كاوشي در منشا پيدايش جهان

[Admin]

كاوشي در منشا پيدايش جهان








امير مهدي زربو


كارشناس فيزيك اتمي



كاوشي در منشا پيدايش جهان




قسمت اول



صد متر زير زمين، درست در زير مرز سوييس و فرانسه، دانشمندان در حال بازگشت به عقب در زمان هستند تا به مطالعه ي ماده، در كسر هايي از ثانيه پس از پيدايش جهان بپردازند. آنان از بزرگترين ابزار علمي جهان استفاده مي كنند تا به آنها در فهم اينكه اين ماده ي آغازين، چگونه تبديل به سنگ بناهاي نخستيني شد كه امروزه اين گوناگوني وسيع را به وجود آورده است، كمك كند. اين دانشمندان، كاوشگراني هستند كه افق هاي ديد ما را در زمان و مكان وسيع تر نموده، و مي خواهند به اين سوال اساسي پاسخ دهند كه : ما از كجا آمده ايم؟



http://www.hamkelasy.com/images/stories/mansha_01.jpg
شكل ١: در سرن - آزمايشگاه اروپايي فيزيك ذرات در نزديكي ژنو - مسير بزرگترين برخورد دهنده ي ذرات جهان در زير مرز فرانسه و سوييس با دايره هاي زرد نشان داده شده است.


مشاهده هاي ستاره شناسان دلالت بر اين دارد كه جهان هنوز هم در حال انبساط از يك توده ي بسيار چگال و پرانرژي، پس از يك «انفجار بزرگ داغ» رخ داده در حدود ١٥ ميليارد سال پيش است. اما سوال آنجا است كه ماده ي امروزي جهان، چگونه از چنين توده اي تحول پيدا كرده است؟ اين يكي از مهم ترين سوال هايي است كه پژوهش هاي نوين فيزيك ذرات، مايل به پاسخ گويي به آن است. برخورد هاي پر انرژي ذرات زير اتمي مي تواند ما را در زمان آنقدر به عقب ببرد تا آنجا كه بتوانيم ماده ي تشكيل شده در كسر هاي اوليه ي پس از مه بانگ ( انفجار بزرگ) را شبيه سازي نماييم. از اين راه، بررسي ماده در كوچكترين مقياس (ذرات زيراتمي) در ارتباط تنگاتنگ با بزرگترين مقياس ممكن (جهان) است. فيزيك ذرات امروز با ستاره شناسان، نيرو هاي خود را براي كاوش منشا پيدايش جهان و بطور اخص، منشا پيدايش ماده، بسيج كرده اند.
تاريخچه ي فيزيك ذرات
در طول دو قرن گذشته، دانشمندان به پيشرفت هاي بزرگي در فهم آنچه ما و جهان اطراف ما از آن ساخته شده ايم، دست يافته اند. نخست، درك اين مطلب بود كه ماده، از عناصر ي با خواص فيزيكي و شيميايي كاملا معين تشكيل شده است. اين عناصر در محدوده ي هيدروژن (به عنوان سبك ترين) و اورانيوم و عناصر فراتر از آن قرار دارند.
هر عنصر از واحد هاي ساختماني – اتم ها – كه براي هر كدام منحصر به فرد مي باشد، تشكيل شده و اتم هاي گوناگون، مي توانند با هم تركيب شوند و تنوع بي شماري تركيبات، از ماده ي ساده اي مانند آب گرفته تا مواد پيچيده اي مانند پروتئين ها را به وجود بياورند. با اينحال، چنانچه دانشمندان در اواخر سده ي نوزدهم كشف كردند، اتم ها ساده ترين واحد هاي سازنده ي ماده نيستند.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/mansha_02.jpg
گايگر و رادرفورد در حال كشف هسته ي اتم


ما امروزه مي دانيم كه بيشتر جرم اتم در يك هسته ي كوچك، چگال و با بار مثبت متمركز شده است. ابر كوچكي از الكترون ها ي با بار منفي هسته را از فاصله اي دور احاطه كرده اند و بنابراين بيشتر فضاي اتم را فضاي خالي تشكيل مي دهد. در بيشتر اتم ها ، هسته حاوي دو نوع ذره با جرم تقريبا برابر است: پروتون هاي با بار مثبت و نوترون هاي بدون بار الكتريكي. براي خنثي نگه داشتن كل اتم، تعداد پروتون ها دقيقا با تعداد الكترون ها برابري مي كند.
در ١٨٩٠، دو فيزيكدان به طور جداگانه، شروع به كاوش در فضاي داخل اتم نمودند. اولي، جوزف (‘J.J.’) تامسون نخستين ذره ي زير اتمي – الكترون - را كشف كرد كه در همين حين، يكي از شاگردان او به نام ارنست رادرفورد، آغاز به كاوش در پديده ي جديد راديواكتيويته، كه در آن اتم از يك نوع به نوعي ديگر تبديل مي شد نمود. اين كاوش ها سرانجام به كشف هسته ي اتم، در همكاري با هانس گايگر ( كه با شمارگر راديواكتيويته ي گايگر مشهور است) و ارنست مارسدن در ١٩١٠-١٩٠٩ منتهي گرديد. سپس رادرفورد دريافت كه ذرات با بار مثبت موجود در هسته ي اتم، با هسته ي هيدروژن يكسان اند. او اين ذرات را پروتون ناميد. و در ١٩٣٢، جيمز چادويك نشان داد كه هسته ها بايد شامل نوترون ها هم باشند. از آن زمان به بعدبود كه رادرفورد و همكاران او، تصوير نوين اتم را بنا نهادند.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/mansha_03.jpg
نخستين مشاهده ي كائون مثبت توسط كليفورد باتلر و جرج روچستر در ١٩٤٧ (كائون در ‘B’ واپاشي مي كند.)


اين تنها شروع ماجرا بود. الكترون، پروتون و نوترون اعضاي پيش قراول رژه ي باشكوه ذرات زير اتمي بودند. در خلال دهه هاي ١٩٣٠و ٤٠، بسياري از فيزيكدانان به مطالعه ي تابش كيهاني – بارش مداوم ذرات زير اتمي پر انرژي كه از فضا نشات مي گرفتند – پرداختند.
برخورد هاي تابش هاي كيهاني پر انرژي با ذرات جو زمين، موجب واپاشي هاي هسته اي مي شود كه آنها موجب توليد انواع جديدي از ذرات كوتاه عمر مي شوندكه تنها از طريق رد هاي بجا مانده در آشكارسازهاي حساس قابل مشاهده اند. از جمله ي اين ذرات مي توان از موئون كه كاملا شبيه الكترون رفتار مي كند اما ٢١٠ بار از آن سنگين تر است؛ پيون كه تنها اندكي از موئون سنگين تر است؛ كائون با جرمي اندكي بيش از نصف جرم پروتون؛ و لامبدا داراي جرمي %٢٠ بيش از پروتون نام برد.
پادماده
يكي از ذرات اسرار آميز ي كه در ١٩٣٢ توسط كارل آندرسن در انيستيتو ي تكنولوژي كاليفرنيا كشف شد، پوزيترون – با جرم برابر با الكترون، اما با بار مثبت الكتريكي - بود. وجود پوزيترون در آغاز معمايي بود كه توسط فيزيكدان تئوري دانشگاه كمبريج با نام پل ديراك حل شد.
بر طبق نظريه ي ديراك، پوزيترون ذره ايست با خواصي دقيقا متضاد با يك الكترون و به همين علت به آن نام پادالكترون را دادند. اين نظريه نشان مي داد كه يك الكترون و پوزيترون چگونه مي توانند به همراه هم از انرژي خالص توليد شوند؛ البته به شرط آنكه انرژي مورد بحث، بر طبق رابطه ي اينشتين – E=mc٢- بتواند مقدار جرم اين دو ذره را تامين كند.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/mansha_04.jpg
ماشين كوككرافت- والتون كه نخستين واپاشي هسته اي مصنوعي در ١٩٣٢ به كمك آن انجام شد.


اگر اين دو ذره با هم برخورد كنند، ذره و پادذره ناپديد شده و تنها انرژي بر جاي مي ماند – اين عمل نابودي متقابل را نابودي زوج مي نامند. آزمايش ها نشان داده اند كه بقيه ي ذرات، مانند پروتون ها، نوترون هاو موئون ها نيز داراي پادذره ي مخصوص به خود هستند.
در اوايل دهه ي ١٩٥٠، مطالعه ي اين ذرات، تبديل به شاخه اي از فيزيك شد كه به حق نام فيزيك ذرات يافت. در اين زمينه، فيزيكدانان ماشين هايي در اختيار گرفتند كه مي توانست به تقليد از تابش هاي كيهاني، منتها در شرايطي قابل كنترل تر ، پروتون ها و الكترون ها را تا انرژي هاي بالا شتاب دهد.
كوشش هاي اوايل دهه ي ١٩٣٠ كه توسط جان كوككرافت و ارنست والتون از دانشگاه كمبريج، و ارنست لاورنس و استنلي ليوينگستون از دانشگاه بركلي كاليفرنيا انجام گرفت، موجب توليد نخستين پروتون هاي شتاب گرفته به دست بشر شد. انديشه هاي پيشروي آنان، موجب تولد دستگاه هاي بزرگي كه توانايي توليد ميليونها پروتون، الكترون، پيون يا كائون را در هر ثانيه داشتند، در دهه هاي ١٩٥٠ و ٦٠ شد. با ابداع آشكارساز هاي پيچيده تر جديد جهت تكميل شتابدهنده ها، امروزه فيزيكدانها ابزار هايي براي بررسي تنوع هاي گوناگون ذرات، با جزئيات قابل توجه در اختيار دارند.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/mansha_05.jpg
نخستين شتابدهنده ي مدور ساخته شده در ١٩٣٠ توسط ارنست لاورنس و استنلي ليوينگستون در بركلي.


فضاي داخلي
چنين يورشي به قلمرو «فضاي داخلي (اتم)»، نتايج تماشايي به دنبال داشت. ما مي دانيم كه ماده داراي بطن هاي داخلي است كه تنها زماني كه در بررسي تابش هاي كيهاني به كاوش در باره ي آنها مي پردازيم، آشكار مي شوند. پروتون، نوترون، پيون، كائون، لامبدا و بسياري ذرات زير اتمي ديگر، خود داراي ساختاري پيچيده تر، و مبتني بر تنها چند ذره ي پايه اي تر ديگر هستند : كوارك ها و پادكوارك هاي متناظر با آنها. شش نوع كوارك شناخته و نامگذاري شده اند: بالا، پايين؛ افسون، شگفت؛ سر و ته. اين كوارك ها در گروه هاي سه تايي تركيب شده و پروتون ها، نوترون ها، لامبدا ها و ذرات مشابه كه با نام كلي باريون ها شناخته مي شوند، را مي سازند. همچنين اين كوارك ها مي توانند با پادكوارك ها تركيب شده و ذراتي مانند پيون ها و كائون ها، كه با نام كلي مزونها شناخته مي شوند را بسازند.
از سوي ديگر، الكترون و موئون از كوارك ها ساخته نمي شوند، تا آنجا كه مي توان گفت غيرقابل تقسيم اند. آنها به خانواده ي ديگري از ذرات تعلق دارند با نام لپتونها كه شامل ذره ي سنگين تر باردار سومي به اسم تاو و همچنين ذره ي تقريبا بدون جرم، خنثي و تقريبا غير قابل آشكارسازي با نام نوترينو مي شوند.
در باره ي نيرو ها


http://www.hamkelasy.com/images/stories/mansha_06.jpg
«هر كنش داراي واكنشي مساوي و در جهت مقابل است.»



آنچه به اندازه ي كوارك ها و لپتون ها به عنوان سنگ بناهاي ماده اهميت دارد، نيرو ها ي عمل كننده بين آنها كه آنها را در قالب هاي قابل مشاهده در آورده اند، است. به نظر مي رسد چهار نيروي بنيادي بر مواد اثر دارند: نيروي گرانشي، نيروي الكترومغناطيسي، نيروي ضعيف و نيروي قوي.
نيروي گرانشي، ضعيف ترين نيرو از بين آنهاست؛ اما از فاصله هاي دور اثر مي كند و كهكشان ها و ستارگان را در كنار هم نگاه مي دارد. نيروي الكترومغناطيسي، قوي تر بوده و اتم ها و مولكول ها را در كنار هم نگاه مي دارد؛ و مانند گرانش، برد آن بينهايت است. نيروي ]هسته اي[ضعيف و نيروي ]هسته اي[ قوي، كه در مقايسه داراي برد محدودتري هستند، تنها در محدوده ي ابعاد هسته ي يك اتم متوسط عمل مي كنند. نيروي ]هسته اي[ ضعيف، موجب انواع مشخصي از واپاشي هاي راديواكتيو بوده و در واكنش هاي هسته اي كه سوخت خورشيد را تامين مي كنند، دخالت دارد. آخري، كه قوي ترين نيرو ي شناخته شده است، كوارك ها و پادكوارك ها را در ذرات در كنار هم نگه مي دارد. به نظر مي رسد نيروي قوي به گونه اي عمل مي كند كه كوارك ها هميشه در داخل ذرات پيچيده تر محبوس شوند و بنابراين، يك تك كوارك آزاد هرگز مشاهده نشده است.
مدل استاندارد
امروزه فيزيكدانان ذرات بر اين باورند كه مي توانند رفتار تمام ذرات زير اتمي شناخته شده را با يك قالب تئوري ساده به نام مدل استاندارد توصيف كنند. اين مدل، كوارك ها و لپتون ها را به همان خوبي نظام مند نموده است، كه برهمكنش آنها را با نيروهاي ضعيف، قوي و الكترومغناطيسي. نيروي گرانشي، از مدل استاندارد بر كنار مانده است.
در مدل استاندارد، نيروهاي بنيادي توسط خانواده ي سومي از ذره ها، بين كوارك ها و لپتون ها مبادله مي شود. آنها بوزون هاي معيار هستند و به طور ساختاري با كوارك ها و لپتون ها – سنگ بنا هاي ماده - تفاوت دارند. براي هر نيرو، يك نوع ذره ي متفاوت وجود دارد: فوتونها (ذرات نور) حامل هاي نيروي الكترومغناطيسي اند؛ گلوئون ها حامل هاي نيروي قوي؛ و بوزون هاي باردار و خنثي، حامل نيروي ضعيف هستند. باور بر اين است كه ذره اي با نام گراويتون – كه هنوز مشاهده نشده – مسوول نيروي گرانشي است؛ اما هنوز امكان ارائه ي يك نظريه ي استوار كه شامل گراويتون باشد، قطعي نيست.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/mansha_07.jpg
رد پا هاي به جا مانده از برخورد پروتون- پادپروتون پر انرژي كه در آزمايشUA 1 در سرن در ١٩٨٢ آشكارسازي شده است. رد هايي كه از آشكارساز مركزي خارج شده اند، از نابودي زوج الكترون – پوزيترون حاصل از نخستين بوزون Z مشاهده شده پديد آمده اند.


به نظر مي رسد نيرو هاي بنيادي مختلف، در مواد معمولي كاملا به طور متفاوت با هم عمل مي كنند؛ اما مدل استاندارد خاطر نشان مي سازد كه آنها اصولا در محيطي با انرژي بالا بسيار مشابه هم هستند. نظريه پردازان كشف كرده اند كه تنها راه مناسب جهت كار با نيروي ضعيف، قرار دادن آن به همراه نيروي الكترومغناطيسي در نظريه اي يگانه با عنوان نظريه ي «نيروي الكترو- ضعيف» است. اين كشف، يك پيشرفت غير منتظره بود؛ درست آنچنانكه جيمز كلارك ماكسول در نيمه ي قرن نوزدهم با كنار هم قرار دادن الكتريسيته و مغناطيس با هم و مطرح كردن نظريه ي الكترومغناطيس، انجام داد.
پيش به سوي يگانگي
در دنياي با انرژي پايين ما انسانها، نيروي الكترو- ضعيف به دو مولفه ي ضعيف و الكترومغناطيس تقسيم مي شود. اما آنچنانكه برهمكنش ذرات پر انرژي نشان داده اند، در انرژي ها بالاتر تمايز بين نيروي ضعيف و الكترومغناطيس، به صفر مي رسد و قدرت هر دو به يكتايي خواهد رسيد.
حال ما مايليم كه اين شرايط با انرژي بالا را به طور مصنوعي توليد كنيم؛ و اين كار را با برخورد هاي بين ذرات شتاب گرفته توسط ماشين مي توانيم انجام دهيم. اما ممكن است به نظر برسد در آغاز جهان، تمام ماده ي موجود، در اين حالت با انرژي بالا قرار داشت؛ اكنون ما مي دانيم كه نيروي ضعيف و الكترومغناطيس در انرژي هايي كه در كمتر از يك ميليارديم ثانيه پس از مه بانگ بر جهان حاكم بود، به مثابه يك نيروي الكترو- ضعيف رفتار مي كرد. اما قبل از آن چه؟ آيا حالت اوليه اي كه تمام نيرو ها در آن حالت تنها يك نيروي واحد بودند، وجود داشت؟ يافتن مدركي دال بر اين يگانگي نيرو هاي بنيادي، يكي از مهمترين اهداف تحقيقاتي در فيزيك ذرات است.
در مدل استاندارد، كوارك ها، لپتون ها و بوزون هاي معيار جرم هاي خود را از طريق ساز و كاري كه توسط پيتر هيگز از دانشگاه ادينبرو استفاده شد، به دست مي آورند. بر اساس اين ساز و كار، در برهمكنش ذرات با ذره ي جديدي به نام بوزون هيگز ، قدرت اين برهمكنش است كه جرم هر ذره را تعيين مي كند.
بوزون هاي معيار، كه نيرو هاي بنيادي را مبادله مي كنند، آشكار ساز هاي ميدان هاي آن نيرو ها هستند. بر همين اساس، بوزون هيگز يك ذره ي ميدان است. اين ميدان، داراي خواص متفاوتي نسبت به ديگر ميدان ها است، خصوصا آنكه منشا جرم مي باشد. هنوز مدرك تجربي دال بر وجود بوزون هيگز نداريم. اين، يك حلقه ي مفقوده در مدل استاندارد است ؛ بدين معني كه در مقابل آزمايش هاي سخت و دقيق مقاومت نشان مي دهد. يك كار مهم فيزيك ذرات در سالهاي آينده، جستجو به دنبال جزء گمشده اي – كه مي تواند بوزون هيگز يا چيز ديگري باشد – كه در پشت پرده ي نمايشنامه ي جرم قرار دارد، مي باشد.
سرن
فيزيكدان هاي ذرات بيشتر كشور هاي اروپا و ساير نقاط جهان به يك عمل متهورانه ي مشترك فوق العاده پيوسته اند تا پاسخ هايي براي سوالاتي كه ما را در مورد مه بانگ و منشا ماده به چالش كشيده اند، بيابند.
پايگاه آنها در سرن – آزمايشگاه اروپايي فيزيك ذرات – واقع در حومه ي ژنو، بر روي مرز فرانسه و سوييس قرار دارد. سرن نمونه اي از يك همكاري اروپايي خوب نه تنها در زمينه ي دانش، بلكه در هر زمينه ي ديگري است. تاسيس آن به سال ١٩٥٤ بر مي گردد؛ زماني كه بسياري از فيزيك دان هاي اروپايي شروع به درك اين مساله نموده بودند كه همكاري هاي مشترك تنها راه پيش رو براي انجام پروژه هايي به پيچيدگي ساختن يك شتابدهنده ي بزرگ ذرات است.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/mansha_08.jpg

طرحي از سطح مقطع برخورد دهنده ي L.E.P با كوهها ي آلپ در پس زمينه؛ منطقه ي ژنو در ميان؛ و منطقه ي تحقيقاتي زير زمينيL.E.P در پيش زمينه ي تصوير.

منبع: همکلاسی

[Admin]

كاوشي در منشا پيدايش جهان



سرن
فيزيكدان هاي ذرات بيشتر كشور هاي اروپا و ساير نقاط جهان به يك عمل متهورانه ي مشترك فوق العاده پيوسته اند تا پاسخ هايي براي سوالاتي كه ما را در مورد مه بانگ و منشا ماده به چالش كشيده اند، بيابند.
پايگاه آنها در سرن – آزمايشگاه اروپايي فيزيك ذرات – واقع در حومه ي ژنو، بر روي مرز فرانسه و سوييس قرار دارد. سرن نمونه اي از يك همكاري اروپايي خوب نه تنها در زمينه ي دانش، بلكه در هر زمينه ي ديگري است. تاسيس آن به سال ١٩٥٤ بر مي گردد؛ زماني كه بسياري از فيزيك دان هاي اروپايي شروع به درك اين مساله نموده بودند كه همكاري هاي مشترك تنها راه پيش رو براي انجام پروژه هايي به پيچيدگي ساختن يك شتابدهنده ي بزرگ ذرات است.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_01.jpg
طرحي از سطح مقطع برخورد دهنده ي L.E.P با كوهها ي آلپ در پس زمينه؛ منطقه ي ژنو در ميان؛ و منطقه ي تحقيقاتي زير زمينيL.E.P در پيش زمينه ي تصوير.


كشور هاي موسس عبارت بودند از: آلمان، ايتاليا، بلژيك، دانمارك، سوئد، سوييس، فرانسه، نروژ، هلند، يوگسلاوي و يونان. از ١٩٥٤ به اين طرف، سرن در حدي توسعه يافته است كه اكنون شامل تعداد زيادي شتابدهنده است كه پذيراي مجموعه اي ٦٠٠٠ نفري از فيزيكدانان از سرتاسر جهان مي باشد. تعداد كشورهاي عضو اكنون به ١٩ رسيده كه اتريش، اسپانيا، جمهوري اسلواكي، پرتغال، جمهوري چك، فنلاند، لهستان و مجارستان به ليست اعضا اضافه و يوگسلاوي از آن خارج شده است. فيريك داناني از برخي كشورهاي غير عضو مانند ژاپن، امريكا و فدراسيون روسيه نيز با تدارك برخي تجهيزات، در تحقيقات شركت مي كنند.
در سرن از زمان آغاز به كار تاكنون، شتابدهنده هاي متعددي از جمله LEP – برخورد دهنده ي عظيم الكترون، پوزيترون – در ١٩٨٩ در بخش مركزي آن ساخته شده است كه بزرگترين شتابدهنده ي جهان است.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_02.jpg
كشور هاي عضو CERN: آلمان، اتريش، اسپانيا، جمهوري اسلواكي، انگلستان، ايتاليا، بلژيك، پرتغال، جمهوري چك، دانمارك، سوئد، سوييس، فرانسه، فنلاند، لهستان، مجارستان، نروژ، هلند و يونان.


برخورد دهنده ي عظيم الكترون – پوزيترون


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_03.jpg
حلقه ي ٢٧ كيلومتري مدفون در عمق ١٠٠ متري زمين CERNكه از ساختمان هاي سطح زمين قابل دسترسي است.


LEP دسته اي از الكترون ها با دسته اي از پوزيترون ها را در حالي كه اين دو دسته در حال پرواز در جهت هاي مخالف در سرعت هايي نزديك به سرعت نور اند، در جايي در طول يك حلقه با محيط٢٧ كيلومتر، برخورد مي دهد. زماني كه اين دسته ها با هم برخورد مي كنند، برخي از الكترون ها و پوزيترون ها عمل نابودي زوج انجام داده و انفجار هاي پر انرژي را – در كسر هايي از ثانيه – كه شبيه سازي هايي از جهان آغازين هستند، موجب مي شوند ؛ البته در مقياسي كوچك. اين انرژي بي درنگ دوباره به سيلي از ذرات زير اتمي تبديل مي شود. چهار آشكارساز عظيم ، رد پا هاي اين ذرات به دست آمده را ثبت و به فيزيكدانان اجازه مي دهند تا نيم نگاهي به رفتار ماده در انرژي هاي بالا داشته باشند.
LEP دستگاهي به شكل دايره اي به مساحتي نزديك به مساحت لندن در زير زمين و فرزند بلا فصل دستگاه لاورنس و ليوينگستون در ٦٠ سال قبل است. اين دستگاه، داراي حلقه اي از آهنربا ها جهت هدايت دسته هاي ذرات در مسيري دايره اي در داخل يك لوله ي باريك است و اين ذرات به طور پيوسته از ناحيه هايي كه هر كدام به تنهايي شتاب اندكي به آنها مي دهند، مي گذرند. در LEP ، دو نوع ذره – چهار دسته از الكترو ن ها و چهار دسته از پوزيترون ها – در جهت هاي مخالف در داخل حلقه پرواز مي كنند. هر بار كه ذرات تحت شتاب، به بيشترين انرژي خود مي رسند ، مسير ذرات طوري عوض مي شود كه ناگهان در چهار نقطه اين مسير ها همديگر را قطع كنند؛ و بنا براين برخي از الكترون ها و پوزيترون ها مي توانند با هم برخورد نمايند. (با توجه به اينكه بيشتر ذرات هر جفت دسته كه به هم مي رسند، به اندازه ي كافي به هم نزديك نمي شوند كه نابودي زوج رخ دهد.) بنابراين در هر بار شتاب دادن به ذرات، LEP دسته هاي ذرات را محبوس مي كند تا ساعت ها به آنها شتاب بدهد، و در طول ٢٢ ميليونيم ثانيه آنها را برخورد دهد.
LEP بزرگترين شتابدهنده اي است كه تاكنون ساخته شده است. اين دستگاه در تونلي به پهناي ٨/٣ متر قرار دارد كه در مجموع حلقه اي با محيط ٢٧ كيلومتر مي سازد. تونل از مكان اوليه ي سرن – «مي رين» سوييس – آغاز مي شود؛ در گذر از زير حومه ي شهر هاي كشور فرانسه، از مرز عبور مي كند؛ به سوي دامنه هاي كوهستان «ژورا» پيش مي رود و از آنجا به سوي «مي رين » بر مي گردد. LEP شامل ٤٦٠٠ آهنربا است كه باريكه ي ذرات را هدايت مي كنند. نيز در دو مقطع، ذرات توسط امواج راديويي كه داخل ساختارهاي مسي توخالي – كه «كاواك» ناميده مي شوند- شتاب مي گيرند.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_04.jpg
در يك شتابدهنده، آهنربا هاي انحراف و كانوني ساز، باريكه ي ذرات را هدايت مي كنند. كاواك هاي خلا فركانس بالاي ميكروويو، باريكه ها را در هنگام عبور از داخل خود، شتاب مي دهند. LEP به دليل بزرگي، نياز به هزاران از اين آهنربا ها دارد.


باريكه ي ذرات از حلقه ي آهنربا ها ي درون لوله ي باريكه – يك لوله ي ٢٧ كيلومتري از جنس آلومينيوم، كه بايد در خلا بسيار بالايي نگهداري شود تا برخورد هاي ذرات سرگردان موجب از مسير خارج شدن باريكه ي ذرات نشود - مي گذرند. اهميت حلقه ي بزرگ از اين جهت است كه ذرات را در مسيري با انحناي ملايم نگه مي دارد.
الكترون ها و پوزيترون ها در هنگام چرخش از خود انرژي الكترومغناطيسي ساطع مي كنند – اصلي فيزيكي كه هر ذره ي باردار شتابدار، از خود موج الكترومغناطيس ساطع مي نمايد- و اين اتلاف انرژي در هنگامي كه اين ذرات داراي انرژي جنبشي بيشتري باشند، يا مسير حركت آنها داراي انحناي بيشتري باشد، زياد تر خواهد شد. به اين دليل در انرژي هاي بالا، انحناي مسير در LEP بايد به كمترين مقدار ممكن برسد.
گامي به سوي LEP
الكترون ها و پوزيترون ها پس از سفري كوتاه در داخل شتابدهنده هاي كوچكتر كه در چندين مرحله موجب افزايش انرژي آنها مي شود، وارد LEP مي شوند. دو دستگاه از اين دستگاه ها، در اصل براي شتاب دادن به پروتون ها، تحت نظارت جان آدامز – مدير كل وقت سرن - ساخته شده بودند. از اين دو دستگاه، دستگاه كوچكتر در سال ١٩٥٩ ساخته شد و همچنان به عنوان جزء مركزي شبكه اي از دستگاه ها كه توانايي تامين باريكه ي پروتون، پادپروتون، هسته ي گوگرد يا هسته ي سرب را به همان خوبي تامين الكترون ها و پوزيترون ها دارند، در حال استفاده است.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_05.jpg
نتيجه ي برخورد ذرات ماده و پادماده: آنها همديگر را نابود كرده و شرايطي مشابه شرايطي كه ممكن است در نخستين كسر هايي از ثانيه پس از مه بانگ بر جهان حاكم بوده، به وجود مي آورند.


آرايه اي از آشكار ساز ها
در نقطه اي كه دسته هاي الكترون و پوزيترون با هم روبرو مي شوند، چهار آشكارساز مركب، لوله ي باريكه ي LEP را احاطه مي كنند. هدف از بكارگيري هريك، آن است كه بيشترين ذرات توليد شده در نابودي زوج الكترون – پوزيترون را تا حد امكان آشكارسازي نمايند. بدين منظور، دستگاهي مورد نياز است، كه نقطه ي نابودي را احاطه نمايد. بعلاوه، فيزيكدانها نياز دارند بدانند جه نوع ذراتي پديد مي آيند و با چه انرژي هايي. بنابراين آنها از طيفي از آشكارساز ها بهره مي برند كه توانايي تعيين همزمان نوع ذرات مختلف را به همراه مقدار انرژيشان، داشته باشند. اين آشكار ساز ها به صورت لايه هايي در اطراف لوله ي باريكه جهت تشكيل يك مجموعه ي واحد در هر چهار نقطه ي رويارويي، پيچيده مي شوند.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_06.jpg
نمايي از آشكارساز L٣ در LEP. در اين تصوير، درهاي آهنرباها باز شده اند تا فيزيكدان در داخل آشكارساز كار كند.


هر مجموعه آشكارساز، ساختاري عظيم را تشكيل مي دهد كه نوعا ١٠ تا ١٢ متر طول، عرض و ارتفاع– اندازه ي يك خانه ي بزرگ - و وزني در حدود چندين تن دارد. نيز هركدام از آنها آزمايشي جداگانه را بر عهده دارند؛ و با نامهاي اختصاري ALEPH، DELPHI، L٣و OPAL شناخته مي شوند. هر كدام از مجموعه آشكارسازها توسط تيمي ٢٠٠ تا ٣٠٠ نفره از فيزيكدانان از سراسر جهان و همكاراني از بسياري كشورهاي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد. نه تنها تمامي كشورهاي عضو سرن نمايندگاني در آزمايشها ي LEP دارند، بلكه شركت كنندگان ديگري از ساير كشورها همچون چين، فدراسيون روسيه ،ژاپن، رژيم اشغالگر قدس و ايالات متحده نيز در آنها مشاركت دارند.
آشكارساز سه لايه اي
مجموعه آشكارسازها همه از طراحي كلي يكسان، اما تفاوت هاي جزئي در ساختارها ي خود جهت تكميل كار هم، به دليل قدرتهاي متفاوتي كه دارند، برخوردار مي باشند. داخلي ترين لايه ي آشكارسازها يا آشكارساز هاي رد پا، كه در نزديكترين موقعيت نسبت به لوله ي باريكه قرار دارند، رد پا هاي ذرات باردار را آشكار مي كنند ( ذرات خنثي ردي به جا نمي گذارند) . يك آهنرباي الكتريكي ميدان مغناطيسي را براي خم كردن اين رد پا ها به كار مي برد؛ و بنابراين اندازه حركت خطي ذره مي تواند بعدا به وسيله ي ميزان اين خم شدن، مشخص شود.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_07.jpg
آشكارساز DELPHI واقع در LEP ، دو افشانه (اسپري) از ذراتي كه به توسط كوارك و پادكوارك توليد شده به وسيله ي نابودي زوج الكترون – پوزيترون، به وجود آمده اند را آشكار كرده است.


در لايه ي بعد از آشكارساز هاي ردپا، لايه اي وجود دارد كه الكترون ها، پوزيترون ها و فوتون هايي كه در عبور از ماده ي چگالي همچون سرب به دام مي افتند را شناسايي مي كند. اين ماده – سرب - به وسيله ي آشكارسازها برگ برگ شده است تا ميزان انرژي كه ذره تا ايستادن كامل از دست مي دهد را محاسبه نمايد. هدف، ايجاد يك گرماسنج ( كالري متر) الكترومغناطيس است كه تمام انرژي الكترون ها، پوزيترون ها و فوتون ها را اندازه گيري نمايد. اين كار به تشخيص وجود پيون هاي خنثي، كه در لايه ي قبلي ردي از خود به جا نمي گذارند، اما به فوتون ها واپاشي مي كنند، مفيد خواهد بود. لايه ي سوم ، از آهن جهت تشكيل قسمت خارجي آهنرباي الكترومغناطيس استفاده مي كند. اين لايه، ذرات بسيار واكنش پذير، يعني هادرون ها – اين ها ذراتي شامل مزون ها و باريون ها هستند كه از كوارك ها و پادكوارك ها ساخته مي شوند- را متوقف كرده و انرژي آنها را اندازه گيري مي كند. اين لايه، از آنجا كه مجموع انرژي ذرات را اندازه گيري مي كند، يك گرماسنج هادروني را تشكيل مي دهد.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_08.jpg
محفظه ي گرماسنج الكترومغناطيس آشكارساز OPAL ، كه شامل صدها بلوك شيشه ي سرب دار است.


دو نوع ذره از گرماسنج هادروني به خارج نفوذ مي كنند: موئون ها و نوترينو ها. خارجي ترين لايه ي مجموعه آشكارساز ها، رد پا هاي ذرات باردار نفوذ كننده ، خصوصا موئون ها را آشكار مي كند. تنها نوترينو ها از دستگاه بدون آشكارسازي مستقيم خارج مي شوند. البته فيزيكدان ها به طور غير مستقيم مي توانند وجود آنها را استنباط كنند. اين كار چنين انجام مي شود كه با دانستن انرژي كل حاصل از نابودي زوج الكترون - پوزيترون، و جمع كردن تمامي انرژي هاي ذرات آشكارسازي شده در قسمت هاي مختلف ، آنها با اعمال قانون پايستگي انرژي و اندازه حركت ( تكانه )، مي توانند ميزان انرژي از دست رفته توسط نوترينو ها و جهت حركت آنها را محاسبه كنند.
اهميت اجزاي الكتريكي
الكترونيك و محاسبات كامپيوتري، نقش كليدي در اينگونه آزمايش ها دارند. تمامي آشكارسازها از علائم الكتريكي استفاده مي كنند كه مدارهاي الكتريكي اين علائم را به اشكال قابل تفسير و ذخيره توسط كامپيوترها تبديل مي كنند. مدارهاي پيچيده تر ، جهت تجزيه و تحليل داده ها و تصميم گيري هاي سريع در مورد « مفيد» بودن اطلاعات به دست آمده، لازم هستند. اين نوع مدار ها، نقش راه انداز دارند كه زنجيره اي از اطلاعات كاملا پيچيده از آزمايش را جهت ثبت به رايانه مي فرستند. در آخر، رايانه جهت گرفتن اين داده ها و بازسازي آنچه روي داده بلافاصله پس از نابودي زوج، و به مجرد جاري شدن ذرات تازه ساخته شده از لوله ي باريكه به داخل دستگاه ، مورد نياز مي باشد. از طريق اين «رويداد» ها است كه فيزيكدانها عاقبت قادر به ساختن تصويري از وقايع فيزيكي كه در جريان است، مي باشند.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_09.jpg
آشكارساز OPAL لايه هاي مختلفي كه هر كدام وظيفه ي مخصوص به خود را جهت تشكيل يك مجموعه ي آشكارساز كامل بر عهده دارند، در خود دارد.


١- راس آشكارساز كه واپاشي هاي لوله ي باريكه را آشكار مي كند.
٢- آشكارساز رد پا
٣- سيم پيچ آهنربا ي الكتريكي جهت خم كردن رد پا ها ي ذرات، براي اندازه گيري تكانه
٤- آشكارساز «زمان پرواز»، براي اندازه گيري سرعت
٥- گرماسنج الكترومغناطيس براي آشكارسازي الكترون ها و فوتون ها
٦- گرماسنج هادروني، براي آشكارسازي پروتون ها ، پيون ها و ...
٧- آشكارساز موئون
٨- آشكارساز هاي فوروارد، براي ذرات نزديك به لوله ي باريكه
آشكارساز ALEPH


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_10.jpg
سيم پيچ مغناطيسي ١٢ متري آشكارساز ALEPH


اين آشكارساز روي لوله ي باريكه ، درست روي نقطه ي نابودي زوج خورانده (فيت) مي شود و قسمت هاي اوليه ي رد هاي ذرات اسپري شده به بخش هاي بيروني را ثبت كرده و به فيزيكدانها در بازسازي دقيق تر رد پاي ذرات، كمك مي كند. اين آشكارساز از ساز و كار جديد زمان سنجي براي مكان يابي محل ردپا ها در طول آشكارساز استفاده مي كند.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_11.jpg
نمايي از يك انتهاي آشكارساز ALEPH


لايه ي بعدي ALEPH، يك آشكارساز ردپاي بزرگ است و شامل يك محفظه ي پراز گاز، سيم و بالشتك هاي فلزي در دو انتها براي جمع آوري بار هاي الكتريكي كوچك كه به دنبال يك بار الكتريكي پرانرژي به وجود مي آيند مي باشد. تكنيك به كار رفته ، شامل يك پرتو ليزر براي آزاد كردن بار در محفظه و سپس شبيه سازي مسير عبور ذرات باردار است.
آشكارساز DELPHI
يكي از جديدترين قسمتهاي LEP، در آزمايش هاي DELPHI كه در آنها، از بزرگترين آهنرباي ابررسانا ي جهان استفاده مي شود قرار دارد. DELPHI همچنين شامل آشكارسازهاي كوچك سيليكوني براي تعيين محل دقيق قسمت هاي اوليه ي رد پاي ذرات اسپري شده به بخش هاي بيروني، و نيز شامل سيستم جامع تعيين ذرات ، مبتني بر شمارگر هاي چرنكوف مي باشد. براي تطبيق قسمت هاي مختلف DELPHI با هم، محفظه از حد معمول كوچكتر است، اما اين بدين معني نيست كه دقت آن در تعيين ردپا هاي ذرات كمتر از معمول است. لايه اي اضافي در خارج از شمارگر هاي چرنكوف براي افزايش دقت مسير يابي ها به حد ضخامت يك تار مو به كار رفته است.


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_12.jpg
آهنرباي ابررسانا ي DELPHI


خارجي ترين لايه ي DELPHI ، آشكارسازهاي موئون مي باشد. تشخيص موئون ها و مكان يابي دقيق رد آنها ويژگي مهم تمام آشكارسازي هاي DELPHI است. موئون ها زماني پديدار مي شوند كه ذراتي شامل كوارك هاي سنگين تر مانند كوارك هاي افسون و ته، به ذراتي سبك تر ، به وساطت نيروي ضعيف ، تبديل شوند. به عبارت ديگر، موئون ها علامت ذرات حاوي كوارك هاي افسون و ته مي باشند.
آشكارساز OPAL


http://www.hamkelasy.com/images/stories/peydayesh2_13.jpg
يكي از دو سرپوش گرماسنج الكترومغناطيس OPAL. هر كدام از اين گرماسنج ها، حاوي ٥٦٦ بلوك شيشه ي سرب دار ، مجموعا به وزن ١٠ تن مي باشند.


در OPAL، دو گرماسنج الكترومغناطيس در دو انتهاي محفظه قرار دارند، كه هر كدام، از بلوك هاي بزرگ قالب بندي شده ي شيشه ي سرب دار صيقلي ، كه در آنها الكترون ها، پوزيترون ها و پروتون ها، جرقه هاي نوراني ايجاد مي كنند، تشكيل شده است. اين نور به واسطه ي تجهيزاتي به علائم الكتريكي تبديل مي شود.
لايه ي خارجي OPAL را آشكارسازهاي موئون تشكيل مي دهد؛ يك محفظه ي استوانه اي از آشكارساز ها كه توانايي مكان يابي ردپا ها را با دقت يك ميليمتر دارد.
داده هاي به دست آمده از LEP
پس از نخستين برخورد ميان الكترون و پوزيترون در سال ١٩٨٩، LEP داده هاي بسيار زيادي را پيش روي محققين قرار داد تا آنها را تجزيه و تحليل نمايند. نخستين نتايج حاصل از تجزيه و تحليل اين داده ها، اطلاعات بسيار ارزشمندي در مورد اينكه چند نوع نوترينو ي سبك را مي توان در ميان ذرات زير اتمي يافت بود .
بطور مثال، با تنظيم دقيق انرژي هاي ذرات شتاب يافته در LEP ، نابودي زوج هايي اتفاق مي افتد كه ذرات خنثاي Z - كه نمادي است براي نشان دادن بوزون هاي نيروي ]هسته اي[ ضعيف – را توليد مي نمايد. اين بوزون هاي نيروي ضعيف، بلافاصله به زوج هاي ديگر ماده – پادماده واپاشيده مي شوند ؛ و البته جرم اين ذرات جديدا تولد يافته، از جرم بوزوني كه آنها را به دنيا آورده كمتر است. اين جرم گمشده، همان جرم نوترينو – پاد نوترينو هايي است كه در اين واكنش به وجود مي آيند و بدون اينكه مستقيما قابل آشكارسازي باشند ، فرار مي كنند.

منبع: همکلاسی