آلیس در سرزمین عجایب!

احسان سنایی

زمان که آغاز شد، هوا به‌طرز سرسام‌آوری داغ بود. کوارک‌های نخستین به‌تازگی متولد شده بودند و تا افت مطلوب دما و تشکیل پروتون‌ها و نوترون‌ها، اندکی زمان لازم بود؛ زمانی نه‌چندان دراز. کوارک‌ها تا کمتر از یک ثانیه پس از پیدایش جهان، حالتی منفرد و دورافتاده از هم داشتند و پس از آن زمان تا به امروز، هیچ کوارک منفردی در جهان باقی‌نماند.

شبیه‌سازی برخورد یون‌های سرب در حسگر آلیس. مسیرهای زرد، مسیر ذرات تولیدی حاصل از برخورد است

کوارک‌ها، با بوسه‌هایی از جنس نیروی قوی ‌هسته‌ای که حامل آن‌ها ذراتی موسوم به گلوئون بود، به ‌هم چسبیده و دیگر از هم جدا نگشتند. از این‌رو تا پیش از تولد یک ثانیه‌گی جهان، فضا اشباع از کوارک و گلوئون بود. از این‌رو چنین شرایطی را "پلاسمای کوارک-گلوئونی" یا QGP نیز می‌نامند.

پیش از این گفتیم که هدف از احداث تأسیسات LHCb، صید کوارک‌های منفرد بود؛ اما برخوردهای پروتون‌-پروتونی با انرژی‌هایی حداکثر در حدود 14 ترااکترون‌ولت، آن‌چنان قوی نیست که شرایط نخستین جهان ما در آ‌ن‌ها حکمفرما شود و به‌همین دلیل است که کوارک‌های منفرد تشکیل شده در جریان این برخوردها، در کسری از ثانیه به ذرات ریزتری فرومی‌پاشند. اما برخورد یون‌های سنگین‌ سرب در قلب تأسیسات آلیس (ALICE)، انرژی‌ای معادل ۱۱۵۰ تراالکترون‌ولت را آزاد کرده و در اندک‌زمانی، شعله‌ای با دمای یکصدهزار برابر قلب خورشید را در جهان ریز اتم‌ها برمی‌افروزد.

در این شرایط سهمگین که پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز تاب تحملش را ندارند، چسبی که ۱۳.۷ میلیارد سال از پیکر ریز کوارک‌ها جدا نگشته‌ بود، به ناگاه تسلیم تصمیم بیش از یک‌هزار فیزیکدان زمین شده و به سرعت، ابری از QGP در قلب لوله‌های آلیس تشکیل می‌شود.

این ابر اما مدت چندانی برجا نخواهد ماند و با انبساط و افت دما، آرام‌آرام آنچه در نخستین سپیده‌دم هستی تجربه‌اش کرد را این‌بار زیر نگاه تیزبین چشمان آلیس انجام می‌دهد؛ بطوریکه در نخستین گام، پروتون‌ها و نوترون‌ها طی فرآیندی موسوم به "تحدید کوارک" (Quark confinement) از به‌هم‌پیوستگی کوارک‌های منفرد بوجود می‌آیند.

نظریه "کرومودینامیک کوانتومی" که به بررسی تعاملات متقابل کوارک‌ها و گلوئون‌ها می‌پردازد، هنوز از چگونگی برقراری این‌ پیوند‌ها سخن قاطعی به میان نیاورده است. از طرفی چون با پیوند سه کوارک منفرد، یک پروتون و یا یک نوترون (بسته به نوع کوارک‌ها) بوجود می‌آید، پس اصولاً حاصل‌جمع جرم سه کوارک بایستی با یک پروتون برابری کند؛ اما با کمال شگفتی آنچه از جمع جرم سه کوارک به‌دست می‌آید، تنها یک درصد از جرم یک پروتون است!

متخصصین در حال کار با یکی از دو آشکارساز گرمایی ZDC؛ در چند قدمی حسگر غول‌پیکر آلیس

۹۹ درصد جرم این ذره را چه فرآیندی ایجاد کرده است؟ از مهم‌ترین اهداف آلیس، پاسخ به این دو چیستان دیرپاست.

پیش از این نیز "تصادم‌گر یون‌های سنگین نسبیتی" یا RHIC در آزمایشگاه ملی بروکهیون ایالات متحده هدف مشابهی را دنبال کرد؛ اما انرژی برخوردها در آن شتاب‌دهنده، تنها ۱۷.۷۲ گیگاالکترون‌ولت بود. تونل‌های LHC، هرساله برای یک ماه میزبان پرتوهای یونی‌اند.

اهمیت اهداف پیش‌روی آلیس تا بدانجاست که هرآنچه آلیس برایمان روایت کند، در درک ما از نخستین ثانیه‌های پس از انفجار بزرگ، تا تشکیل و تکوین منظومه شمسی و زمین، تماماً تأثیر خواهد گذاشت، و از این‌رو حسگرهای آلیس، تحول QGP را از چندین نما مورد بررسی قرار می‌دهند. پیچیدگی قطعات به‌کاررفته در این تأسیسات آن‌چنان بالاست که در زمان پیشنهاد ساخت آلیس، برخی از فناوری‌های مورد نیاز، هنوز ایجاد نشده بود!

سفر به سرزمین عجایب

بیایید سفری کوتاه به آلیس داشته باشیم. از اولین قطعه این حسگر غول‌پیکر تا آخرین آن، در حدود ۱۱۵ متر فاصله است. پرتوهای یونی موجود در تونل‌های LHC، تماماً در یک ناحیه متمرکز نیستند؛ بلکه با یک برش مقطعی فرضی از پرتوهای یونی درخواهیم یافت که تمرکز اکثریت یون‌ها در مرکز است و هاله‌ای از یون‌های "تماشاگر" آن‌ها را دربرگرفته است.

به دلیل آنکه برخوردهای سربه‌سر در متمرکزترین نواحی پرتو رخ می‌دهد؛ یون‌های دور-از-صحنه‌ای که در هاله رقیق پیرامون نواحی مرکزی موجودند را گاه تماشاگر نیز می‌نامند. تشخیص یون‌های بازیگر و تماشاگر از هم‌دیگر در آلیس از اهمیت بالایی برخوردار است. به همین دلیل است که یون‌های ورودی، در نخستین قدم بایستی اصطلاحاً انگشت‌نگاری شوند.

این وظیفه را دو گرماسنج‌ فوق‌حساس موسوم به "گرماسنج صفردرجه" (ZDC) که در دوسوی آلیس، برای پرتوهای ورودی از هر دو طرف تونل نصب گردیده‌اند، به انجام می‌رسانند. ZDC‌ها از تأسیسات اصلی آلیس اندکی فاصله داشته و به تونل اصلی چسبیده‌اند.

از این‌روست که به آن‌ها صفردرجه می‌گویند. هر کدام از این گرماسنج‌ها مجهز به دو حسگر نوترونی (ZN) از جنس تنگستن و دو حسگر پروتونی (ZP) از جنس برنج است. مابین این صفحات فلزی، ورقه‌های فیبری نهاده شده است؛ بطوریکه پروتون‌ها و نوترون‌ها با برخورد به صفحات فلزی، دوشی از ذرات ریزتر را آزاد می‌کنند که با گذر از لایه‌های فیبری، هر ذره بسته به انرژی جنبشی‌‌اش در محیط فیبر، از خود "تابش چرنکوف" گسیل می‌کند.

نمایی از حلقه آشکارساز TPC در حسگر آلیس در حین عملیات ساخت / عکس از: آنتونیو سابا

این تابش بوسیله تقویت‌کننده‌های نوری خاصی به سبگنال الکتریکی بدل شده و نهایتاً میزان تمرکز یون‌های پرانرژی را به دانشمندان نشان می‌دهند.

قدم بعدی، برخورد یون‌ها و تولید ابر QGP است. نخستین شاهدان ماجرا، دسته‌ای از آشکارسازهای در هم‌تنیده‌ همچون لایه‌های پیازند که به ترتیب از درون به بیرون، SPD، SDD انحرافی، SDD نواری و TPC نامیده می‌شوند. این آشکارسازها تماماً به بررسی مسیر ذرات باردار تولید شده در جریان برخورد پرداخته و با محاسبه میزان انحراف ذرات باردار در حضور میدان مغناطیسی شدیداً پرقدرت آهنربای آلیس، قادرند به جرم و بار الکتریکی ذرات تولید‌شده نیز پی ببرند.

لایه بعدی آشکارسازها، قادر به تشخیص نوع ذرات تولیدی است. آشکارساز TOF، میزان جابجایی یک ذره را حتی در یک‌دهم از یک‌میلیاردیم ثانیه تشخیص داده و بدین‌ترتیب می‌تواند به سرعت ذره پی ببرد. آشکارسازهای HMPID و TRD نیز با محاسبه شدت تابش چرنکوف، به ماهیت ذره عبوری پی می‌برند. برای تعیین دمای ابر پلاسمایی تولیدشده نیز بایستی قدرت فوتون‌ها را مدنظر قرار داد. این وظیفه به دوش آشکارسازهای PHOS، EMCal و PMD است.

شاید نام بردن از این آشکارسازها کار آسانی باشد، اما به یاد داشته باشید که داده‌های دریافتی از ۵۰ هزار برخورد در ثانیه، معادل حدود ۶ برابر اطلاعات دایره‌المعارف بریتانیکا در ثانیه است! سامانه بایگانی اطلاعات آلیس نه‌تنها بایستی چنین حجم عظیمی از داده‌ها را درون خود ذخیره کند؛ بلکه باید توانایی انتخاب و ثبت برخوردهای نادر سر‌به‌سر را در این دریای اطلاعات نیز داشته باشد.

از این‌روست که پهنای باند خطوط انتقال اطلاعات برخوردی آلیس، در حدود 2.5 گیگابایت بر ثانیه؛ و قدرت ذخیره‌سازی سامانه پردازش اطلاعات نیز در حدود ۱.۲۵ گیگابایت بر ثانیه است. این به آن معناست که بایگانی آلیس سالیانه بیش از 1 پتابایت اطلاعات را در خود ذخیره خواهد کرد. این تنها یک‌پانزدهم از کل اطلاعات بایگانی شده LHC در هر سال است. تصور کنید اگر تمامی مکالمات انجام‌شده بین انسان‌ها را در یک سال به‌صورت مکتوب در‌آوریم، حجم آن چیزی در حدود ۲ تا ۳ پتابایت خواهد شد!

یکی اتاق‌های کنترل CERN مربوطه به حسگر آلیس / عکس از: آنتونیو سابا

حتی بزرگترین ابرکامپیوترهای جهان نیز برای تحلیل این حجم سرسام‌آور از داده‌ها به فرصتی چندهزار ساله نیازمندند! اما راه حل CERN برای چنین مشکلی، استفاده از روشی یکصدمیلیون یورویی موسوم به "شبکه جهانی محاسباتی LHC" یا WLCG است.

در این روش، بیش از یک‌صد‌هزار پردازنده کامپیوتری مجزا که در ۳۴ کشور مختلف دنیا مستقرند، به آنالیز بخشی از داده‌های خام پرداخته و پس از اتمام کار، نتایج بررسی را روانه یک کامپیوتر مرکزی می‌کنند؛ و بار دیگر این روش از سرگرفته می‌شود.

حتی رایانه شخصی شما نیز می‌تواند در اوقات بیهوده و در مقیاسی کوچکتر، با بزرگترین ابرکامپیوترهای دنیا در محاسبات مرتبط با داده‌های LHC رقابت کند! کافی است‌ با ثبت نام در پروژه LHC@home از طریق این نشانی، بخشی از اوقات بیهوده رایانه خود را در اختیار LHC قرار دهید.

اطلاعات بیشتر، در وب‌سایت اختصاصی این پروژه قابل دسترسی است.

تا بدین‌جا به بررسی اجمالی چهار آزمایش بزرگ و نفس‌گیر ابرتصادم‌گر هادرونی پرداختیم:

اطلس (ATLAS) مخفف عبارت "ابزار چنبره‌ای LHC" که استوانه‌ای به طول ۲۵ متر، با وزنی معادل برج ایفل است؛ CMS، مخفف عبارت "سولنوئید فشرده موئونی" که استوانه‌ای به قطر ۱۵ و طول ۲۱ متر با وزن ۱۲۵۰۰ تن است و در فاصله ۹ کیلومتری از اطلس جای گرفته؛ LHCb که تأسیساتی با ارتفاع ۵ متر و درازای ۲۰ متر است؛ و نهایتاً آلیس، مخفف عبارت "آزمایش تصادم‌گر بزرگ یونی"، که با عرض و ارتفاع ۱۶ متر و طول ۲۶ متر، وزنی معادل ۱۰هزار تن را در خود جای داده است.

اما در کنار این نقاط عطف LHC که مهم‌ترین اهداف علمی شتاب‌دهنده در آن‌ها تمرکز یافته، دو آزمایش اقماری و کوچک‌تر به نام‌های LHCf و توتم (TOTEM) نیز که به ترتیب در قلمرو حسگرهای اطلس و CMS نصب گردیده‌اند، درک ما را از پرتوهای کیهانی و نیز ابعاد یک پروتون متحول خواهند ساخت.
اما پرتوهای کیهانی چیستند؟

ادامه دارد...