مهندسی بی‌نهایت: برخورددهنده هادرونی بزرگ

برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ یکی از نمادهای فناوری و پیشرفت بشر در عصر جدید است که روزنه‌هایی جدید از ساختار جهان هستی را به‌ روی ما می‌گشاید.

یک ماشین چرخشی عظیم در جایی بین مرز فرانسه و سوئیس، در ۱۰۰ متری زیر زمین واقع شده و قرار است اسرار گیتی را برای ما آشکار کند. البته بر اساس گفته بعضی‌ از افراد، این ماشین می‌تواند حیات را از روی زمین حذف کند. درهرصورت این ماشین، بزرگ‌ترین ماشین دنیا است و قرار است کوچک‌ترین ذرات دنیا را مورد بررسی قرار دهد. نام ماشین یادشده، برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) است.

برخورددهنده هادرونی بزرگ بخشی‌ از پروژه‌ی سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای ملقب به سرن است. این برخورددهنده به مجموعه‌ی شتاب‌دهنده خارج ژنو سوئیس ملحق می‌شود. زمانی‌ که این برخورددهنده روشن شود، پرتوهایی از پروتون و یون را با سرعتی نزدیک‌ به سرعت نور پرتاب خواهد کرد. این دستگاه باعث خواهد شد ذرات بایکدیگر برخورد کنند و سپس حوادث ناشی‌ از برخورد آن‌ها را ثبت خواهد کرد. دانشمندان امیدوارند که این حوادث بتوانند اطلاعات بیشتری درمورد چگونگی شروع گیتی و اینکه جهان از چه‌ موادی تشکیل شده است، در اختیار ما قرار دهند.

شتاب دهنده هادرونیمهندسان درحال نصب یک آهن‌ربای بزرگ در برخورددهنده هادرونی بزرگ

LHC جاه‌طلبانه‌ترین و قدرتمندترین شتاب‌دهنده‌ی ذراتی است که تابه‌حال ساخته شده. هزاران دانشمند از صدها کشور، با هم و به‌صورت رقابتی روی آن کار می‌کنند تا به کشفیات و حقایق جدیدی دست یابند. در محدوده‌ی LH‌C، شش موقعیت و مکان وجود دارد که برای انجام آزمایشات مختلف، اطلاعات جمع‌آوری می‌کنند. گاهی‌ اوقات پیش می‌آید که نتایج جدید به‌دست‌آمده از این آزمایش‌ها توسط چند نفر به‌طور یکسان و همزمان به‌ دست می‌آید، بنابراین دانشمندان سعی می‌کنند اولین نفری باشند که اطلاعات جدید و مهم را کشف کرده است.

هدف LHC یا برخورددهنده هادرونی بزرگ، افزایش دانش ما درمورد گیتی است. بااینکه ممکن است کشفیات دانشمندان به کاربرد عملی نیز منتج شود؛ ولی باید متذکر شویم که دلیل کار صدها دانشمند و مهندس از ساخت این ماشین، درواقع افزایش درک و آگاهی ما است. با در نظر گرفتن اینکه هزینه‌های این ماشین میلیاردها دلار است و به همکاری صدها کشور نیاز دارد، نبود کاربرد عملی در آن باعث تعجب است. 

برخورددهنده هادرونی بزرگ دقیقا به‌ دنبال چیست؟

دانشمندان در تلاشی برای درک گیتی (اینکه چگونه کار می‌کند و ساختار اصلی آن چیست) نظریه‌ی مدل استاندارد را مطرح کردند. این نظریه سعی‌ در تعریف و توضیح ذرات بنیادی‌ دارد که دنیا را به این شکل درآورده‌اند. این نظریه عناصر نظریه نسبیت و نظریه کوانتوم را ادغام می‌کند و همچنین با ۳ مورد از ۴ نیروی اساسی گیتی، یعنی نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیس سروکار دارد؛ ولی با اثرات نیروی چهارم یعنی گرانش کاری ندارد.

مدل استاندارد چند حدس درخصوص گیتی مطرح می‌کند که بسیاری‌ از آن‌ها بر اساس یافته‌های آزمایشی، صحیح هستند. اما چندین مورد از این مدل وجود دارند که هنوز اثبات نشده‌اند. یکی‌ از این موارد ذره نظری بوزون هیگز است.

ذره‌ی بوزون هیگز احتمالا بتواند به پرسش‌ها درمورد جرم جواب دهد، مثلا اینکه چرا ماده جرم دارد؟ دانشمندان ذره‌هایی را کشف کرده‌اند که جرم ندارند؛ مثل نوترینو. سؤال اینجا است که چرا برخی‌ از ذرات جرم دارند و بعضی دیگر ندارند؟ دانشمندان ایده‌های زیادی برای توضیح وجود جرم مطرح کرده‌اند. ساده‌ترین ایده‌ مربوط‌به مکانیزم هیگز است. این نظریه می‌گوید به‌ دلیل وجود یک ذره و نیروی میانجی مرتبط با آن، برخی‌ از ذرات جرم دارند. این ذره‌ی نظری (بوزون هیگز) در سال ۲۰۱۲ در همین مرکز شناسایی شد.

برخورد دهنده هادرونی بزرگ

سؤال دیگری که دانشمندان درمورد ماده دارند، مربوط به شرایط اولیه گیتی می‌شود. در لحظات ابتدایی پیدایش گیتی، ماده و انرژی جفت بودند و بعد از اینکه جدا شدند، ذرات ماده و پادماده همدیگر را خنثی کردند. اگر مقدار ماده و پادماده یکسان بود، این دو ذره همدیگر را خنثی می‌کردند. اما خوشبختانه (برای ما) مقدار ماده نسبت‌ به پادماده در گیتی، کمی بیشتر است. دانشمندان امیدوارند بتوانند با LHC، پادماده را مشاهده کنند. این کار به ما کمک می‌کند بفهمیم چرا چنین تفاوت بسیار‌ اندکی میان مقدار ماده و پادماده درزمان شروع گیتی وجود داشته است.

ماده‌ی تاریک همچنین ممکن است نقش مهمی در پژوهش LHC بازی کند. درک فعلی ما از گیتی می‌گوید ماده‌ای که می‌توانیم آن را مشاهده کنیم، تنها حدود ۴ درصد از کل ماده‌ای است که باید وجود داشته باشد. وقتی به‌حرکت کهکشان‌ها و سایر اجسام آسمانی نگاه می‌کنیم، با توجه به حرکت آن‌ها متوجه می‌شویم که ماده‌ی بیشتری در گیتی نسبت‌ به آن چیزی که تابه‌حال شناسایی کرده‌ایم وجود دارد. دانشمندان این ماده‌ی غیر قابل تشخیص را ماده‌ی تاریک نامیده‌اند. ماده‌ی قابل مشاهده و ماده‌ی تاریک در مجموع ۲۵ درصد از گیتی را تشکیل می‌دهند. سه‌چهارم بقیه از نیرویی به‌ نام انرژی تاریک به‌ دست می‌آید. انرژی تاریک، یک انرژی نظری است که به توسعه گیتی نسبت داده می‌شود. دانشمندان امیدوارند که آزمایشات‌ شواهد بیشتری برای وجود ماده تاریک و انرژی تاریک ارائه دهد یا حداقل شواهدی ارائه دهد که حاکی‌ از وجود یک نظریه جایگزین باشد. 

پژوهش در مرکز شتاب‌دهنده و کار با مواد شگفت‌انگیز

اگر ذرات نظری، پادماده و انرژی تاریک طبیعی نباشند، برخی‌ از دانشمندان معتقدند که LHC می‌تواند به‌کشف شواهدی مبنی‌ بر ابعاد دیگری کمک کند. ما ظاهرا در دنیایی زندگی می‌کنیم که دارای ۴ بعد است: سه بعد فضایی و بعد زمان. اما برخی‌ از فیزیکدانان معتقدند که شاید ابعادی وجود داشته باشند که ما هنوز آن‌ها را درک نکرده‌ایم. برخی‌از نظریه‌ها تنها زمانی‌ معنا پیدا می‌کنند که گیتی ابعاد بیشتری داشته باشد. به‌عنوان مثال، یکی‌از نسخه‌های نظریه ریسمان به‌وجود حداقل ۱۱ بعد نیازمند است.

شاید ابعادی وجود داشته باشند که ما هنوز آن‌ها را درک نکرده باشیم

نظریه‌پردازان ریسمان امیدوارند که LHC بتواند شواهدی برای پشتیبانی‌از مدل گیتی مطرح‌شده توسط آن‌ها ارائه دهد. طبق نظٰریه ریسمان، اساس ساختمان سازنده گیتی، ذرات نیستند، بلکه ریسمان‌ها هستند و ماده در اساسی‌ترین صورت خود ذره نیست، بلکه ریسمان‌مانند است. ریسمان‌ها می‌توانند پایانی باز یا بسته داشته باشند، و همچنین مثل تارهای گیتار ارتعاش داشته باشند. ارتعاشات گوناگون، ریسمان‌ها را به شکل اشیای گوناگون ظاهر می‌کند. یک ریسمان مرتعش می‌تواند به‌شکل یک الکترون دربیاید. ریسمان مرتعش دیگری هم می‌تواند به‌شکل یک نوترینو دربیاید. برخی‌از دانشمندان از نظریه ریسمان انتقاد می‌کنند و می‌گویند که شواهدی مبنی‌بر پشتیبانی‌ از این نظریه وجود ندارد. نظریه‌ی ریسمان، گرانش را وارد مدل استاندارد می‌کند که دانشمندان باید برای این‌کار یک نظریه اضافی مطرح کنند. این نظریه همچنین نظریه نسبیت عام و میدان‌های کوانتومی را به‌هم مرتبط می‌سازد. با این حال هنوز اثباتی برای وجود نظریه‌ی ریسمان وجود ندارد. این‌ها بسیار کوچک‌تر از حدی هستند که بتوان آن‌ها را مشاهده کرد و در حال‌ حاضر راهی برای تست و بررسی آن‌ها وجود ندارد. به‌همین‌دلیل برخی‌ از دانشمندان این نظریه را بیشتر شبیه‌به یک فلسفه می‌دانند تا علم. 

شتاب دهنده هادرونی سرناین سختمان، مکانی است که تجهیزات پژوهشی در ۱۰۰ متری بالای سیم‌لوله فشرده میونی در آن قرار دارد

نظریه‌پردازان ریسمان امیدوارند که LHC نظر منتقدان را تغییر دهد. آن‌ها به‌دنبال نشانه‌هایی از ابرتقارن می‌گردند. طبق مدل استاندارد، هر ذره‌ای یک پادذره دارد. به‌عنوان مثال، پادذره الکترون (ذره‌ای با بار منفی)، پوزیترون است. طبق ابرتقارن، ذرات همچنین دارای ابرجفت هستند که این ابرجفت‌ها درعوض دارای ذرات مقابل خوشان هستند. این بدین معناست که هر ذره، سه ذره متقابل با خودش دارد. اگرچه تابه‌حال نشانی‌ از این ابرجفت‌ها دیده نشده است، ولی نظریه‌پردازان امیدوارند که LHC بتواند وجود آن‌ها را اثبات کند. ابرجفت می‌تواند به‌طور بالقوه ماده تاریک را توضیح دهد و یا گرانش را وارد مدل استاندارد کند.

شتاب‌دهنده هادرونی بزرگ از نگاه اعداد

برخورددهنده هادرونی بزرگ یک ماشین بزرگ و قدرتمند متشکل‌ از ۸ بخش است. هر بخش یک حالت تونلی دارد که به‌وسیله‌ی بخش اتصال به دیگری وصل است. محدوده LHC حالت یک تونل ۲۷ کیلومتری دارد. لوله‌های شتاب‌دهنده و اتاق‌های برخورد ۱۰۰ متر زیر زمین هستند. دانشمندان و مهندسان ازطریق آسانسور‌ها و راه پله‌های موجود در چندین نقطه‌ی محدوده LHC به تونل خدمات ماشین دسترسی دارند. سرن سازه‌هایی روی زمین می‌سازد تا دانشمندان درآنجا به جمع‌‌آوری و تحلیل داده‌های به‌دست‌آمده‌ از LHC بپردازند.

LHC از آهن‌رباهایی برای هدایت اشعه‌های پروتون که سرعتی معادل ۹۹.۹۹ درصد سرعت نور را دارند، استفاده می‌کند. این آهن‌رباها بسیار بزرگ هستند و اکثر آن‌ها وزنی چند تنی دارند. چیزی حدود ۹۶۰۰ آهن‌ربا در LHC وجود دارد. این آهن‌رباها تا دمای ۱.۹ درجه کلوین (منفی ۲۷۱ درجه سلسیوس) خنک می‌شوند. این دما حتی‌ از دمای خلأ فضای بیرونی سردتر است.

هسته مغناطیسی برخورددهنده هادرونی بزرگ هسته مغناطیسی برخورددهنده هادرونی بزرگ 

اشعه‌های پروتونی داخل LHC، ازطریق لوله‌هایی که سرن آن‌ها را خلأ ماورای بالا می‌نامد، عبور می‌کنند. دلیل ساخت خلأ این‌چنینی، جلوگیری‌ از برخورد پروتون‌ها با ذرات، قبل‌ از رسیدن آن‌ها به نقاط برخورد مناسب است. حتی یک مولکول گاز می‌تواند آزمایش را با شکست مواجه کند.

مقدار داده‌های جمع‌آوری‌شده در آزمایش‌ها به چیزی حدود ۷۰۰ مگابایت برثانیه می‌رسد

در محدوده‌ی LHC شش منطقه وجود دارد که مهندسان می‌توانند در آنجا آزمایش‌های خود را انجام دهند. اگر بخواهیم این مناطق را تشبیه کنیم باید بگوییم که هرمنطقه شبیه‌ به یک میکروسکوپ با دوربین دیجیتال است؛ بعضی‌ از این میکروسکوپ‌ها بسیاربزرگ هستند: آزمایش اطلس  یک دستگاه به‌طول ۴۵ متر، ارتفاع ۲۵ متر ، و وزن ۵۴۴۳ هزار کیلوگرم است.

LHC و آزمایش‌های مرتبط‌ به آن دارای ۱۵۰ میلیون حسگر هستند. این حسگرها  داده‌ها را جمع‌آوری می‌کنند و به سیستم‌های پردازشی مختلف می‌فرستند. طبق اعلام سرن، مقدار داده‌های جمع‌آوری‌شده هنگام آزمایش‌ها به چیزی حدود ۷۰۰ مگابایت برثانیه می‌رسد. اگر اساس کار آزمایش‌ها را به‌طور سالانه بررسی کنیم، LHC چیزی حدود ۱۵ پتابایت داده جمع‌آوری می‌کند. هر پتابایت، یک میلیون گیگابایت است. این مقدار داده درهرسال چیزی معادل ۱۰۰ هزار DVD است.  

مروری کلی بر آزمایشات برخورددهنده بزرگ هادرونیمروری کلی بر آزمایشات برخورددهنده بزرگ هادرونی

راه‌اندازی LHC انرژی زیادی مصرف می‌کند. سرن تخمین می‌‌زند که مصرف برق سالانه برای این برخورددهنده چیزی حدود ۸۰۰ هزار مگاوات ساعت خواهد بود. این رقم حتی بالاتر از این هم می‌تواند برود، ولی این ماشین قرار نیست در ماه‌های زمستان کار کند. طبق اعلام سرن، هزینه‌ی این انرژی ۱۹ میلیون یورو است. هزینه برق آن به‌ازای هرسال چیزی حدود ۳۰ میلیون دلار است و هزینه ساخت این مجموعه بالغ‌بر ۶ میلیارد دلار است.

شتاب‌دهنده و برخورد دادن پروتون‌ها

قاعده LHC بسیار ساده است. اول ۲ اشعه از ذرات در ۲ مسیر شلیک می‌شود، یکی در جهت عقربه‌های ساعت و دیگری درخلاف جهت عقربه‌های ساعت. به اشعه‌ها شتاب می‌دهند تا سرعت آن‌ها به نزدیکی سرعت نور برسد. سپس اشعه‌ها را به‌سمت یکدیگر هدایت می‌کنند، تا ببینند چه اتفاقی می‌افتد.

تجهیزات مورد نیاز برای رسیدن به چنین هدفی بسیار پیچیده است. LHC تنها یک بخش‌ از مجموعه‌ی کلی شتاب‌دهنده‌ی سرن است. قبل‌ از اینکه پروتون‌ها یا یون‌ها وارد LHC شوند، باید یک سری اقدامات انجام شود. 

بیایید نگاهی‌ به پروتون در روندی که در LHC طی می‌کند، بیندازیم. ابتدا دانشمندان باید الکترون‌ها را از اتم‌های هیدروژن جدا کنند تا پروتون به‌دست آید. سپس پروتون‌ها وارد ماشین شتاب‌دهنده ذره‌ای خطی ۲ می‌شوند. این ماشین، پروتون‌ها را به‌سمت شتاب‌دهنده دیگری به‌نام تقویت‌کننده سنکروترون پروتون شلیک می‌کند. این ماشین‌ها از دستگاه‌هایی به‌نام حفره‌ی فرکانس رادیویی برای شتاب‌ دادن به پروتون‌ها استفاده می‌کنند. این حفره‌ها دارای یک میدان الکتریکی فرکانس رادیویی هستند که سرعت اشعه‌های پروتون را افزایش می‌دهد. آهن‌رباهای بزرگ، میدان مغناطیسی لازم برای حفظ مسیر اشعه‌های پروتون را تولید می‌کنند. اگر این جریان را به یک اتومبیل تشبیه کنیم، حفره‌های فرکانس رادیویی شتاب‌دهنده، و آهنرباها، فرمان اتومبیل هستند. زمانی‌که یک اشعه‌ی پروتونی به سطح انرژی مناسب برسد، تقویت‌کننده سنکروترون پروتون، آن را به شتاب‌دهنده دیگری به‌نام ابرسنکروترون پروتون می‌فرستد. سرعت اشعه‌ها بازهم افزایش می‌یابد. سپس اشعه‌ها به دو خوشه و دسته تقسیم می‌شوند. هر دسته دارای ۱/۱ در ۱۰ به‌توان ۱۱ پروتون است و به‌ازای هر اشعه، ۲۸۰۸ دسته وجود دارد. ابرسنکروترون پروتون اشعه‌ها را به LHC می‌فرستد که یکی‌از اشعه‌ها درجهت عقربه‌های ساعت و دیگری درخلاف جهت عقربه‌های ساعت حرکت می‌کنند.

مدلی‌از برخورددهنده هادرونی بزرگ در مرکز بازدید سرن در ژنومدلی‌از برخورددهنده هادرونی بزرگ در مرکز بازدید سرن در ژنو

اشعه‌ها داخل LHC به شتاب‌گرفتن ادامه می‌دهند. این شتاب‌گرفتن به مدت ۲۰ دقیقه طول می‌کشد. اشعه‌ها وقتی به بالاترین سطح‌از سرعت رسیدند، هرثانیه ۱۱۲۴۵ بار مسیر LHC را طی می‌کنند. این دو اشعه در یکی‌ از ۶ محل شناسایی LHC همگرایی دارند. در این محل، هرثانیه ۶۰۰ میلیون برخورد به‌وجود می‌آید.

وقتی دو پروتون بایکدیگر برخورد می‌کنند، به ذرات کوچک‌تری شکسته می‌شوند که شامل ذراتی زیراتمی به‌نام کوارک و نیرویی به‌نام گلوئون می‌شود. کوارک‌ها بسیار بی‌ثبات هستند و در یک ثانیه واپاشی می‌شوند. حسگرهای شناسایی با ردیابی مسیر ذرات زیراتمی، اطلاعات جمع‌آوری می‌کنند و سپس این اطلاعات را به شبکه‌ای از سیستم‌های کامپیوتری می‌فرستند.

هر پروتونی با پروتون دیگر برخورد نمی‌کند. حتی باوجود ماشین پیشرفته‌ای مثل LHC، بازهم هدایت اشعه‌های ذراتی به‌کوچکی پروتون‌ها غیرممکن است، بنابراین هر ذره با دیگری برخورد خواهد کرد. پروتون‌هایی که بایکدیگر برخورد نکنند، همین‌گونه به‌روند خود ادامه خواهند داد تا از بخش تخلیه خارج شوند. بخشی وجود دارد که از جنس گرافیت است و اشعه‌ها را جذب می‌کند. بخش تخلیه اشعه قادر است اشعه‌هایی را که عملکرد اشتباهی در LHC دارند به خود جذب کند.

شناساگرهای شتاب‌دهنده

LHC دارای ۶ محل یا منطقه شناسایی در محدوده‌ی خودش است. این ۶ محل داده‌ها را جمع‌آوری می‌کنند و آزمایش‌هایی را انجام می‌دهند. برخی‌از این آزمایش‌ها برای به‌دست آوردن اطلاعات یکسانی انجام می‌شود، هرچند که روش انجام آن‌ها بایکدیگر متفاوت است. ۴ محل شناسایی اصلی و ۲ محل کوچک‌تر در محدوده LHC وجود دارند.

محل شناسایی اطلس، بزرگ‌ترین محل شناسایی در بین این ۶ محل است. اطلس طولی ۴۶ متری، ارتفاعی ۲۵ متری و عرضی ۲۵ متری دارد. در هسته‌ی اطلس، دستگاهی به‌نام ردیاب داخلی وجود دارد. این ردیاب تکانه عبور ذرات از شناساگر اطلس را شناسایی و تحلیل می‌کند. در اطراف ردیاب داخلی، یک کالری‌متر وجود دارد که انرژی ذرات را با جذب آن‌ها اندازه‌گیری می‌کند. دانشمندان می‌توانند با بررسی مسیر ذرات، اطلاعاتی درمورد آن‌ها به‌دست بیاورند.

شناساگر اطلس، همچنین دارای یک طیف‌سنج میونی است. میون‌ها ذراتی با بار منفی هستند که ۲۰۰ برابر سنگین‌تر از الکترون‌ها هستند. میون‌ها می‌توانند بدون اینکه متوقف شوند از کالری‌‌متر عبور کنند و درواقع تنها ذره‌ای هستند که می‌توانند این کار را انجام دهند. طیف‌سنج میونی اطلس، تکانه هر میون را با حسگرهای ذرات باردار، اندازه‌گیری می‌کند. این حسگرها می‌توانند نوسانات میدان مغناطیسی اطلس را شناسایی کنند. 

پیتر هیگزپیتر هیگز، فردی که نام بوزون هیگز از نام او گرفته شده است، درحال قدم زدن در برخورددهنده هادرونی بزرگ

سیم‌لوله فشرده میونی (CMS)، یک شناساگر و آزمایش بزرگ دیگر است. CMS مانند اطلس، یک شناساگر همه‌منظوره است که ذرات زیراتمی را هنگام برخورد‌ها، شناسایی و اندازه‌گیری می‌کند. CMS داخل یک آهن‌ربای سیم‌لوله بزرگ است که می‌تواند یک میدانی مغناطیسی با قدرتی حدود ۱۰۰ هزار برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی کره‌زمین بسازد.

سپس نوبت‌به آلیس می‌رسد که یک آزمایش برخورد یون بزرگ است. مهندسان آلیس را برای مطالعه برخورد‌های بین یون‌های آهن طراحی کرده‌اند. دانشمندان امیدوارند با برخورد یون‌های آهن در انرژی بالا، شرایطی شبیه‌به دقیقا بعد‌ از مه‌بانگ را بازسازی کنند. آن‌ها انتظار دارند که یون‌ها به ترکیبی‌ از کوارک و گلوئون تجزیه شوند. یکی‌ از بخش‌های اصلی آلیس، اتاقک پروجکشن زمان است که مسیرهای ذرات را بررسی و بازسازی می‌کند. آلیس هم مانند اطلس و CMS، دارای یک طیف‌سنج میونی است.

آزمایش بعدی، LHCB یا LHC زیبایی است! هدف LHCB جست‌وجوی شواهدی برای وجود پادماده است. LHCB این کار را با جست‌وجوی ذره‌ای به نام کوارک زیبایی انجام می‌دهد. مجموعه‌ای از زیرشناساگرها در اطراف نقطه برخورد، ۲۰ متر در درازای آن کشیده شده‌اند. این شناساگرها با محدوده حرکتی کمی که دارند می‌توانند به‌طور دقیق ذرات کوارک زیبایی را دریافت کنند. این ذرات بسیار بی‌ثبات هستند و سریعا واپاشی می‌شوند.

یکی‌ از دو بخش کوچک از ۶ آزمایش، TOTAM یا اندازه‌گیری سطح مقطع پراکنده و کشسان است. این آزمایش سایز پروتون‌ها و تابندگی (توان تابشی) LHC را اندازه‌گیری می‌کند. تابندگی در فیزیک ذرات، به میزان دقت تولید برخورد توسط شتاب‌دهنده ذرات اشاره دارد.

درنهایت به بخش LHCF می‌رسیم. این آزمایش اشعه‌های کیهانی را در یک محیط کنترل‌شده، شبیه‌سازی می‌کند. هدف این آزمایش کمک‌ به دانشمندان برای طراحی آزمایشات گسترده برای مطالعه طبیعی برخورد اشعه‌های کیهانی است.

هرمحل آزمایش دارای تیمی از محققان است و هرتیم از چندده تا بیش‌ از هزار دانشمند تشکیل شده است. در برخی‌ از موارد، این دانشمندان به‌دنبال اطلاعات یکسانی می‌گردند. کشف اطلاعات جدید برای این دانشمندان همانند یک مسابقه است که همگی سعی دارند زودتر از بقیه اطلاعات جدیدی در فیزیک را کشف کنند.

اما سؤال این‌جاست که این دانشمندان چگونه اطلاعات به‌دست آمده‌از این آزمایشات را مدیریت می‌کنند؟

محاسبه‌ داده‌های شتاب‌دهنده بزرگ چگونه انجام می‌شود؟

دانشمندان هرساله ۱۵ پتابایت (۱۵ میلیون گیگابایت) توسط LHC جمع‌آوری می‌کنند و وظیفه سنگینی درقبال این اطلاعات دارند. چگونه می‌توان این مقدار اطلاعات را پردازش کرد؟ از کجا باید بدانیم که کدام قسمت‌ از این اطلاعات مفید و برجسته است؟ حتی اگر از یک ابررایانه هم استفاده شود، پردازش این حجم از اطلاعات هزاران ساعت طول خواهد کشید. بااین‌ حال، بازهم LHC به جمع‌آوری اطلاعات خود ادامه می‌دهد.

راه‌حل سرن برای این مشکل، شبکه محاسباتی مشبک LHC است. گرید شبکه‌ای از کامپیوترهایی است که هرکدام از آن‌ها می‌توانند تکه‌ای از اطلاعات را تحلیل کنند. زمانی‌که یک کامپیوتر تحلیل خود را تکمیل می‌کند، یافته‌هایش را به یک کامپیوتر متمرکز می‌فرستد و تکه‌ی جدیدی‌ از اطلاعات را برای تحلیل دریافت می‌کند. تازمانی‌که دانشمندان بتوانند داده‌ها را قسمت‌بندی کنند، این سیستم به‌خوبی کار می‌کند. در صنعت کامپیوتر به‌چنین شیوه‌ای رایانش مشبک می‌گویند.

دانشمندان سرن تصمیم گرفتند روی استفاده‌ از تجهیزات به‌نسبت ارزان برای محاسبات خود تمرکز کنند. سرن به‌جای خرید پردازنده‌ها و سرورهای داده فوق‌پیشرفته، روی سخت‌افزارهای خارج‌ از رده‌ای تمرکز کرد که تنها در شبکه خوب کار کند. شیوه‌ی آن‌ها بسیار شبیه‌به استراتژی گوگل است. خریدن تعداد زیادی سخت‌افزار متوسط، بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر از خرید تنها تعداد محدودی از تجهیزات پیشرفته است.

انجلا مرکل و مرکز شتاب دهنده سرنآنگلا مرکل، صدراعظم آلمان به‌همراه گروهی‌از مهندسان درحال بازدید‌از برخورددهنده هادرونی بزرگ

شبکه‌ی کامپیوترها با استفاده‌ از نرم‌افزار میان‌افزار قادر است اطلاعات هر آزمایش انجام‌شده در LHC را ذخیره و تحلیل کند. ساختار این سیستم طبق سازمان‌های زیر تقسیم‌بندی شده است:

·        سازمان ۰، سیستم محاسباتی سرن و اولین جایی است که اطلاعات را پردازش می‌کند و آن‌ها به تکه‌هایی برای سایر سازمان‌ها تقسیم می‌کند.

·        سازمان ۱، دارای ۱۲ محل در چندین کشور است و داده‌های سرن را توسط اتصالات کامپیوترها دریافت می‌کند. این اتصالات قادرند تا داده‌ها را با سرعت ۱۰ گیگابایت برثانیه انتقال دهند. مکان‌های سازمان ۱ داده‌ها را پردازش می‌کنند و آن‌ها را برای فرستادن به شبکه مشبک تقسیم می‌کنند.

·        سازمان ۲، دارای بیش‌از ۱۰۰ محل است که این محل‌ها به سازمان ۱ متصل هستند. اکثر این محل‌ها، دانشگاه‌ یا موسسه‌های علمی هستند. هرمحلی دارای کامپیوترهای متعددی برای پردازش و تحلیل داده‌ها است. وقتی کار پردازش تکمیل می‌شود، محل‌ها داده‌ها را به سیستم سازمان‌ برمی‌گردانند. اتصال بین سازمان ۱ و ۲ یک اتصال شبکه‌ای استاندارد است.

هرمحلی در سازمان ۲ به هرمحلی در سازمان ۱ دسترسی دارد. دلیل این امر آن است که به موسسات و دانشگاه‌ها این اجازه داده شود که روی پژوهش‌ها و اطلاعات خاص تمرکز کنند.  یکی‌از چالش‌های مربوط‌به یک شبکه بزرگ، امنیت داده‌هاست. سرن اذعان کرد که نمی‌تواند برای حفظ شبکه به فایروال‌ها متکی باشد، چراکه مقدار ترافیک داده‌های سیستم بسیار زیاد است. درعوض، سیستم متکی‌ به اقدامات تعیین‌هویت و اصالت‌سنجی است تا از دسترسی غیرمجاز به داده‌های LHC جلوگیری کند.

برخی‌از افراد می‌گویند که نگرانی درمورد امنیت داده‌ها جای بحث دارد، چراکه آن‌ها فکر می‌کنند LHC درنهایت کل دنیا را نابود خواهد کرد. آیا واقعا ممکن است چنین چیزی رخ دهد؟

آیا شتاب‌دهنده هادرونی بزرگ می‌تواند باعث نابودی دنیا شود؟

LHC به دانشمندان اجازه می‌دهد تا برخوردهای ذرات را در سطوح انرژی خیلی بالاتر‌از هر آزمایش قبلی‌ای مشاهده کنند. برخی‌از افراد نگران‌ هستند که چنین واکنش قدرتمندی می‌تواند مشکلات زیادی برای سیاره زمین به‌وجود بیاورد. درواقع تعدادی‌از افراد آنقدر نگران این موضوع هستند که شکایتی علیه سرن برای تعلیق فعالیت‌های LHC تنظیم کردند. در مارس ۲۰۰۸، والتر وگنر، افسر سابق امنیت هسته‌ای و لوئیس سانچو، یک دادخواهی را در دادگاه منطقه هاوایی آمریکا رهبری کردند. آن‌ها ادعا می‌کردند که LHC می‌تواند کل دنیا را نابود کند.

اساس نگرانی آن‌ها چه‌ بود؟ آیا LHC می‌تواند چیزی خلق کند که دنیا و حیات را نابود کند؟ دقیقا چه اتفاقی ممکن است رخ دهد؟ یک ترس و نگرانی درمورد LHC این است که می‌تواند سیاه‌چاله به‌وجود بیاورد. سیاه‌چاله‌ها مناطقی هستند که ماده در نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت سقوط می‌کند. دانشمندان سرن اعتراف کردند که LHC می‌تواند سیاه‌چاله خلق کند؛ ولی همچنین گفتند که این سیاه‌چاله‌ها اندازه‌ای ریزاتمی دارند و فورا ازبین می‌روند. در نقطه‌‌ی مقابل، اخترشناسان حوزه سیاه‌چاله‌ها، نتایج فروپاشی ستاره‌ها در خودشان را مورد مطالعه قرار دادند. تفاوت زیادی میان جرم یک ستاره و جرم یک پروتون وجود دارد.

نگرانی دیگر این است که LHC ماده‌ای سمی به‌نام استرنجلت (که فعلا جنبه نظری دارد) تولید می‌کند. امکان به وجود آمدن چنین ماده‌ای بسیار نگران‌کننده است. کیهان‌شناسان معتقدند که استرنجلت‌ می‌تواند میدان گرانشی قدرتمندی را در دست ‌بگیرد و کل سیاره را به‌ یک توده‌ی بدون حیات تبدیل کند.

دانشمندان LHC، با چندین نظریه، این نگرانی را رد کردند. ابتدا گفتند که استرنجلت‌ فقط در حد نظریه است و هیچ‌کس تا‌به‌حال چنین ماده‌ای را در جهان مشاهده نکرده است. دوم اینکه میدان الکترومغناطیسی اطراف چنین ماده‌ای، ماده‌ی عادی را دفع می‌کند تا اینکه آن را به چیز دیگری تغییر دهد. سوم اینکه حتی اگر چنین ماده‌ای وجود داشته باشد، می‌تواند بی‌ثبات باشد و فورا نابود و واپاشی شود. چهارم اینکه اشعه‌های کیهانی پرانرژی باید چنین ماده‌ای را به‌طور طبیعی تولید کنند و ازآنجایی که زمین هنور سرپاست، پس مشکلی درمورد استرنجلت وجود ندارد.

کیهان

یکی از ذرات نظری دیگری که LHC ممکن است تولید کند، تک‌قطبی مغناطیسی است. این نظریه که توسط پل آدرین موریس دیراک مطرح شد این‌گونه می‌گوید که یک تک‌قطبی، ذره‌ای است که بار مغناطیسی واحدی دارد (یا شمال است یا جنوب) و دو بار را به‌طور همزمان ندارد. نگرانی مطرح‌شده از سوی وگنر و سانچو این بود که چنین ذراتی می‌توانند ماده را با بارهای مغناطیسی یکپارچه خود ازهم جدا کنند. دانشمندان سرن با این نظریه مخالفت کردند و گفتند که اگر تک‌قطبی وجود داشته باشد، دلیلی برای ترسیدن‌ از این ذرات برای به‌وجود آوردن خرابی وجود ندارد. اما حداقل یک تیم از پژوهشکران به‌طور فعالانه به‌دنبال شواهدی از تک‌قطبی‌ها می‌گردد به این امید که LHC بتواند آن را تولید کند.

نگرانی‌های دیگری که درمورد LHC وجود دارد، ترس‌ از تشعشع و این حقیقت است که LHC می‌تواند پرانرژی‌ترین برخورد ذرات را روی زمین تولید کند. سرن گفت که LHC بسیار امن است و سپر ضخیمی از پوسته‌ی زمین به ضخامت ۱۰۰ متر (۳۲۸ پا) روی آن را پوشانده است. به‌علاوه، پرسنل هم اجازه ورود به سطح زیرین LHC را درهنگام انجام آزمایشا‌ها ندارند. دانشمندان درمورد برخوردها اشاره کردند که برخورد اشعه‌های کیهانی پرانرژی چیزی است که همیشه در طبیعت اتفاق می‌افتد. اشعه‌ها با خورشید، ماه، و سایر سیارات برخورد دارند و هیچ نشانی‌از آسیب‌دیدگی آن‌ها وجود ندارد. این برخوردها در LHC هم در محیطی کاملا کنترل‌شده اتفاق می‌افتند.

آیا LHC می‌تواند دانش ما را درمورد گیتی افزایش دهد؟ آیا داده‌های جمع‌آوری‌شده پاسخ پرسش‌های ما را خواهند داد (یا اینکه سؤالات بیشتری را به‌وجود خواهند آورد)؟ اگر آزمایشات گذشته صحیح باشند، احتمالا جواب این دوسؤال مثبت خواهد بود.

تهیه شده در زومیت

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده
تبلیغات

بیشتر بخوانید