همه چیز درباره ی برخورد دهنده ی بزرگ هادرونی (LHC)

برخورد دهنده هادرونی بزرگ ( LHC ) بزرگ ترین و پر انرژی ترین شتاب دهنده پیچیده ذرات در جهان است که این شتاب دهنده بر آن است که پرتوهای خلاف جهت هم پروتون با انرژی جنبشی زیاد  را به یکدیگر برخورد دهد. هدف اصلی آن تحقیق صحت و محدودیت مدل استاندارد ، تصویر نظریه ی کنونی فیزیک ذرات ، است.  این نظریه وجود دارد که برخورد دهنده حیات بوزون های هیگز را تائید می کند ، مشاهداتی که پیش بینی و حلقه های گمشده ی مدل استاندارد را تائید می کند و می تواند توضیح دهد که چگونه ذرات ابتدائی می توانند ویژگی هایی مانند جرم را حاصل کنند.

 

LHC توسط موسسه اوروپایی تحقیقات هسته ای ( CERN ) ساخته شد و در زیر مرز فرانسه – سوئیس نزدیک ژنو سوئیس قرار دارد.LHC با همکاری بیش از 8000 فیزیک دان از بیش از 85 کشور جهان مشابه صد ها دانشگاه و آزمایش گاه سرمایه گذاری و ساخته شده است .LHC در حال عمل هست و اکنون در حال آماده شدن برای برخورد می باشد. اولین پرتو ها در 10 سپتامبر 2008 در برخورد دهنده به گردش در آمدند و اولین برخورد های پرانرژی برای 21 اکتبر که LHC به طور رسمی آشکار شد ، برنامه ریزی شده است.

 

هر چند پرسش های بسیاری در مورد امنیت برخورد دهنده هادرونی بزرگ در رسانه ها و دادگاه ها وجود دارد ، جامعه علمی از عدم امکان تهدید توسط برخورد های ذره ای LHC اطمینان خاطر دارند.

 

LHC بزرگ ترین و پر انرژی ترین شتاب دهنده پیچیده ذرات در جهان است. برخورد دهنده در یک تونل دایره ای شکل با محیط 27 کیلومتر و عمق بین 50 تا 175 متری زمین قرار دارد. عمق 3.8 متری در خط لوله بتونی که در سال 1983 تا 1988 ساخته شده به عنوان مکان برخورد بزرگ الکترون-پوزیترون در نظر گرفته شده است. LHC  مرز سوئیس و فرانسه را در 4 نقطه قطع می کند ، اما اکثر آن در فرانسه قرار دارد. ساختمان روی سطح زمین تجهیزات فرعی مانند فشرده ساز ها ، تجهیزات تهویه ، الکترونیک های کنترل و دستگاه های خنک کننده را دارا می باشد.

 

تونل برخورد دهنده دارای دو لوله های پرتوی مجاور موازی که در چهار نقطه تقسیم می شود و هر کدام یک پرتو پروتونی را حمل می کنند و در دو جهت مخالف حرکت می کنند هستند. 1232 دوقطبی مغناطیسی پرتو را در مسیر دایره ای خود نگه می دارند ، در حالی که 329 چهار قطبی معناطیسی به تمرکز پرتو کمک می کنند تا شانس برخورد بین دو ذره را در 4 نقطه اشتراکی که پرتو ها از آن عبور خواهند کرد ، بالا ببرند.  در نهایت 1600 مغناطیس ابرهادی با وزنی بالغ بر 27 تن نصب شده است .نیاز به  تقریبا 96 تن هلیوم مایع برای نگه داشتن مغناطیس ها در دمای فعالیتشان در 1.9 درجه ی کلوین LHC را به بزرگترین تجهیزات برودتی در جهان در دمای هلیوم مایع ساخت.

 

یک یا دو باز در روز در حالی که پروتون ها از 450  گیگا الکترون ولت تا 7 ترا الکترون ولت شتاب میگرفتند ، مغناطیس دو قطبی های ابرهادی از 0.54 تا 8.3 تسلا افزایش می یافت.  هر پروتون 7 الکترون ولت انرژی خواهد داشت و انرژی برخورد 14 ترا الکترون ولت ( 2.2 میکروژول ) خواهد داد. در این انرژی پروتون ها ضریب لورنز حدود 7500 و سرعتی معادل 99.999999 % سرعت نور خواهند داشت.  کمتر از 90 میلی ثانیه طول می کشد تا پروتون یک بار به دور حلقه مرکزی بچرخد – سرعتی معادل 11000 دور در ثانیه . پروتون ها سریع تر از پرتو های متوالی در 2808 دسته با یکدیگر دسته بندی می شوند بنابراین برخورد دو پرتو در مدت مجزا نه کمتر از 25 نانو پانیه رخ خواهد داد. هنگامی که برخورد دهنده برای اولین بار انجام ماموریت می کند ، با شاخه های کمتری عمل خواهد کرد که مدت 75 نانو ثانیه ای خواهد داشت. شاخه ها سرانجام آنچنان زیاد خواهند شد که دسته نهایی در مدت 25 نانو ثانیه عبور خواهد کرد.

 

 

قبل از تزریق در شتاب دهنده اصلی ، ذرات در سیستم های متوالی که انرژی آن ها را به طور موثری افزایش خواهد داد آماده می شوند. اولین دستگاه شتاب دهنده ذرات طولی Linac2 است که پروتون های 50 مگا الکترون ولتی که تقویت کننده دستگاه تقویت ذرات باردار الکترونی (Proton Synchrotron Booster ) را تغذیه خواهد کرد ، تولید خواهد کرد. در آنجا پروتون ها به حد 1.4 گیگا الکترون ولتی می رسند و به دستگاه تقویت ذرات باردار الکترونی (PS ) که پروتون ها  را به 26 الکترون ولت می رساند  تزریق خواهد شد . در انتها دستگاه فوق تقویت ذرات باردار الکترونی (SPS) برای افزایش انرژی آن ها تا 450 گیگا الکترون ولت قبل از تزریق آن در حلقه مرکزی ( در دوره ای بیش از 20 دقیقه ) مورد استفاده قرار می گیرد. در این نقطه دسته های پروتونی انباشته می شوند و به انرژی پیک خود ، 7 ترا الکترون ولت ، ( در دوره ای بیش از 20 دقیقه ) می رسند و سرانجام برای مدت 10 تا 24 ساعت در حالی که برخورد ها در 4 نقطه تقاطع رخ می دهد ، ذخیره می شوند.

 

LHC همچنین برای برخورد یون های سنگین سرب ( Pb ) با انرژی برخورد 1150 ترا الکترون ولت مورد استفاده قرار میگیرد. یون های سرب ابتدا توسط شتاب دهنده خطی Linac3 شتاب داده خواهند شد و حلقه تزریقی کم انرژی برای ذخیره سازی یون ها و واحد خنک کننده مورد استفاده قرار می گیرد. یون ها پس از آن قبل از تزریق در حلقه LHC توسط PS و SPS شتاب داده خواهند شد در حالی که به انرژی 2.76 ترا الکترون ولتی برای هر نوکلئون خواهند رسید.

 

6 آشکار ساز بر روی LHC بنا شد که در غاز بزرگ زیر زمین در نقاط تقاطع LHC قرار دارند. دو تا از آن ها ، آزمایش اطلس و مون سولنوئید پیچیده ( CMS) بزرگ هستند و هدف عمومی آن ها آشکارسازی ذرات است. " آزمایش تصادم یونی بزرگ " ( ALICE) برای مطالعه خواص کوارک-گلون پلاسمای خرده برخورد های یون های سنگین طراحی شده است. سه تای دیگر ، LHCb  ، TOTEM  و LHCf  کوچکتر و تخصصی ترند. خلاصه ی BBC در مورد آشکار ساز ها این گونه است :

 

 

در این عملیات حدود 7000 دانشمند از 80 کشور جهان به LHC دسترسی دارند. این تئوری وجود دارد که برخورد دهنده بوزون هیگز گریزان ، آخرین ذره مشاهده نشده پیش بینی شده توسط مدل استاندارد،  را تولید خواهد کرد. تحقیق در مورد وجود بوزون های هیگز می تواند مکانیزم شکست متقارن الکترون های کم دوام را به واسطه ی ذرات مدل استانداردی که گفته می شود جرم خود را تولید میکنند ، آشکار کند .

 

علاوه بر بوزون های هیگز ، ممکن است ذرات جدیدی که توسط توسعه ممکن مدل استاندارد پیش بینی شده بود ، تولید شوند. به طور کل ، فیزیک دانان امیدوارند که LHC می تواند توانایی های آنها را در  پاسخ دادن به این سوالات بالا ببرد:

 

·     آیا مکانیزم هیگز برای تولید خرده جرم های ابتدائی در مدل استاندارد به درستی در طبیعت درک می شود؟ اگر این چنین باشد ، چه تعداد بوزون های هیگز در آن جا وجود دارند و جرم آن ها چقدر است؟

·     آیا الکترومغناطیس ، نیروی قوی هسته ای و نیروی ضعیف هسته ای وجوه متفاوتی از یک نیروی تک همان گونه که توسط تئوری های یکتای قدیمی متفاوت پیش بینی شده است ، آشکار می شوند؟

·         چرا جاذبه از 3 نیروی بنیادی دیگر ضعیف تر است؟

·         آیا ابرتقارن در طبیعت درک می شود ؟ با اشاره به این که ذرات مدل استاندارد شناخته شده یک جفت ابر متقارن دارند.

·         آیا اندازه گیری های دقیق جرم و تباهی های کوارک ها با مدل استاندارد به طور ثابتی همچنان سازگار است؟

·         چرا اشتباهی آشکار در تقارن بین ماده و پاد ماده  وجود دارد؟

·         طبیعت ماده تاریک و انرژی تاریک چیست؟

·     آیا بعد های دیگری هم همچنان که در تئوری رشته ای با مدل های گوناگون پیش بینی شده ، وجود دارد و آیا می توانیم آن ها را ببینیم؟

 

 

در میان اکتشافاتی که LHC ممکن است انجام دهد ، تنها اکتشاف ذرات هیگز بحث برانگیز نیست اما این اکتشاف به طور قطع ، پیش بینی نشده است.  استفان هاوکینگ در مصاحبه ی BBC گفت :" به نظر من این هیجان انگیز تر است که ما هیگز ها را پیدا نکنیم. این نشان میدهد که چیزی اشتباه است و ما نیاز به تفکر دوباره داریم. من صد دلار شرط بسته ام که ما هیگز ها را پیدا نمی کنیم. " در مصاحبه ای این چنینی هاوکینگ امکان اکتشاف ابر جفت ها را تذکر داد :" هر چه که LHC کشف کند یا کشف نکند ، نتایج می تواند چیزهای زیادی را در مورد ساختار جهان به ما بگوید."

 

برنامه فیزیکی LHC بر اساس برخورد پروتون-پروتون استوار شده است.  هرچند ، دوره های در حال اجرای کوتاه تر ، اساسا یک ماه در سال ، با برخورد های یون های سنگین در این برنامه گنجانده شده است.  در حالی که یون های سبک تر هم در نظر گرفته شده است ، برنامه اصلی با یون های سرب سر و کار دارد. این می تواند پیشرفتی برای برنامه تجربی که اکنون در برخورد کننده ی یونی نسبتا سنگین ( RHIC ) در حال اجراست ، باشد. هدف برنامه یون سنگین ایجاد پنجره ای جدید در درک ماده ای با نام کوارک-گلون پلاسما که در مراحل ابتدائی جهان شکل گرفت ، هست.

 

سپتامبر 2008 : اولین پرتو در برخورد دهنده در صبح 10 سپتامبر 2008  به گردش در آمد. CERN پروتون ها را به طور موفقیت آمیزی به طور مرحله ای به درون تونل به حرکت درآورد ، 3 کیلومتر در یک زمان. ذرات در جهت ساعتگرد به درون شتاب دهنده فرستاده شدند و در ساعت 10:28 زمان محلی به طور موفقیت آمیز به دور آن رانده شدند. LHC اولین تست بزرگ خود را با موفقیت پشت سر گذاشت: پس از اینکه تعداد زیادی آزمایش انجام شد ، دو نقطه سفید بر روی سفحه نمایش ظاهر شد که نشان میداد پروتون ها تمام طول برخورد دهنده را طی کردند. هدایت جریان ذرات به دور مدار اولیه کمتر از یک ساعت طول کشید موفقیت بعدی CERN فرستادن پرتویی از پروتون ها در خلاف جهت عقربه های ساعت در ساعت 14:59 بود.

 

 

بعد از گذشت چندین سال از آغاز به کار، کم اهمیت تر شدن آزمایشات مجدد در هر نوعی از آزمایش فیزیک ذرات، باعث نابه سامانی آزمایشات فیزیک ذرات گردید. هر سال که از عملکرد آن میگذرد، به کشفیات کمتری نسبت به سال قبل از آن دست می یابد. راهی که برای بهبود بخشی نابه سامانی های آزمایشات مجدد وجود دارد این است که آزمایش را یا از طریق تقویت انرژی و یا از طریق تقویت تابش، بهبود بخشیم.. ترفیع درخشش LHC که با نام ابر LHC شناخته می شود برای ساخته شدن در 10 سال بعد از عملیات LHC پیشنهاد داده شد. راه مطلوب درخشش ترفیع LHC در افزایش پرتوی کنونی ( یعنی افزایش پروتون های پرتو ) و اصلاح دو ناحیه پر درخشش برخورد ، ATLAS و CMS ، است. برای بدست آوردن این پیشرفت ها ، انرژی پرتو در نقطه ای که آن ها به ابر LHC تزریق می شوند باید تا 1 تراالکترون ولت افزایش یابد. این عمل به بهبود بخشی سیستم قبل تزریق نیاز دارد که هزینه های تغییرات مورد نیاز در دستگاه فوق تقویت ذرات

باردار الکترونی بسیار سنگین تمام خواهد شد.

 

هزینه ی کلی این طرح در حدود 3.2 تا 4.4 بیلیون یورو پیش بینی شده بود. ساخت LHC در سال 1995 با هزینه ی 2.6 بیلیون فرانک سوئیس به علاوه 210 میلیون فرانک بابت هزینه ی تحقیقات تصویب شد. هرچند ، هزینه ها از حد گذشت. در تجدید دوباره در 2001 تا 480 میلیون فرانک برای شتاب دهنده و 50 میلیون فرانک برای تحقیقات تخمین زده شد در حالی که بودجه CERN کم شد و اتمام کار به جای سال 2005 در آوریل سال 2007 صورت گرفت. مغناطیس ابرهادی برای 180 میلیون فرانک افزایش قیمت مسئول بود. همچنین در آن وقتی که غار زیرزمینی را برای سولنوید مون فشرده می ساختند ، در قسمت های ناقصی که توسط آزمایشگاه های مشخص ملی آرگون و فرمیلاب به  CERN قرض داده شده بود ،  با سختی های مهندسی روبه رو می شدند.

 

دیوید کینگ ، افسر علمی رئیس سابق اتحادیه کینگ دام ، LHC را برای تخصیص اولویت بالاتری به سرمایه در برابر مشکلات عمده ی زمین – تغییرات دمایی قانون مند اما همچنان رشد جمعیت و فقر در آمریکا – انتقاد کرد.

 

شبکه محاسباتی LHC برای نگه داشتن مقادیر زیادی داده تولید شده توسط برخورد دهنده بزرگ هادرونی ، ساخته شده است. این شبکه از لینک کابل نوری فیبری خصوصی و بخش پرسرعت موجود در ابنترنت عمومی با هم متحد شد که امکان انتقال داده ها از CERN به موسسات آکادمیک سراسر جهان را فراهم می آورد.

 

این طرح محاسباتی پخش شده برای حمایت ساخت و اندازه گیری LHC آغاز شد. این طرح از پایگاه BONIC برای اندازه گیری چگونگی حرکت ذرات در تونل ، استفاده میکند. با این اطلاعات ، دانشمندان قادر خواهند شد تا اندازه مغناطیس مورد نیاز برای بدست آوردن " مداری " پویا از پرتو درون حلقه را اندازه گیری کنند.

 

امنیت برخورد ذره ها : هرچند که برخی افراد و دانشمندان در مورد امنیت آزمایش برنامه ریزی شده در رسانه ها و دادگاه ها سوال می کنند ، جامعه ی علمی بر نبود پایه ای برای هرگونه تهدید ممکن در برخورد ذره ای LHC توافق دارند. امنیت عملیات : اندازه LHC بر اساس یک رقابت مهندسی خاص با موضوع عملیاتی واحد در مورد انرژی زیاد ذخیره شده در میدان مغناطیسی و پرتو ها ، شکل گرفت. در هنگام انجام عملیات ، انرژی کل ذخیره شده در میدان مغناطیسی به 10 گیگا ژول ( معادل 2.4 تن TNT ) و انرژی کل حمل شده بر دو پرتو به 724 مگا ژول رسید.

 

از دست دادن ده میلیونیم ((10−7 پرتو برای خاموش کردن مغناطیس ابرهادی کای است. در حالی که پرتو زائد باید انرژی معادل بمب هوا-زمین را به خود جذب کند.اگر به این بیندیشیم که چه ماده ی کوچکی این انرژی های بی اندازه را حمل می کند ، بسیار تاثیرگذار است : در وضعیت های عملیاتی بسیار جزئی ( 2808 دسته برای هر پرتو و 1.15×1011 پروتون در هر دسته ) لوله های پرتو 1.0×10-9 گرم هیدرژن دریافت می کنند که در وضعیت استاندارد از نظر دما و فشار می تواند حجمی معادل دانه ای ماسه داشته باشد.

 

تصادفات ساختاری و عقب افتادگی ها : در 25 اکتبر 2005 یک تکنیسین زمانی که بار جرثقیل تصادفا بر روی او افتاد ، در تونل LHC جان باخت .در 27 مارس 2007 یک پشتیبان مغناطیس برودتی در حین آزمایش فشار که با گروه مغناطیسی سه گانه ( تمرکز چهارقطبی) درونی LHC تولید شده توسط فرمیلای و کک ( KEK) درگیر بود ، شکست. هیچ کسی زخمی نشد.مدیر فرمیلاب ، پیر اودون ، اظهار داشت :" در این موقعیت ما به خاطر از دست دادن توازن بسیار ساده نیروها ، متحر شدیم." این خطا در طراحی اصلی ظاهر شد و در چهار دوره مهندسی در این سال ها باقی ماند. تجزیه نشان داد که طراحی آن  - که تا آنجا که ممکن بود برای نصب بهتر نازک طراحی شده بود – به اندازه ای که در برابر نیروهای تجمع یافته در آزمایش فشار مقاومت کند ، نبود. جزئیاتی که CERN با آن موافق بود ، در اعلامیه ای از فرمیلاب درج شده است.  پس از تعمیر و تقویت دوباره هشت گروه یکسان استفاده شده توسط LHC زمان آغازکار به تاخیر افتاد و برای هفته ها بعد در نوامبر 2007 برنامه ریزی شد.

 

برخورد دهنده بزرگ هادرونی در " اهریمن و فرشتگان " اثر دن براون بدین گونه شرح داده شد که از پادماده های خطرناک تولید شده در LHC برای جنگ با واتیکان ها استفاده شد. CERN صفحه ای با عنوان " واقعیت یا افسانه؟" انتشار داد که درباره ی دقت مجسم سازی کتاب LHC ، CERN و فیزیک ذرات به طور جامع سخن می گوید. نسخه ویدیویی کتاب یم فیلم به اندازه فوت روی سایت برای یکی از آزمایشات LHC دارند; کارگردان ، ران هاوارد ، با کارشناسان CERN ملاقات کرد تا علم را به طور دقیقی وارد فیلم سازد.

 

اثر کارمند CERN ، کاترین مک الپین ، با نام " رپ بزرگ هادرون "  برای دو میلیون تصویر یو- تیوب در 10 سپتامبر 2008 بهتر بود.

 

شبکه 4 رادیو BBC روز آغاز به کار LHC را در 10 سپتامبر 2008 با نام " روز انفجار بزرگ " به خاطر سپردند. اضافه بر این رخداد ها ، پخش قسمت رادیویی سریال تلویزیونی تراچ وود ( Torchwood ) با درگیر سختن نقشه های LHC بود که " طلب گمشده " نام گرفت. مدیر ارتباطات CERN ، جیمز گیلی ، بیان کرد :" واقعیات CERN شباهت کمی به متن تراچ وود جوزف لیدستر دارد."