگر بدون نظارتِ بی‌واسطه، آزاد در تصمیم‌گیری برای زمان و مکان و چگونگی انجام کار با یکدیگر همکاری دارند. آیا این شیوه واقع‌گرایانه است؟ درواقع چگونگی همکاری‌های بزرگ در فیزیک ذرات تا این اندازه کاربرد دارند. 9- تنوع در فیزیک: امروزه نسبت به چند دهه قبل زنان بیشتری در امور مربوط به فیزیک مشغول به کار هستند. اگرچه در سرن فقط 17.5 درصد از دانشمندان خانم هستند، اما شرایط مدام رو به بهبود بود. چرا و چطور این شرایط بهتر خواهد شد؟ 10- اکتشافات بعدی چه می‌تواند باشد: در جایگاه نتیجه‌گیری، گوی بلورین خود را برای پیش‌بینی آنچه در سال‌های اخیر رخ خواهد داد بیرون آورده و به‌طور خاص، شروع دوباره برخورددهنده بزرگ ‌هادرونیِ سرن در سال 2015 با انرژی بالاتر دروازه‌هایی را به روی اکتشافات جدید گشود. این پیشرفت‌ها توانست انقلابی در درک ما نسبت به جهان مادی اطرافمان ایجاد کند. پیوست دوم و پایانی کتاب به بازگوکردن نقش چندان آشکارنشده همسر صبور و شکیبای نابغه قرن، پروفسور میلوا ماریک / ماریچ اینشتین اختصاص داده شده است. این بخش پایانی به گمان من کتاب مستقلی است از توصیف شکیبایی و تحمل یک زن دانشمند در زندگی کنار نابغه‌ای شگفت با شهرتی شگفت‌آور که مرد قرن در علم لقب گرفت، اما این زن دانشمند که چیزی از دانش مردان زمانه خود کم نداشت، با شکیبایی مادرانه‌ای به‌دور از غوغای شهرت پیرامون خانواده‌اش، یک‌تنه به تربیت دو فرزند پسرش همت گماشت و جوانی، دانش و تمام زندگی‌اش را نثار آنها کرد تا پنهان، ولی جاودانه بماند. پروفسور گنیو هوشیارانه پیوست پایانی کتابش را نگاشته و به‌خوبی نمونه‌ای از عشق مادرانه یک زن دانشمند را در میان غوغای شهرت پیرامونش، به رشته تحریردرآورده است. مدلی موفق از مدیریت و تولید علم سِــرن ســرنـــام عبـــارت فــــرانســـوی Conseil Europeen pour le Recherche Nucleair مرکز پژوهش‌های اروپایی فیزیک ذرات است. در مرز فرانسه و سوئیس و نزدیک ژنو، در سال ۱۹۵۴، سرن را ۱۲ کشور اروپایی (که در پایان سال ۱۹۹۷ شمار کشورها به ۱۹ رسید) با هدف هماهنگ‌سازی همکاری میان کشورهای اروپایی در پژوهش‌های هسته‌ای کاملا غیرنظامی بنیاد نهادند. پهنه اصلی پژوهش در سرن درباره ذرات بنیادی و هسته‌ای است. این هدف با چندین شتاب‌دهنده ذره انجام می‌شود. نخستین شتاب‌دهنده در آغاز سال ۱۹۵۷ به کار افتاد و در پی آن چندین سنکروترون و سیکلوترون و ابر سنکروترون راه‌اندازی شدند. در سال ۱۹۸۹ طرح و ساخت برخورددهنده بزرگ هادروني (LHC) آغاز شد. این شتاب‌دهنده برای برخورددادن شاخ‌به‌شاخ پروتون‌ها و یون‌ها در انرژی‌های بالا پایه‌ریزی شد. این پدیده امکان نفوذ بیشتر به درون ساختار ماده را فراهم آورده و به آفرینش ماده در جهان آغازین، درست پس از مهبانگ می‌پردازد. راه‌اندازی این شتاب‌دهنده و در پی آن سیملوله فشرده میونی (CMS) در سال ۱۹۹۹ با هدف آشکارسازی پدیده‌هایی است که در برخوردهای پرانرژی پروتون- پروتون و یون‌های سنگین به وجود آیند و پاسخ به پرسش‌هایی درباره ساختار بنیادی ماده و کشف پدیده‌های جدید و پیش‌بینی ‌نشده است. این کشف‌ها فیزیک‌دان‌ها را به تأمل بیشتر در ساختار ماده واداشت؛ اما کاوش‌های آنها به ماده و پادماده موجود و کشف‌شده ختم نشد و به یکی از پررمز‌ورازترین بحث‌های فیزیک ذرات کشیده شد و آن وجود ماده تاریک است که فراوانی آن چند برابر ماده معمولی است و مانند هاله‌ای بزرگ پیرامون جهان اسرارآمیز ما را فراگرفته و ماده معمولی که کهکشان‌ها را تشکیل داده، درون این هاله قرار دارد! ماهیت ماده تاریک ناشناخته است، اما فیزیک‌دان‌ها بر این عقیده‌اند که ماده تاریک نیز مانند ماده معمولی از ذرات تشکیل‌ شده است. حالا تلاش برخی از فیزیک‌دان‌ها و اخترفیزیک‌دان‌ها برای شکار ذرات این ماده تاریک است. این بحث‌ها از گستره فیزیک‌دان‌های محض فراتر رفته و به برخی فیلسوف-فیزیک‌دان‌ها سرایت کرده تا در بازه ساختار عالم و نظام خلقت اندیشه‌ورزی کنند طوری که در دهه‌های اخیر چالشی را در میان برخی از دانشمندان در تبیین نظام خلقت به وجود آورده است. از میان ذرات بنیادی کشف‌شده، بوزون هیگز یکی از ذرات بسیار بحث‌برانگیز دو دهه اخیر بوده است. بوزون هیگز، مزونِ پنداری با اسپین صفر و جرم نا-صفر است که وجود آن را پیتر هیگز حدود ۵۰ سال پیش برای توضیح جرم نا-صفر بوزون‌های W و Z، میانجی‌های برهم‌کنش ضعیف مطابق مدل استاندارد و برای رفع ناموفق‌بودن نظریه الکتروضعیف در توصیف درست ویژگی‌های برخوردی ذره‌های بنیادی در انرژی بالا پیش‌بینی کرد. توان شتاب‌دهنده‌های آن روز برای آشکارسازی بوزون هیگز بسنده نبودند. سرانجام این ذره در ۱۴ تیرماه ۱۳۹۱ (چهارم جولاي ۲۰۱۲) در شتاب‌دهنده سرن آشکارسازی و این خبر به‌طور رسمی از سوی سرن اعلام شد. این ذره در چند آزمایش جداگانه نیز مشاهده ‌شده است. اگر بوزون هیگز وجود نمی‌داشت آن‌گاه ذره‌های W و Z، انتقال‌دهنده نیروی ضعیف هسته‌ای، جرم‌دار نبودند. بوزون هیگز معروف به حلقه اصلی گنبد آفرینش، تأمین‌کننده جرم ذره‌هایی مانند فوتون، نوترینو و... در عالم هستی است. پیتر هیگز و فرانسوا آنگلرت به‌ پاس کشف نظریه سازوکاری که منجر به درک ما از منشأ انبوه ذره‌های زیراتمی و کشف ذره‌های بنیادی پیش‌بینی‌شده در برخورددهنده بزرگ هادرونی سرن شد، جایزه نوبل فیزیک سال 2013 را دریافت کردند. برخورددهنده بزرگ هادرونی هنوز در گام‌های نخستین خود است. در 20 سال آینده داده‌های کافی برای پیشرفت‌های زیادی در فیزیک ذرات تولید خواهد کرد. ذرات جدید یا بی‌هنجاری‌ها می‌توانند خیلی زود کشف شوند و در طولانی‌مدت ماهیت «فیزیک جدید» را ورای مدل استاندارد آشکار كنند. اگر ذرات ابرتقارن وجود داشته باشند، هر امکانی برای کشف آنها را خواهیم داشت و اگر ثابت شود که آنها وجود ندارند، باید داده‌های تجربی بیشتری داشته باشیم که می‌توانیم برای صورت‌بندی و فرمول‌نویسی فرضیه‌های نظری بهتر در مورد فیزیک نوین از آنها استفاده کنیم. همچنین باید درنهایت شروع به رویارویی با برخی پرسش‌های باقی‌مانده در مورد بوزون هیگز کنیم: خواه منحصربه‌فرد باشد، خواه ارتباطی بین ماده معمولی و ماده تاریک ایجاد کند و خواه ابرتقارنی باشد یا نه. در دهه پیش‌رو، آزمایش‌های در حال انجام و برنامه‌ریزی‌شده زیادی به ما اطلاعات بیشتری در مورد ماده تاریک خواهند داد. حتی می‌توانیم لذت زیادی از شکار اولین ذرات ماده تاریک داشته باشیم. چه کسی می‌داند آن چیزی که شاید موفق به کشف آن شویم، می‌تواند کاملا غیرمنتظره باشد. با افزایش انرژی و شدت LHC و ساخت آشکارساز ماده تاریک نسل دوم، اقبال کشف‌های جدید بسیار زیاد خواهد بود. ذره‌ای که با خود نوبل به همراه آورد یافتن بوزون هیگز مانند جست‌وجو برای سیگنالی از یک ایستگاه رادیویی است که روی بسامد ناشناخته‌ای برنامه اجرا می‌کند. هرچه نوفه زمینه ایستا بیشتر باشد، پیداکردن سیگنال سخت‌تر می‌شود. مشخصه بوزون‌هیگز منحصربه‌فرد نیست و می‌تواند با واپاشی‌های دیگر ذرات که کاری با بوزون هیگز ندارند تقلید شود. واپاشی ذره مشابه خردکردن یک سکه درشت است. از طریق قیاس، چهار سکه 50سنتی می‌تواند هم به یک سکه دویورویی (به روش قیاسی، سیگنال) با دو سکه یک‌یورویی (زمینه) تبدیل شود. فقط روش‌های آماری پیشرفته می‌توانند به ما اجازه دهند تا سیگنال را از زمینه تشخیص دهیم. فیزیک‌دان‌ها از شبیه‌سازی استفاده می‌کنند تا رویدادهای تقلبی را تولید کنند که به ما کمک می‌کند تا آنچه باعث تشخیص سیگنال از زمینه می‌شود را تعیین کنیم و معیارهای انتخاب را اجرا کنیم. نه‌تنها انجام این شبیه‌سازی‌ها به ما اجازه درک آشکارساز به‌طور کامل و درجه‌بندی آن را می‌دهد، بلکه آنها همچنین تخمینی از چگونگی برآمدن بسیاری از رویدادها از زمینه را زمانی که معیار انتخاب داده‌ها را اعمال می‌کنیم، باعث می‌شوند. اگر رویدادهای بیشتری نسبت به آنچه پیش‌بینی‌ شده است از تمام فرایندهای شناخته‌شده دیگر پیدا شود، شانس اینکه ذره جدیدی پیدا کنیم بیشتر می‌شود. علاوه بر این، اگر چنین افزایشي در کانال‌های واپاشی مختلفی رخ دهد و با دو آزمایش کاملا جداگانه که به‌طور مستقل، محرمانه و پوشيده کار می‌کنند، مشاهده شوند، شواهد قانع‌کننده می‌شوند. گویا چندین گروه مستقل بسامد مشابهی را برای ایستگاه رادیویی اسرارآمیز به دست آورده‌اند، بدون اینکه با هم مشورت و از ابزارهای متفاوتی استفاده کنند. این چیزی بود که در چهارشنبه 14 تیر 1391 با اعلام نتایج مشابهی توسط آزمایشگاه ATLAS و CMS آشکار شد. آن‌گاه فهمیدیم که ما ذره جدیدي را کشف کرده‌ایم که دقیقا مانند بوزون هیگز است.