ذره‌ی «oh-my-god»

احسان سنایی

«پرتوهای کیهانی» به هیچ‌کدام از اجزای نوار بلند پرتوهای الکترومغناطیس تعلق ندارند. این پرتوها در حقیقت از ذرات باردار و فوق‌سریعی تشکیل گشته‌اند که اکثرشان را شناخته‌ایم؛ اما دانسته‌های ما پیرامون برخی از سریع‌ترین‌شان موسوم به «پرتوهای کیهانی فراپرانرژی»، شدیدا اندک است.

از قضا احتمال تشخیص این نوع از پرتوها نیز شدیدا اندک است؛ پرتوهایی با حدود ۱۰ به توان ۲۰ الکترون‌ولت انرژی که در هر قرن و از هر کیلومتر مربع، تنها یکی از آن‌ها گذر می‌کند!

شبیه‌سازی از باران ذرات تولید‌شده در حین برخورد یک پرتو کیهانی به یکی از مولکول‌های جو زمین؛ هر خط قرمز رنگ، مسیر یک ذره است.

در غروب پانزدهم اکتبر ۱۹۹۱، پرتویی به قلمرو آشکارسازهای مستقر در جنوب غرب ایالت یوتا وارد شد که تمامی جامعه‌ی علمی را انگشت‌-به-‌دهان وانهاد و از زمین گذشت. شاخص انرژی آشکارسازها، عدد ۳ ضرب‌در ۱۰ به توان ۲۰ الکترون‌ولت را نشان می‌داد؛ به‌عبارتی انرژی این ذره با انرژی توپ بیس‌بالی که با سرعت ۹۶ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، تفاوتی نداشت! اخترفیزیک‌دانان نام عامل این پرتو پرانرژی را «ذره‌ی oh-my-god» گذاشتند!

اگر چنان‌چه یک پروتون منفرد را مسؤول این نمایش جذاب بدانیم، آن‌گاه این پروتون می‌بایست آن‌چنان سرعتی داشته باشد که اگر آن را در کنار یک فوتون نور از یک نقطه شلیک می‌کردیم، پس از گذشت یک سال، تنها ۴۷ نانومتر از فوتون عقب افتاده بود!

هم‌اکنون، تأسیساتی همانند «رصدخانه‌ی پیر آوگر» در آرژانتین و «آرایه‌ی تلسکوپی» صحرای یوتا، به دنبال درک سازوکار شلیک و نیز مکان تولد این قهرمانان ماراتن‌های کیهانی‌اند. هیچ نمی‌دانیم آیا چارچوب قوانین فیزیک امروز، پاسخ‌گوی سووالات غول‌آسایی این‌چنین است، یا این‌که بایستی به دنبال قوانین فراگیرتر دیگری بود.

اما چرا پرتوهای کیهانی که هم‌چون گلوله‌های طبیعی از آسمان می‌بارند را ما حتی در زمین حس نمی‌کنیم؟ جالب است بدانید آن‌چه بشر را به ساخت تونل‌های پیچ‌در‌پیچ LHC و دیگر شتاب‌دهنده‌های تاریخ و صرف هزینه‌های هنگفت این‌چنینی واداشته، میلیاردها سال است که کیلومترها بالاتر از سقف خانه‌های ما هر لحظه و گاه حتی با سطح انرژی بسیار بالاتری در حال وقوع است! در واقع اگر این پدیده رخ نمی‌داد، آن‌گاه ما نبودیم.

بخشی از قطعات بیرونی حس‌گر LHCf

پرتوهای کیهانی که عملاً آن‌ها را نمی‌توان متفاوت از پرتوهای پروتونی LHC پنداشت، هر لحظه در حال برخورد به مولکول‌های جو زمین‌اند. آن‌چه تاکنون از برخوردهای تعیین‌کننده‌ی یک شتاب‌دهنده‌ی ذرات آموخته‌ایم را حال در جو زمین تصور کنید: بلافاصله پس از نخستین برخورد، ذرات پرانرژی ایجاد شده، خود را در برابر انبوهی از مولکول‌های جو فوقانی می‌بینند، و زنجیره‌ای از برخوردهای ثانویه کلید می‌خورد.

نمونه‌ی چنین برخوردهای ثانویه‌ای را در LHC و هیچ شتاب‌دهنده‌ی دیگری نداریم؛ چراکه در تونل‌های هر شتاب‌دهنده، شرایط خلا برقرار است و هرآن‌چه در اولین برخورد آزاد می‌شود، دست‌نخورده به راه خود ادامه می‌دهد و موانعی از قبیل مولکول‌های هوا در این محیط مصنوعی وجود ندارد.

اکثر ذرات ثانویه‌ای که در جو زمین از برخورد پرتوهای کیهانی ایجاد می‌شوند را ذراتی موسوم به «پیون» و دو فوتون پرتو گاما تشکیل داده‌اند. پیون‌‌ها بسته‌به نوع برخورد می‌توانند باردار یا خنثی باشند.

پیون‌های خنثی سریعاً به دو پرتو گاما واپاشیده می‌شوند. هر چند پیون‌های باردار نیز این سرنوشت را تجربه خواهند کرد اما در فاصله‌ی زمانی طولانی‌تری از برخورد این اتفاق رخ خواهد داد. بدین‌واسطه برخی از آن‌ها وقت کافی برای برخورد به یک مولکول دیگر جو را دارند.

حاصل این برخورد، دو ذره به نام‌های «موئون» و «نوترینو» است. فوتون‌های گاما نیز در برخورد با یک‌دیگر طی فرآیند جفت‌سازی، یک جفتِ الکترون-پوزیترون ایجاد می‌کنند.

قسمتی از حس‌گر توتم

بدین ترتیب فرآیند ذره‌سازی هم‌چون بازیِ دومینو از نخستین طبقات فوقانی جو آغاز شده و به سمت زمین ادامه پیدا می‌کند و رفته‌رفته از انرژی برخوردها نیز کاسته می‌شود؛ تا بدان‌جا که برخوردهای متقابل، دیگر انرژی موردنیاز برای تولید ماده را ندارند.

اکثر ذرات تولید‌شده در این سلسله ‌واکنش‌ها، در نبود برخوردهای بیش‌تر متلاشی می‌شوند. نتیجه آن‌که به ناگاه از جمعیت این باران ذرات کاسته می‌شود و تنها ذراتی که نسبتا از پایداری بیش‌تری برخوردارند، به سطح زمین خواهند رسید.

تعداد این ذرات، بسیار انگشت‌شمار است اما چون برای هر لحظه زمین تحت بمب‌باران پرتوهای کیهانی است؛ به‌طور متوسط از مساحت یک کف دست، هر ثانیه در حدود یک ذره عبور می‌کند. جالب است بدانید ذرات نهایی تولید‌شده از برخوردهای پی‌درپی که در ابتدا از ابعاد اتمی شروع شده بودند، زمانی که به زمین می‌رسند از هم اغلب کیلومترها فاصله دارند!

درک سازوکار چگونگی پراکنش ذرات تولیدی به‌شدت پیچیده است اما برای حل معمای منشا پرتوهای کیهانی فراپرانرژی، کسب اطلاعات جامعی از نخستین حلقه‌ی زنجیره‌ی برخوردها نیز کفایت می‌کند.

پاسخ معمایی این‌چنین بزرگ را کوچک‌ترین حس‌گر LHC به ما خواهد گفت. آشکارسازهای دوقلوی LHCf، هرکدام در ۱۴۰ متری دو سوی نقطه‌ی برخورد در حس‌گر عظیم اطلس، انتظار ذراتی را می‌کشند که با زوایای شدیدا بسته نسبت‌ به خط مبنای تونل ایجاد شده‌اند و تقریبا هیچ‌ تفاوتی با ذرات تولیدی از برخورد پرتوهای کیهانی به مولکول‌های جو، در انرژی‌های حدود ۱۰ به توان ۱۷ الکترون‌ولت ندارند. این ذرات را «ذرات جلو» نیز می‌نامند و حرف f در حقیقت سرنام کلمه forward است.

همان‌گونه که اشاره شد، در LHCf برخوردی صورت نخواهد گرفت و چنین سامانه‌ای را بیش‌تر می‌توان به راکتی تشبیه کرد که باران ذرات ایجادشده از برخوردهای حس‌گر اطلس به آن اصابت خواهد نمود. راکت‌هایی تشکیل‌شده از ۲۲ لایه‌ی تنگستن با ۷ میلی‌متر ضخامت و ۱۶ لایه‌ی پلاستیک جرقه‌زننده با ضخامت ۳ میلی‌متر، که متوالیا در پس یک‌دیگر قرار داده شده‌اند.

نمایی شماتیک از محل استقرار چهار حس‌گر اصلی شتاب‌دهنده LHC در طول تونل اصلی (نقاط بنفش‌رنگ)

در این میان، چهار جفت آشکارساز سیلیکونی برای تعقیب مسیر ذرات نیز تعبیه شده است. شکل کلی LHCf را می‌توان به صورت سه مکعب-مستطیل لایه‌لایه، به‌ترتیب با ابعاد ۲ در ۲ در ۲۲ سانتی‌متر، ۳ در ۳ در ۲۲ سانتی‌متر و ۴ در ۴ در ۲۲ سانتی‌متر تصور کرد که در کنار یک‌دیگر و از جانب راس اضلاع ردیف شده‌اند.

محور ۲۲ سانتی‌متری LHCf در امتداد پرتوها بوده و در درون تونل قرار گرفته‌است.

تیم ۲۵‌نفره‌ی فیزیک‌دانان LHCf، با یاری این ابزار یگانه قادر خواهند بود گستره‌ی ذرات تولیدشده در جریان نخستین حلقه از زنجیره‌ی برخوردهای پرتوهای کیهانی فراپرانرژی را در بازه‌های ۱۰ به‌ توان ۱۵ تا ۱۹ الکترون‌ولت مشخص کرده و حتی اطلاعاتی از پرتوهایی با انرژی‌های فراتر از ۱۰ به توان ۲۰ الکترون‌ولت نیز به‌دست آورند.

LHCf البته در این میان تنها نخواهد بود و رصدخانه‌های «پیر آوگر» آرژانتین و «آرایه‌ی تلسکوپی» صحرای یوتا نیز با روش‌های رصدی مستقیم، پرده از راز دیرپای پرتوهای فراپرانرژی کیهانی برخواهند داشت. در حقیقت آن‌چه ستاره‌شناسان در این رصدخانه «می‌بینندي را LHCf «توصیف» خواهد کرد.

اما صحت توصیفات LHCf، منوط به در-دست-داشتن اطلاعاتی از ابعاد مخروط ذرات تولیدشده در تونل LHC است. ابعاد این مخروط نیز خود تابعی از سطح مقطع برخوردهای سر‌به‌سر پروتونی است و هیچ‌کدام از حس‌گرهای شتاب‌دهنده، به‌تنهایی قادر به محاسبه این پارامتر حساس نیستند.

در حقیقت برای کالیبره‌ساختن هر کدام از حس‌گرهای پنج‌گانه LHC، دانستن این اطلاعات ضروری است. حس‌گر ششم، یعنی «توتم» این کار را خواهد کرد.

ابزار «محاسبه‌ی تعداد و سطح مقطع پراش ارتجاعی» یا به‌اختصار TOTEM، با عرض و ارتفاع ۵ متر، طول ۴۵۰ متر و وزن ۲۰ تن، در ۱۹۵ متری حس‌گر غول‌پیکر CMS پهلو گرفته است. خوراک توتم نیز هم‌چون LHCf، ذرات جلو تولیدشده در برخوردهای CMS است.

محاسبات پیشین نشان می‌داد که هرچه انرژی پرتوهای پروتونی بیش‌تر باشد، احتمال بروز برخوردها نیز بیش‌تر است؛ پارامتری که به «درخشندگی شتاب‌دهنده» نیز موسوم است.

با این حال اگر از چگونگی این ارتباط متقابل شگفت‌زده شده‌اید، مشکلی نیست؛ چون مهم‌ترین هدف دانشمندان از ساخت تاسیسات توتم، پاسخ به همین سووال بوده است! آشکارسازهای سه‌‌گانه‌ی توتم که به تونل اصلی شتاب‌دهنده چسبیده‌اند، با محاسبه‌ی سطح مقطع برخوردها، از میان چندین نظریه‌ای که به‌منظور توضیح «پدیده‌ی وابستگی احتمال برخوردها به انرژی پرتو» ارایه گردیده‌اند، یکی را انتخاب خواهد کرد، یعنی بهترین را.

توتم و CMS، با هم‌راهی یک‌دیگر، نخستین آشکارسازهای تاریخ علم فیزیک خواهند بود که یک برخورد پروتونی را از تمامی زوایا مورد بررسی دقیق خود قرار می‌دهند.

تا بدین‌جا در این سری مقالات، به بررسی شش‌ نقطه‌ی عطف شتاب‌دهنده‌ی LHC پرداختیم.

اطلس و CMS، آزمایشات غول‌پیکری با اهداف عمومی‌اند که به بیش‌ترین و کلیدی‌ترین سووالات نهفته در ذهن فیزیک‌دانان پاسخ خواهند گفت؛ هر چند روش آشکارسازی هر کدام از این دو تاسیسات متفاوت است.

دلیل آن این است که در تلاش برای حل بزرگ‌ترین معماهای دانش بشر، نبایستی صرفا به یک مسیر آزمایش اکتفا نمود. آلیس و LHCb از طرفی تاسیساتی نسبتا کوچک‌تر و با اهداف خاص‌ترند و در نهایت توتم و LHCf دو آزمایش اقماری و کوچک‌اند که هرکدام هدف خاصی را پی می‌گیرند.

حال که به بررسی جز‌به‌جز هر کدام از اجزای LHC پرداختیم؛ آیا مطمئنیم آغاز آزمایشات LHC به معنای نابودی زمین نخواهد بود!؟ در پاسخ به شایعات فراوانی که گریبان این آزمایش‌گاه برتر بشر را گرفته است، چه باید گفت؟

ادامه دارد..