FCC؛ برخورددهنده قدرتمند ذرات جایگزین LHC خواهد شد

برخورددهنده‌‌ی بزرگ هادرونی (LHC) بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌‌ی ذرات در دنیا است که در طول ده سال بهره‌‌برداری از آن، اکتشافات بزرگی نظیر کشف ذره‌‌ی مرموز بوزون هیگز حاصل شد. حال در ۱۵ ژانویه سال ۲۰۱۹، یک تیم بین‌المللی از فیزیکدانان مرکز تحقیقات سرن از طراحی مدل مفهومی یک نوع جدید شتاب‌دهنده‌‌ی ذرات پرده‌برداری کردند که توصیفات، حاکی از عظمت چشمگیر این پروژه در برابر ال‌‌اچ‌‌سی است.

برخورددهنده‌‌ی مدور آینده (FCC) نام جانشین بعدی برخورددهنده‌‌ی بزرگ هادرونی است که درصورت صدور مجوز بهره‌‌برداری، فیزیکدانان خواهند توانست به پاسخ برخی از اسرارآمیزترین پرسش‌‌های دنیای فیزیک دست پیدا کنند. این بدان معنی است که ما به‌‌زودی می‌توانیم دریابیم که ماهیت آنچه بخش اعظم جهان را در برگرفته است، چیست و ذرات تازه‌‌ای را کشف کنیم که پیش‌ازاین از وجود آن‌‌ها آگاهی نداشتیم.

طرح پیش رو شامل یک تونل دایره‌‌ای عظیم ۱۰۰ کیلومتری است که در مساحتی شامل شهر ژنو از سوئیس و حومه‌‌ در زیر زمین حفر خواهد شد. شتاب‌‌دهنده‌‌ی ۲۷ کیلومتری ال‌‌اچ‌‌سی قرار است ذرات را به شتاب‌‌دهنده‌‌ی جدید تزریق کنند تا نهایتاً بتوان به انرژی برخوردی معادل ۷ برابر میزان فعلی در ال‌‌اچ‌‌سی دست یافت. چنین برخورد قدرتمندی امکان تولید ذراتی را فراهم می‌‌کند که پیش‌‌از‌‌این امکان دستیابی به آن‌‌ در برخورددهنده‌‌ی ال‌‌اچ‌‌سی وجود نداشت؛ این به‌‌منزله‌‌ی دروازه‌‌ی ورودی علم فیزیک ذرات به دنیایی کاملاً ناشناخته خواهد بود.

دروازه‌ای به دنیای تاریک

برخورد‌‌دهنده‌‌ی مدور آینده (FCC) در حقیقت ترکیبی از چند پروژه‌‌ی ادغام‌‌شده در یکدیگر است. فاز اول این برخورددهنده، شامل دستگاهی است که الکترون‌ها را با همتایان پادماده‌‌ی خود (یعنی پوزیترون‌‌ها) برخورد می‌‌دهد. همان‌‌طور که احتمالاً پیش‌ازاین نیز می‌‌دانستید، تصور بر این است که تمامی ذرات عالم یک همتای پادماده دارند؛ ذراتی با ماهیت کاملاً مشابه که تنها تفاوتشان در بار الکتریکی آن‌ها نهفته است. زمانی که یک ماده و یک پادماده به هم می‌رسند، یکدیگر را کاملاً نابود کرده و تمامی انرژی حاصل از این برخورد منجر به تولید ذرات جدیدی می‌شود.

هدف اولیه از انجام برخورد میان الکترون و ‌‌پوزیترون، مطالعه‌‌ روی ذره‌‌ی بوزون هیگز است؛ ذره‌‌ای که در توضیح علت وجود سایر ذرات بنیادی دخیل شناخته شده است. برخورد‌‌دهنده‌‌ی جدید می‌‌تواند میلیون‌‌ها ذره‌‌ی بوزون هیگز را ایجاد کرده و ویژگی‌های آن‌ها را با جزییات بی‌سابقه‌ای اندازه‌گیری کند.

انجام چنین اندازه‌گیری‌های دقیقی قابلیت‌‌های تازه‌‌ای را برای اکتشافات بیشتر در دنیای فیزیک فراهم خواهد کرد. یکی از مهم‌ترین این قابلیت‌‌ها آن است که بوزون هیگز می‌تواند به‌‌عنوان دروازه‌‌ای تلقی شود که دنیای عادی اتم را به دنیایی از ذرات ناشناخته و مرموز اتصال می‌‌دهد. حدود ۸۵ درصد از کل مواد موجود در جهان را «ماده‌‌ی تاریک» تشکیل می‌‌دهد؛ یعنی ذراتی که ما هرگز قادر به دیدن آن‌‌ها نبوده‌‌ایم. ما تاکنون تنها به‌‌واسطه‌‌ی وجود جاذبه‌‌ی گرانشی ناشی از آن‌‌ها، می‌‌توانستیم وجود این شکل خاص از ماده را تأیید کنیم. حال با کمک یک برخورددهنده‌‌ی الکترون-پوزیترون می‌توان ذره‌‌ی بوزون هیگز را به این نوع ذرات ناشناخته تجزیه کرد.

در فاز دوم، این برخورد‌‌دهنده‌‌ی با نوع بسیار قدرتمندتری از برخورددهنده‌‌ی پروتون‌‌-‌‌پروتون جایگزین خواهد شد؛ برخوردهایی که انرژی آن‌‌ها به ۱۰۰ تریلیون الکترون‌‌ولت می‌رسد. این برخورددهنده‌ی حیرت‌انگیز به‌‌منزله‌‌ی یک ماشین اکتشاف جدید است که قادر به خلق طیف وسیعی از ذرات جدید خواهد بود؛ ذراتی که فیزیکدانان پیش‌‌تر دسترسی به آن‌‌ها را فراتر از قابلیت‌‌های فعلی ال‌‌اچ‌‌سی قلمداد می‌‌کردند.

چنین دستگاهی قادر به کاوش طیفی از انرژی خواهد بود که بیشتر اشکال ماده‌‌ی تاریک در آن یافت می‌‌شوند. همچنین ما قادر خواهیم بود وضعیت جهان را در لحظه‌‌‌‌ای یک‌‌تریلیونم ثانیه پس از وقوع مه‌بانگ بررسی کنیم. این لحظه در تاریخ جهان بسیار حیاتی است؛ زیرا همان زمانی است که میدان هیگز (و بسیاری از میدان‌‌های مشابه دیگر) به شکل فعلی خود درآمدند و درنتیجه‌‌ی آن، توده‌‌های فعلی از ذرات بنیادی ایجاد شدند.

درک اینکه چگونه میدان هیگز توانسته این سطح از انرژی فعلی‌‌اش را به‌‌دست آورد، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌‌های دنیای فیزیک است؛ چراکه به‌‌نظر می‌‌رسد این سطح از انرژی هیگز بادقت غیرقابل‌‌توصیفی با میزان انرژی لازم برای ایجاد اتم‌‌ها (و درنتیجه ستارگان، سیارات و بشر) تطابق داشته است.

همچنین برخی از فیزیکدانان امیدوارند که این برخورددهنده‌‌ی جدید در نهایت بتواند به ما کمک کند تا دریابیم چرا بخش اعظم دنیای ما از ماده ساخته شده است و نه پادماده.

هزینه‌‌های سرسام‌آور پروژه

فاز اول این برخوردگر قرار است در دهه‌‌ی ۲۰۴۰ (درست پس از انجام آخرین ارتقای ال‌‌اچ سی)، راه‌‌اندازی شود. فاز بعدی آن، یعنی برخورددهنده‌‌ی قدرتمند پروتون-پروتون در دهه‌‌ی ۲۰۵۰ نصب خواهد شد. هر دو پروژه دارای هزینه‌‌های اجرایی بسیار گزافی هستند: ۹ میلیارد یورو برای ماشین برخورددهنده‌‌ی الکترون-پوزیترون و ۱۵ میلیارد یوروی دیگر برای راه‌‌‌‌اندازی برخورددهنده‌ی پروتون-پروتون.

اعلام چنین هزینه‌‌هایی، انتقادهای قابل‌درکی را به‌‌دنبال داشته است که می‌‌گویند این حجم از سرمایه می‌تواند در محل‌‌های بهتری نظیر معضل مقابله با تغییرات اقلیمی هزینه شود.

جان ومرسلی، فیزیکدان ارشد درگیر در پروژه‌‌ی برخورددهنده‌‌ی مدور آینده می‌‌گوید که جدا از ارزش دانش بنیادین مربوط به این پروژه، مزایای کوتاه‌مدت دیگری نیز برای آن قابل تصور است. او می‌‌گوید:

FCC باعث توسعه‌‌ی فناوری‌‌های نوین برای حل چالش‌های جدید خواهد شد. فناوری‌‌هایی نظیر شبکه‌ی گسترده‌‌ی جهانی (WWW)، وای‌‌فای، مگنت‌‌های مورداستفاده در دستگاه‌‌های ام‌‌آرآی همگی به‌‌لطف پیشرفت‌‌های علم فیزیک پایه توسعه یافتند. این پروژه همچنین دارای قدرت عظیمی برای الهام بخشیدن به نسل بعدی فیزیکدانان است.

در نهایت، چنین طرح جاه‌طلبانه‌ای تنها از طریق یک همکاری بین‌المللی بزرگ و با سرمایه‌گذاری ده‌ها کشور امکان‌پذیر خواهد بود. این پروژه شامل ۱۳۰۰ مشارکت‌‌کننده از ۱۵۰ دانشگاه، موسسه‌‌ی تحقیقاتی و شرکت صنعتی از سرتاسر جهان است. در همین حین، یک پروژه برخورددهنده‌‌ی مشابه دیگر در حال بررسی ازسوی چین است. این کشور شاید تنها کشوری باشد که به‌‌صورت مستقل قادر به بسیج کلیه‌ی منابع لازم برای ساخت چنین ماشین عظیمی ‌باشد.

طرفداران پروژه‌‌ی FCC امیدوارند که این پروژه در استراتژی جدید اتحادیه‌‌ی اروپا درمورد فیزیک ذرات در سال ۲۰۲۰ به تصویب برسد. در صورت تحقق این امر، فرآیند طولانی تحقیق‌‌و‌‌توسعه آغاز خواهد شد و همزمان تلاش‌‌ها برای متقاعدسازی دولت‌ها و افکار عمومی باهدف جلب اعتماد و جذب سرمایه برای پیاده‌‌سازی این پروژه شروع می‌‌شود.

بی‌‌شک چالش‌‌های سیاسی عظیمی در مسیر اجرایی‌‌شدن این پروژه‌‌ به چشم می‌‌خورند؛ اما گویا فیزیکدانان نیز مصمم‌اند که هرگز در مسیر افزایش درک خود از جهان، دست از تلاش برندارند.