بزرگترین شتاب دهنده ی ذرات به دنبال کشف نیروی پنجم

رسانه تحلیلی تصویری بهمن، گروه علم و فناوری - میثا سبز‌علی‌زاده: بزرگ‌ترین و قدرتمندترین شتاب‌دهنده‌ی ذرات، پس از سه سال وقفه، تعمیر و بروزرسانی دوباره کار خود را آغاز می‌کند تا به کاوش اسرار فیزیک بپردازد.
برخورد دهنده یا شتاب‌دهنده هادرونی بزرگترین دستگاه ساخت دست بشر در یک تونل زیرزمینی ۲۷ کیلومتری در مرز فرانسه با سوئیس قرار دارد.

بخش مرکزی این برخورد دهنده، بزرگ‌ترین فریزر دنیاست. با دمایی پایین‌تر از دمای فضا، در این برخورد دهنده، آهن، فولاد و تمام فلزهای ابررسانای مهم وجود دارد. این برخورد دهنده ۱۲۰ تن هلیوم نیاز دارد تا آهنرباهای آن در دمای ۱.۹ درجهٔ کلوین عملکرد خود را حفظ کنند.

به صورت همزمان، این برخورد دهنده می‌تواند به دمای باورنکردنی بیش از ۱۰۰ هزار برابر مرکز خورشید برسد. در این شتاب دهنده ذرات به منظور کشف تعداد زیادی از ذرات جدید با سرعتی نزدیک به سرعت نور شتاب داده می‌شوند. یعنی هر پروتون بیش از ۱۱۰۰۰ بار در ثانیه به دور حلقه ی ۲۷ کیلومتری شتاب دهنده حرکت می‌کند. یک ذره ممکن است بیش از ۱۰  ساعت در گردش باشد و بيش از ۱۰ میلیارد کیلومتر حرکت کند که مسافتی برابر با یک سفر رفت و برگشت به سیاره نپتون است.

میزان فشار در لوله‌های پرتو در حدود جو ماه است؛ یعنی یک خلأ شدید. مسیر لوله‌های شتاب‌دهنده هم عاری از هرگونه مولکول اضافی است. داده‌های ثبت شده از آزمایش‌های بزرگ در این برخورد دهنده برای پرکردن حدود ۵۰ هزار هارد دیسک ۱ ترابایتی یا ۱۰ میلیون دی وی دی در سال کافی است.

درک فعلی ما از عناصر سازندۀ جهان بسیار اندک است، ما نمی‌دانیم که ۹۵% جهان از چه چیزی ساخته شده است. اما امید است که این شتاب دهنده به بسیاری از سوالات بنیادی بشر پاسخ دهد. انتظار می رود راه اندازی مجدد آن بتواند پاسخی برای این سوال بزرگ بیابد که آیا ناهنجاری مرموز اخیر می تواند به وجود پنجمین نیروی اساسی طبیعت اشاره کند یا خیر؟

 یافته‌های جالبی در سال گذشته بدست آمده که امیدها را برای یافتن اکتشاف بزرگ قرن زنده کرده است. تیم تحقیقاتی دکتر میتش پاتل، فیزیکدان ذرات در امپریال کالج لندن که مسئول تحقیقات سال گذشته بود، می‌گوید: «ما با خوش‌بینی بیشتری وارد این مرحله می‌شویم و امیدواریم انقلابی در راه باشد.» تا کنون، هر آنچه در LHC کشف شده است - از جمله هیگز - مطابق با مدل به اصطلاح استاندارد بوده است.

این نظریه هدایت کننده فیزیک ذرات از دهه  1970 تا به حال بوده است، اما این نظریه ناقص است زیرا قادر به توضیح برخی از عمیق ترین اسرار در فیزیک، مانند ماهیت ماده تاریک نیست. با این حال، داده‌های جمع‌آوری‌شده در آزمایش LHCb، یکی از چهار آشکارساز ذرات عظیم در سرن سوئیس، رفتار ذرات را به گونه‌ای نشان می‌دهد که با مدل استاندارد قابل توضیح نیست.

این آزمایش به تجزیه ذراتی به نام کوارک های زیبایی پرداخت که پیش بینی می شود با سرعتی برابر، الکترون ها و ذرات هم خانواده سنگین تر آنها،  میون ها تجزیه می شوند اما کوارک‌های زیبایی 15 درصد کمتر به میون تبدیل می‌شوند، که نشان می‌دهد یک عامل ناشناخته - احتمالاً یک نیروی جدید - در حال تغییر دادن مقیاس است.

دو مورد از برترین ها ذرات حامل نیروی فرضی به نام لپتوکوارک یا Z پرایم ها هستند. پاتل افزود: «خطرات بسیاری وجود دارد اما اگر این مسئله را تأیید کنیم، انقلابی بزرگ در علم فیزیک خواهد بود که ما تابحال ندیده‌ایم."

قبل از توقف LHC برای ارتقاء و توسعه این شتاب دهنده در سال 2018 ، تیم، داده‌های کافی را جمع‌آوری کرد تا هیچ شکی در صحت نتیجه آزمايشات نباشد و احتمال وقوع بصورت شانسی آن تقریباً یک در هزار است. اما استاندارد طلایی فیزیک ذرات در سطح اطمینان 3.5 متری سختگیرانه تر است، به این معنی که قبل از اعلام یک کشف به داده های بیشتری نیاز است.

در سال گذشته، با بدست آمدن یافته‌هایی فراتر از مدل استانداردی که در آزمایش‌های دیگر، از جمله یافته‌های غیرقابل توضیح اخیر از Fermilab در ایالات متحده دیده شد، احتمال وجود نیروی پنجم افزایش یافته است. پروفسور جان باترورث از دانشگاه کالج لندن، که روی آزمایش اطلس LHC کار می کند گفت: «به نظر می رسد اکنون مجموعه ای از رشته های سست وجود دارد که باعث شد احتمال وجود چیزی در این دو ازمایش و یا ازمایش بعدی وجود داشته باشد."

باترورث گفت، حتی اگر LHC نتواند یافته‌های جدیدی فراتر از مدل استاندارد آشکار کند،این اتفاق یک شکست نخواهد بود، بلکه نشان می‌دهد که در آزمایش های بعدی چه چیزی را باید جستجوکرد. این آزمایش سوم که انتظار می‌رود تا سال 2026 ادامه داشته باشد، به دنبال ارتقایی است که شامل نصب آهن‌رباهای قدرتمند اضافی است که به منظور فشرده کردن پروتون‌های داخل برخورد دهنده به پرتوهای ظریف‌تر و متراکم‌تر طراحی شده‌اند. این امر تعداد برخورد ذرات داخل شتاب دهنده را افزایش می دهد و دانشمندان می توانند رویدادهای نادرتری را با دقت بیشتری مشاهده کنند.

منبع:

https://www.theguardian.com/science/2022/apr/21/large-hadron-collider-restart-fifth-force-nature