دنیای پرآشوب کوانتوم

احسان سنایی

در جهان ما ذره‌های منزوی و تنها، اندکند؛ خاصه اگر این ذره در دنیای پرآشوب کوانتوم سیر کند. در بخش سوم از این سری مقالات گفتیم که به تعویق انداختن واپاشی یک کوارک منفرد با هدف تشخیص آن توسط حس‌گرهای شتاب‌دهنده، یکی از کلیدی‌ترین پیش‌نیاز‌های LHC است.

این کوارک‌های تنها که امروزه در جهان ما سریعاً به اجزای ریزتری تجزیه می‌شوند را «کوارک زیبا» یا b-کوارک نیز می‌نامند؛ ذراتی که در ابتدای پیدایش جهان، به وفور دیده‌ می‌شدند.

"آلیسون بیتس" از دانشگاه گلاسگو، یکی از 42 حس‌گر سیلیکونی آشکارساز VELO را در دست گرفته است. نیم‌دایره میانی نیم‌دایره اصلی، محل استقرار لوله بریلیومی حاوی پرتو پروتونی است

طعمه اصلی LHC برای شکار پاسخ معمای عدم تقارن ماده/پادماده در جهان امروز ما، همین کوارک زیباست. همان‌گونه که پیش از این نیز اشاره شد، هر شتاب‌دهنده‌ای در حین انجام برخوردها، باغ وحشی از ذرات گوناگون را تولید می‌کند که کوارک زیبا و خواهرش، «پادکوارک زیبا» نیز از این جمله‌اند (تولید پادذره در حین برخوردها اجتناب‌ناپذیر است).

این ذرات اندکی پس از تولید به سرعت واپاشیده می‌شوند و نخستین لایه حس‌گر‌هایی چون اطلس و CMS آنقدر از محل برخورد دور است که تنها قادر به تشخیص ترکش‌های این واپاشی‌اند.

اما حس‌گر LHCb، صرفاً با هدف تشخیص و تحلیل این دو ذره، پیش از واپاشی طراحی و ساخته شده‌اند. LHCb با بررسی زمان و شرایط واپاشی این دو ذره و مقایسه آن‌ها، درخواهد یافت که چگونه طبیعت ماده را بر پادماده ترجیح داده است. (حرف b در انتهای نام این حس‌گر مخفف beauty است که به همان کوارک زیبا اشاره دارد).

از زمان تولید یک کوارک زیبا و قرینه‌اش تا نابودی‌شان، این دو ذره تنها 5 میلیمتر راه را به اطراف طی ‌می‌کنند و از این‌رو چیدمان لایه‌ها و زیرلایه‌های LHCb بصورت کتابی و با آرایش فوق‌العاده ظریف است. این در حالی‌‌ست که آرایش لایه‌های حس‌گرهایی چون اطلس، بصورت لایه‌های پیاز، با تقارن کروی است.

پرتوهای پروتونی، پیش از برخورد در LHCb ابتدا خود را درون لوله ظریفی از جنس بریلیوم به طول ۲۰ متر می‌بینند. محل برخورد، نقطه‌ای موسوم به VELO در حس‌گر LHCb است که در همان‌جا نیز کوارک و پادکوارک منفرد تولید می‌شوند.

نور آبی ضعیف مشاهده شده در انتهای مخزن آب سنگین رآکتورهای هسته‌ای، حاصل شتاب‌گیری الکترون‌های حاصل از فرآیند واپاشی با سرعت‌هایی بیشتر از سرعت نور در آب است. به این تابش اصطلاحاً "تابش چرنکوف" اطلاق می‌شود

البته طبیعت برخوردهای پروتونی در هر حس‌گری مشابه است و از این‌رو همان ذرات بی‌شمار در LHCb نیز افسار پاره می‌کنند اما ۴۲ آشکارساز سیلیکونی و فوق‌حساس موجود در این قسمت از تونل شتاب‌دهنده، تنها در پنج میلیمتری محل برخورد انتظار شکارشان را می‌کشند؛ یعنی درست در همان قلمرویی که این دو ذره سرنوشت‌ساز واپاشیده می‌شوند.

VELO را می‌توان بیشتر به یک خط‌کش فوق‌دقیق تشبیه کرد تا یک حس‌گر؛ هرچند این ابزار قادر به ردگیری ذره‌ها با دقت یک‌صدم از یک میلیمتر است. VELO در حقیقت فاصله محل واپاشی جفت کوارک‌های منفرد - که شکلی اسپری‌مانند از ذرات ریزتر بر جا می‌گذارند – را از محل برخورد محاسبه می‌کند.

اما تشخیص‌ نوع ترکش‌ها نیز خود برای تعیین منشأشان، امری ضروری است. این وظیفه به دوش دو آشکارساز موسوم به RICH-1 و RICH-2 است. اساس کار این دو ابزار، سرعت‌سنجی از ذرات ورودی است.

هر گاه در یک محیط خاص (همچون آب یا هوا) ذره‌ای با سرعت بیش از سرعت نور در آن محیط (که طبیعتاً کمتر از سرعت نور در خلأ است) حرکت کند؛ مخروط نوری ضعیف و مشخصی موسوم به «تابش چرنکوف» را در حین گذر از خود ساطع می‌کند. شکل هر مخروط، وابسته به سرعت گذر آن ذره است. آشکارسازهای RICH نیز به دنبال فلاش‌های ضعیف چرنکوف هستند.

ترکیب اطلاعات حاصل از سرعت و مسیر ذرات، به دانشمندان در تعیین ویژگی‌هایی چون جرم، بار الکتریکی و نهایتاً هویت آن ذره کمک می‌کند.

پسLHCb از علت رجحان ماده بر پادماده در جهان به ما خواهد گفت. اما این ماده پس از تشکیل و پراکنش در جهان، مستقیماً دست به کار ایجاد کهکشان‌ها، ستارگان و نهایتاً ما نشد؛ بلکه جهان تا حدود ۳۷۹ هزار سال پس از تشکیل، به نوعی گرفتار خود بود!

زمانی‌که سیلی از ماده و پادماده در جهان روانه شد؛ این ذرات با یکدیگر برخورد می کردند، نابود می‌شدند و از خود دو فوتون پرتو-گاما برجای می نهادند.

دو فوتون پرتو گامای حاصله از این برهم‌کنش‌ها نیز با برخورد به یکدیگر، در فرآیندی موسوم به «جفت‌سازی» یک الکترون و یک پوزیترون تولید می‌کردند. این فعل و انفعالات تا جایی ادامه یافت که نرخ تولید ماده با نرخ نابودی آن برابر شد؛ اما در این میان یک چیز در حال تحول بود و آن، ابعاد جهان ما بود.

آرنو پنزیاس (چپ) و رابرت ویلسون؛ کاشفین نخستین نور پس از انفجار بزرگ، درون دیش گوش‌مانند آنتن کراوفورد متعلق به آزمایشگاه بل

با انبساط جهان، بر فضای مابین ذرات افزوده شد و دما نیز متعاقباً کاهش یافت؛ آن‌چنان که برای پرتوهای گاما دیگر رمقی برای ادامه فرآیند جفت‌سازی وجود نداشت؛ این در حالی بود که هنوز ماده و پادماده در حال نابودی یکدیگر بودند و جهان رفته‌رفته از فوتون‌های حاصل از این برخوردها اشباع می‌شد.

دما تا بدانجا کاهش یافت که فوتون‌های کم‌انرژی دیگر مزاحم پیوند کوارک‌ها و تشکیل نخستین پروتون‌ها و نوترون‌های جهان نمی‌شدند. تمام این اتفاقات در حالی رخ داد که جهان هنوز یک ثانیه از عمرش نگذشته بود! در همین یک ثانیه بود که در فرآیندی مرموز، ماده از پادماده پیشی جست.

حال، جهان ما پر بود از پروتون‌، نوترون، الکترون و فوتون‌هایی پرانرژی که به محض پیوستن الکترون‌ها و پروتون‌ها به یکدیگر و تشکیل نخستین اتم هیدروژن، پیوندها را می‌شکستند.

اگر این فوتون‌ها آن روز موجود بودند، پس امروز می‌توان آن‌ها را در جهان دید. اما باز هم مشکلی وجود دارد. الکترون‌ها و پروتون‌ها، هر دو باردارند و طبق اصول مکانیک کوانتومی، اگر یک موج الکترومغاطیسی به یک ذره باردار که ابعادش از طول موج آن نور کمتر است، برخورد کند؛ موج نور با تزریق انرژی، به آن ذره شتاب می‌بخشد.

ذره مزبور اما همان مقدار انرژی جذب شده را اندکی بعد از تمامی جهات تابش می‌کند. این پدیده به «پراکندگی تامسون» معروف است. همین امر موجب می‌شود که یک فوتون‌ در طول مسیرش بارها و بارها انحراف یابد و بدین‌ترتیب در همان محیطی که ذرات باردار حضور دارند، محبوس شود. به این محیط محبوس اصطلاحاً «پلاسما» گفته می‌شود و شرایط اولیه جهان ما را «پلاسمای نخستین» نیز می‌نامند¹.

دمای جهان تا گذشت ۳۷۹ هزار سال برای تشکیل نخستین اتم خنثی کافی نبود و به همین دلیل فوتون‌ها تا این زمان در جهان ما محبوس بوده و قادر نبودند آزادانه در فضا پیش‌روی کنند.

زمانی‌که دما به میزان کافی افول کرد و جهان تولد نخستین اتم هیدروژن را جشن گرفت، آنگاه به ناگاه تمامی ذرات باردار به هم پیوستند و فوتون‌ها نیز خوشحال و آزاد بدون وجود میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی پیرامون ذرات باردار، در جهان سرازیر شدند. اگر نظریه انفجار بزرگ صحیح باشد، امروزه بایستی بتوان این فوتون‌های پیر و خسته را از زمین ردیابی کرد.

ما با محاسبه دمای کنونی جهان می‌توانیم به طول موج این نور نخستین پی ببریم. طبق محاسبات دانشمندان، این نور را امروزه نمی‌توان با تلسکوپ‌های معمولی دید؛ چراکه طول موج آن در طی گذر میلیاردها سال بر اثر انبساط جهان افزایش یافته و تنها با آنتن‌های میکروویو می‌توان به وجودش پی برد. به همین دلیل بود که در سال ۱۹۶۴، گروهی به سرپرستی «رابرت دیک» از دانشگاه پرینستون دست‌به‌کار ساخت آنتی با قابلیت دریافت امواج میکروویو شد.

پاک‌سازی درون آنتن از فضله کبوتران سرگردان منطقه به منظور رهایی از دست نویزی که بعدها، نگاه ما را نسبت به جهان هستی متحول ساخت

اما تنها ۱۵ کیلومتر آن‌طرفتر از محل استقرار دیک و دانشجویانش، دو ستاره‌شناس به نام‌های «آرنو پنزیاس» و «رابرت ویلسون»، به تازگی کار خود را بر آنتن غول‌پیکر کراوفورد متعلق به آزمایشگاه بل، با هدف بررسی تابش‌های دریافتی از کهکشان راه‌شیری آغاز کرده بودند؛ اما در همان ابتدای کار، مشکلی وجود داشت.

آنها مدام در حال دریافت نویز ضعیف پس‌زمینه‌ای در رصدهای خود بودند که شدت آن در سراسر آسمان مشابه بود و گاهاً رصدگران را عصبی می‌کرد! این بود که نخستین مظنون آنها گروهی از کبوتران سرگردان بود که با لانه‌سازی درون آنتن، احتمالاً این نویز را موجب شده‌بودند. از این‌رو پنزیاس و ویلسون این گروه از پرندگان را دور کردند و بار دیگر رصدهایشان از سرگرفته شد ... اما این نویز هیچ تغییری نکرده‌ بود.

در بهار ۱۹۶۴، پنزیاس و ویلسون به توصیه یکی از دوستان‌شان این مسأله را با رابرت دیک و گروهش که همچنان مشغول ساخت آنتن میکروویو خود بودند، مطرح نمودند.

بررسی‌ها، با کمال شگفتی نشان می‌داد که این نویز نه از فضله پرندگان که از انفجار بزرگ نشأت می‌گیرد! این، بزرگترین پیشرفت درک بشر از کائنات بود.

به‌عبارتی دانشمندان همان طول‌موجی را که پیش‌بینی‌اش کرده بودند، با دقت اعجاب‌آوری مشاهده کردند. مخالفین نظریه انفجار بزرگ، هیچ پاسخی برای این رویداد نداشتند و سیزده سال بعد، پنزیاس و ویلسون به سبب همین کار به ظاهر ساده، جایزه نوبل فیزیک را مشترکاً از آن خود ساختند.

ما نخستین نور منتشره از جهان را دیده بودیم، اما ۳۷۹ هزار سال پس از انفجار بزرگ. در این فاصله زمانی که فوتون‌ها قابلیت پخش آزادانه را نداشتند، کدنویسی بنیان‌های اجزای مختلف جهان ما درون پلاسمای اولیه انجام گردید.

برای نفوذ به این محیط مه‌آلود و شکستن رمز پیدایش بنیان‌های اولیه‌ای چون کهکشان‌ها، ستارگان و دیگر اجزای جهان ما، هیچ ابزاری در دست نیست؛ به جز شبیه‌سازی. حس‌گر غول‌پیکر آلیس در LHC، شرایط اولیه جهان ما را در خود بازسازی خواهد کرد؛ اما چگونه؟

ادامه دارد ...

پاورقی‌:

۱- فرض کنید که به یک منبع نور نقطه‌ای می‌نگرید. اگرچنانچه مابین خط دید ما آتشی روشن شود، محیط پلاسمای آتش، فوتون‌های نوری منبع پس‌زمینه را پراکنده ساخته و شما دیگر قادر به مشاهده نور پس‌زمینه نخواهید بود. به این پراکندگی، «پراکندگی تامسون» اطلاق می‌شود.