غول بیدار شد ـ بخش پایانی

احسان سنایی

بیم از ایجاد فاجعه‌ای اسف‌بار و جبران‌ناپذیر، از آفرینش ریزسیاه‌چاله‌های سرکش و ویران‌گر گرفته تا حباب‌های خلأ که هرکدام از سرنوشت سیاهی برای سیاره‌ی ما خبر می‌دهند؛ سال‌هاست که حتی پس از آغاز‌به‌کار ابرتصادم‌گر هادرونی، گریبان این آزمایشگاه برتر بشر را گرفته‌ است.

در این‌که تأسیسات مستقر در اعماق مرز سوئیس و فرانسه به انرژی‌هایی فراتر از تصور هر انسانی دست پیدا می‌کنند شکی نیست؛ اما خط مشی مسئولین LHC و هر شتاب‌دهنده دیگری، پا گذاشتن در جای پای طبیعت است. میلیاردها سال است که سطح بی‌حفاظ ماه و هر سنگ سرگردان فضایی دیگری، مداوماً آماج حملات سهمگین «پرتوهای کیهانی» قرار می‌گیرد و هیچ رخداد خارق‌العاده‌ای نیز بوقوع نپیوسته است.

واقعیت آن است که LHC بیشتر به خود آسیب می‌زند تا زمین! در این‌ مقاله به بررسی واقعیات‌ و شایعات مطرح‌شده پیرامون مخاطرات مرتبط با این شتاب‌دهنده خواهیم پرداخت.

واقعیات

زمانی‌که صحبت از ابعاد انرژی سرسام‌آور برخوردها و ارقام‌ بلندبالای مرتبط با نیروی ویرانگر جاری در تونل‌های ابرتصادم‌گر هادرونی می‌شود، تصور سلسله انفجارهای هولناک و زنجیرواری که با غرش و درخشش فراوان همراه‌اند آن‌چنان دشوار نیست. اما حقیقت از داستان دیگری حکایت می‌کند.

با وجود قریب به ۶۰۰ میلیون برخوردی که در هر ثانیه مابین دو پرتون سرکش ایجاد می‌شود، انرژی مجموع چنین رویدادی به زحمت به سی تریلیونیم از انرژی یک ثانیه درخشش یک لامپ ۶۰ وات می‌رسد! و این همان انرژی معروفی است که محققین سال‌هاست انتظارش را می‌کشیدند. در حقیقت آنچه در اینجا عظمتِ انرژیِ آزاد شده در حین برخوردها را تحت‌الشعاع خود قرار می‌دهد، ریزیِ بی‌اندازه‌ی قلمرو پروتون‌هاست.

نصب آخرین تونل بن‌بست انحرافی (کولیماتور) ابرتصادم‌گر هادرونی در 23 ژوئن 2009. تونل آبی‌رنگ، تونل اصلی شتاب‌دهنده و تونل سفیدرنگ، تونل انحرافی است / CERN

با این حال، این حقایق جواز سهل‌انگاری نیست. هر کدام از پرتوهایی که به درون تونل LHC شلیک می‌شود، با وجود ضخامتی کمتر از یک تار مو، دست‌کم میزبان ۲۸۰ تریلیون پروتون بوده و انرژی مجموع حرکت یک قطار سریع‌السیر با سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت را به دوش می‌کشند.

به طول سالیان سال این پرتوها، هر ثانیه ۱۱.۲۴۵ بار به گرد تونل ۲۷ کیلومتری LHC می‌چرخند و در صورت بروز کوچک‌ترین برخوردی به یک جسم مانع، گرمایی هر چند اندک از خود به جا می‌نهند. هر چند این تغییراتِ دمایی به شدت اندک است اما گذرگاه پرتوها تنها یک سانتیمتر با لبه‌ی ۹۰۰۰ آهن‌رباهای ابررسانای شتاب‌دهنده فاصله دارد؛ آهن‌رباهایی که دمای‌شان از اعماق فضا هم کم‌تر است و از‌ این‌رو حساسیت بالایی به تغییرات اندک دمایی نشان می‌دهند.

اگر چنان‌چه کوچترین برخوردی میان میزبان و میهمان رخ دهد، ابررسانایی یک آهن‌ربا، طی پدیده‌ای موسوم به «اطفاء»، از دست‌رفته تلقی می‌شود؛ پدیده‌ای که به تبع آن، انرژی نهفته در آهن‌ربای مزبور و ۱۵۳ آهن‌ربای همسایه‌اش به‌واسطه‌ی افزایش مقاومت الکتریکی سیم‌پیچ‌ها به‌ناگاه آزاد شده و در کسری از ثانیه، دما از ۲۷۱- به ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد!

این رخداد، چه بسا تا ماه‌ها روند فعالیت‌های LHC را متوقف کرده و حتی در شماری از موارد، به از‌دست‌رفتن آهن‌رباهای ارزشمند شتاب‌دهنده خواهد انجامید. برای متخصصین این پروژه‌ی 8.7 میلیارد دلاری، این اتفاق دست‌کمی از یک فاجعه ندارد.

به همین دلیل است که سیستم ایمنی LHC از حیث هدایت پرتوها در جهان بی‌نظیر است. این سیستم، به محض بروز یک اطفاء، به سرعت جریان پرتوها را متوقف ساخته و همزمان، جریان الکتریسیته‌ی موجود در سیم‌پیچ‌های آهن‌ربا را مسدود می‌کند. در همین حین ابزارهای گرم‌کننده‌ی ویژه‌ای آهن‌ربای 35‌تنی را آرام آرام گرم می‌کنند تا تمرکز انرژی آن برطرف شود. همین سلسله گام‌ها، برای ۱۵۳ آهن‌ربای همسایه نیز پیاده می‌شود و بدین‌ترتیب در کمتر از دو دقیقه، انرژیِ‌ نهفته در آهن‌رباها متفرق می‌شود.

نمونه‌ی مشابهی از این رویداد، در اواخر دهه‌ی ۷۰ میلادی برای شتاب‌دهنده‌ی تواترونِ ایالت ایلیونز آمریکا و اخیراً نیز برای شتاب‌دهنده‌ی HERA در هامبورگ آلمان رخ داد. دانشمندان از تجارب به‌دست‌آمده در جریان این اتفاقات، در ارتقای سیستم ایمنی LHC بهره برده‌اند؛ شتاب‌دهنده‌ای که ابعاد هر کدام از بخش‌های هشت‌گانه‌ی تونل آن، معادل یک شتاب‌دهنده‌ی تواترون است!

با این حال قطع جریان پروتون‌ها در سلسله فرآیند‌های پیش‌گیرانه‌ای‌ که پس از اطفاءِ هر آهن‌ربا توسط سیستم ایمنی انجام می‌پذیرد، مشکل مهم دیگری را مطرح می‌کند: پروتون‌هایی که در تونل باقی‌مانده‌اند، انرژی سرسام‌آورشان را چگونه تخلیه کنند؟

به‌علاوه، زمانی‌که تمامی سیستم‌ها به درستی عمل کرده و برخوردها طبق روال معمول خود نیز رخ می‌دهد، وقوع هر برخورد تا حد زیادی از حجم پرتو مربوطه می‌کاهد و دانشمندان نیاز به تزریق پروتون‌های بیشتری به تونل دارند.

در اینجا نیز مسأله‌ی مهار پروتون‌های کهنه پیش می‌آید. حتی یک پرتون معمولی که هیچ‌ برخوردی را تجربه نکرده، پس از پایان عمر ۱۰‌ساعته‌اش در تونل چیزی در حدود ۲۰۰ مگاژول انرژی به همراه خود حمل می‌کند که پراکنده‌سازی آن آسان نیست.

یک‌صد حفره‌ی بن‌بست موسوم به «کولیماتور» که در جای‌جای تونل شتاب‌دهنده مستقر شده‌اند، در چهار مرحله که از ابتدا تا انتها تنها ۸۰ میلیونیم ثانیه به طول می‌انجامد، عمل متوقف‌سازی پروتون‌ها را به انجام می‌رسانند. این چهار عمل نیز تماماً توسط آهن‌رباها که عملاً همچون فرمان کنترل پرتوهای پروتونی به حساب می‌آیند انجام می‌شود.

شکاف 5-میلیمتری ایجاد شده در بدنه‌ی فولادی کولیماتور شتاب‌دهنده‌ی HERA در سال 2003 / عکس از مایک سیدل

در ابتدا یک «آهن‌ربای تیغه‌ای» در میانه‌ی مسیر حفره (که هم‌اکنون ذره‌ای در آن تردد نمی‌کند) فرود می‌آید. در قدم دوم، یک «آهن‌ربای لگدزننده» پروتون‌ها را به سمت مسیر حفره منحرف می‌سازد.

ذراتی که از دو جهت مختلف حرکت می‌کردند به محض ورود به حفره‌ی بن‌بست، توسط آهن‌ربای تیغه‌ای از هم سوا می‌شوند. در قدم سوم یک «آهن‌ربای رقیق‌ساز» از شدت فشردگی پرتوها کاسته و با همین عمل، انرژی آن را تا یکصدهزار برابر ضعیف‌تر می‌کند.

پرتوی بی‌رمق در آخرین گام به یک استوانه‌ی 8 متری از جنس کامپوزیت گرافیتی که یک متر قطر دارد برخورد کرده و با جذب انرژی پروتون‌ها و افزایش شدید دمای استوانه‌، عملاً پرتو پروتونی متوقف شده و از دور خارج می‌شود.

در سال ۲۰۰۳، دو سوم از آهن‌رباهای ابررسانایی که در طول تونل 6 کیلومتری شتاب‌دهنده‌ی تواترون مستقر بودند، در پی یک اطفاء از کار افتادند و بواسطه عملکرد نامطلوب سیستم متوقف‌کننده، پرتوی حاضر در تونل با برخورد به جداره‌ی نخستین استوانه، آن را کاملاً سوراخ کرد و در استوانه‌ی بعدی نیز حفره‌ای ۳۰ سانتیمتری بر جای گذاشت.

در همین سال، اتفاق مشابهی برای شتاب‌دهنده‌ی HERA نیز رخ داد و حفره‌ای به ضخامت ۵ میلیمتر در فولاد ضدرنگ ایجاد شد. هرچند تواترون تنها به مدت دو هفته از کار بازایستاد؛ اما وقوع چنین حادثه‌ای برای LHC نه تنها‌ محتمل‌تر است که خسارات آن نیز 150 بار بیشتر خواهد بود.

با این حال «نیکولای موخوف»، از پیشگامان طراحی کولیماتورها، احتمال وقوع حادثه‌ی مشابهی را در LHC، به سبب طراحی ایده‌آل و مطلوب کولیماتورهای آن غیرممکن دانسته است.

با وجود تدابیر اندیشه‌شده توسط متخصصین، هیچگاه یک انسان و یک پرتو، همزمان اجازه‌ی حضور در تونل‌های زیرزمینی شتاب‌دهنده را نخواهند داشت و در صورت بروز هرگونه تخلف و ورود یک انسان به حریم ممنوعه‌ی پیرامون تونل‌های فعال، یک سیستم‌ قفل‌کننده، پرتوها را متوقف ساخته و انرژی‌شان را سریعاً متفرق می‌سازد.

افراد حاضر در سطح زمین نیز بواسطه لایه‌ی ۱۰۰ متری از سنگ و خاکی که مابین سطح زمین و تونل وجود دارد، از هر گونه خطر احتمالی در امان خواهند بود.

شایعات

در سال ۲۰۰۳، «گروه سنجش سلامت LHC» یا به اختصار LSAG، طی گزارشی، شایعات مطرح‌شده در خصوص آغازبه‌کار LHC را بصورت منطقی پاسخ گفت و آن‌ها را منتفی دانست.

دلیل اصلی فیزیکدانان برای سلامت صددرصدی این شتاب‌دهنده، وقوع پدیده‌های مشابه و فراوانی به طور دائمی در جو زمین است که توسط پرتوهای کیهانی تحریک می‌شوند. با این حال، اشاره‌ای مختصر به چندی از این شایعات و پاسخ به آن‌ها خالی از لطف نیست.

ایجاد ریزسیاهچاله‌ها و مکش سیاره‌ی ما توسط آن‌ها، یکی از رایج‌ترین شایعات LHC است. طبیعت، سیاهچاله‌های حقیقی و هولناک را در جریان مرگ ستارگان سنگین‌وزن (حداقل هشت برابر جرم خورشید) از طریق فشرده‌سازی بیش از «حد» هسته‌ی ستاره ایجاد می‌کند.

این حد را اصطلاحا «حد شوارتزشیلد» می‌نامند. حد یا شعاع شوارنزشیلد را می‌توان برای هر جسمی از زمین گرفته تا یک انسان محاسبه کرد.

این حد برای زمین، معادل قطر یک بادام زمینی است؛ بدین‌معنا که اگر زمین بدون از دست دادن جرمش آنقدر فشرده شود که در حجمی کمتر از یک بادام زمینی جای بگیرد، آنگاه یک سیاهچاله‌ی طبیعی و ویرانگر بوجود خواهد آمد! حد شوارتزشیلد خورشید، در حدود ۳ کیلومتر است.

یکی از دانشمندان حسگر اطلس، در انتظار نتایج نخستین برخورد پروتونی شتاب‌دهنده نشسته است / عکس از فابرایس کافرینی

اما طبیعت ریزسیاهچاله‌ها، به ‌کل از سیاهچاله‌های ستاره‌ای متفاوت است و طبق مدل استاندارد ذرات بنیادی، تنها در انرژی‌های بسیار بالا می‌توان این نوع از سیاهچاله‌های کوانتومی را تولید کرد؛ انرژی‌هایی بسیار بیشتر از آنچه در حد و توان LHC است. تنها مطابق برخی از نسخه‌های مدل استاندارد، LHC توان تولید ریزسیاهچاله‌ها را خواهد داشت... اما طبق همین مدل‌ها نیز این شبه‌ذرات که کوچک‌ترین ضرری هم برای ما ندارند؛ هیچ ثُباتی نداشته و به سرعت از میان می‌روند.

با این حساب، تولید ریزسیاهچاله‌های باثبات در LHC، چیزی بیش از یک شایعه نبوده و حتی اگر این امر صحت داشته باشد، با توجه به نمونه‌های مشابهی که در جریان برخورد‌ پرتوهای کیهانی به زمین و دیگر اجسام صلب فضایی تولید می‌شود، شایعه‌ی «نابودی زمین»، از اساس بی‌اعتبار است؛ چراکه میلیاردها سال است زمین اینجاست!

ایجاد «استرنگلت‌ها» (Strangelet) نیز از دیگر شایعات گریبان‌گیر LHC است. استرنگلت‌ها، ذراتی فرضی‌اند که به جای تشکیل شدن از دو کوارک (همچون پروتون و نوترون)، از سه کوارک تشکیل شده‌اند و بدین‌واسطه رفتارهای ناشناخته و گاهاً خطرناکی از خود بروز می‌دهند.

یکی از این رفتارهای مخاطره‌آمیز احتمالی، به‌هم‌آمیختگی یک استرنگلت با یک هادرون معمولی (همچون پروتون) و تبدیل آن به یک استرنگلت دیگر است. این فرآیند همچون تکثیر یک باکتری می‌تواند بصورت افسارگسیخته‌ای ادامه یافته و تبعات هولناکی به بار آورد.

در سال ۲۰۰۰، شتاب‌دهنده‌ی RHIC متعلق به آزمایشگاه ملی بروکهیون ایالات متحده، جستجویش را برای استرنگلت‌ها آغاز کرد و هم‌اکنون هشت سال است که چنین ذره‌ای دیده‌ نشده است. پرتوهای یونی LHC، بارها قوی‌تر از RHIC خواهند بود و به‌همین دلیل حتی احتمال ایجاد استرنگلت‌ها نیز کمتر است؛ همان‌گونه که احتمال تشکیل یخ از آب جوش، بسیار کمتر از آب ولرم است.

به‌علاوه، پرتوهای یونیِ LHC بسیار پراکنده‌تر از RHIC هستند و با در نظر گرفتن حداقل‌های ممکن، احتمال ایجاد استرنگلت‌ها در LHC بسیار بسیار اندک است.

از دیگر شایعاتی که پاسخ به آن‌ها تنها با ارجاع به ‌برخوردهای طبیعی و بی‌ضرر پرتوهای کیهانی مستند شده است، ایجاد «حباب‌های خلا و تک‌قطبی‌‌های مغناطیسی» است.

مدعیانِ ایجاد حباب‌های خلأ در LHC، معتقدند جهان ما هم‌اکنون در وضعیت کاملاً باثباتی نیست و فعالیت‌های ریزمقیاس صورت‌گرفته در LHC قادر است جهان را به پایدارترین وضعیت ممکنش رهنمون سازد؛ وضعیتی که به آن حباب خلأ نیز گفته می‌شود و در صورت بروز چنین حادثه‌ای زمین از میان خواهد رفت. سناریوی مشابه دیگری که این‌بار به نابودی پروتون‌ها اشاره دارد؛ ایجاد ذراتی موسوم به تک‌قطبی مغناطیسی در تونل‌های LHC است؛ ذراتی که تنها یک قطب مغناطیسی اعم از N یا S دارند.

آفرینش این ذرات، مستلزم اِعمال انرژی‌های شدیداً سهمگین است که LHC قادر به تولیدشان نیست. همینکه هم‌اکنون در سلامت کامل در حال مطالعه‌ی این مقاله‌اید، خود نشان‌دهنده این است که این دو ادعا نیز از اعتباری برخوردار نیست، چراکه برخوردهای طبیعی پرتوهای کیهانی، گاهاً بارها پرانرژی‌تر از LHC است و با این حال، تاکنون هیچ رخداد نگران‌کننده‌ای بوقوع نپیوسته‌ است.

پاورقی:

سلسله مقالات نه‌گانه‌ی «غول، بیدار شد»، خلاصه‌‌ی مختصری بود از مسیر پرسنگلاخ ساخت و راه‌اندازی و نیز نحوه‌ی عملکرد بزرگترین آزمایشگاه تاریخ دانش بشری که قدم از حدود عادت علم فراتر گذاشته و به افقی بس دور و ناپیدا نگریسته است.

«نمی‌دانم دنیا مرا چگونه انسانی می‌پندارد، اما در نظر خودم همچون کودکی بوده‌ام که بر روی شن‌های ساحلی مشغول بازی بوده‌ام و گاهی با یافتن سنگی صاف‌تر و زمانی با پیدا کردن گوش‌ماهی زیباتری به وجد و سرور درآمده‌ام، در حالی‌که اقیانوس عظیم حقیقت همچنان در مقابل چشمانم ناشناس و دست‌نخورده باقی مانده است ...»