کشف شواهدی از ذرات ایکس از لحظه تولد جهان هستی
سازمان اروپایی پژوهش های هسته ای(سرن-CERN) شواهدی از ذرات ایکس از تولد کیهان پیدا کرده است که رمزگشایی از ساختار آنها تصویر بهتری از مه بانگ بوجود می آورد.
به گزارش نقشه به نقل از ایسنا و به نقل از سایتک دیلی، تنها یک میلیونم ثانیه بعد از انفجار بزرگ یا مه بانگ(Big Bang)، همه چیز در جهانِ فیزیکیِ شناخته شده به حرکت درآمد. پیش از آن، کیهان مملو از پلاسمای تریلیون درجه ای متشکل از کوارک ها و گلوئون ها بود که ذرات بنیادی هستند که فقط برای دوره های نسبتاً کوتاهی پیش از سرد شدن و تبدیل شدن به ذرات پایدارتر وجود داشتند.
نوترون ها و پروتون هایی که ماده متعارف امروزی ما را می سازند، از این ذرات به وجود آمدند. اما پیش از سرد شدن، بخش کوچکی از این گلوئون ها و کوارک ها به صورت تصادفی با هم برخورد کردند و ذرات "ایکس"(X) را تشکیل دادند که دوام زیادی نداشتند.
"کوارک"(Quark) یک ذره بنیادی و یکی از اجزای پایه ای تشکیل دهنده ماده است. کوارک ها با هم ترکیب می شوند تا ذرات مرکبی به نام "هادرون" را پدید آورند که پایدارترین آنها پروتون و نوترون، اجزای تشکیل دهنده هسته اتم هستند. به علت پدیده ای که به "حبس رنگ" مشهور است، کوارک ها هیچ وقت به صورت انفرادی یافت نمی شوند و مستقیماً قابل مشاهده نیستند، آنها را فقط میتوان درون هادرون هایی مانند باریون ها که نمونه های آنها پروتون و نوترون هستند و مزون ها یافت. بنابراین بیشتر دانش ما از کوارک ها از مشاهدات خود هادرون ها نتیجه گیری شده است.
کوارک ها خصوصیت های ذاتی گوناگونی دارند که بار الکتریکی، بار رنگ، اسپین و جرم همچون این خصوصیت ها هستند. کوارک تنها ذره بنیادی از مدل استاندارد فیزیک ذرات است که هر چهار برهمکنش بنیادی را تجربه می کند. به این برهمکنش ها نیروهای بنیادی(الکترومغناطیس، هسته ای قوی، هسته ای ضعیف، گرانش) هم گفته می شود. همینطور کوارک تنها ذره ای است که بار الکتریکی آن مضرب صحیحی از بار بنیادی نیست. شش گونه مختلف از کوارک ها وجود دارد که به هر یک از آنها یک مزه یا چاشنی می گویند.
"گلوئون"(Gluon) هم ذره ای است که بین کوارک ها مبادله می شود تا آنها را به هم پیوند دهد. بدین سان گلوئون ها به صورت غیرمستقیم مسئولیت جاذبه بین پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم را به عهده می گیرند. گلوئون از کلمه "glue " به معنای چسب گرفته شده است. بعنوان مثال اگر یک پروتون متحرک باشد، نیمی از تکانه آن توسط سه کوارک آن تأمین می شود و نیمی دیگر از آن توسط تعداد زیادی گلوئون تأمین می شود.
طبق مطالعه تازه انتشار یافته در مجله Physical Review Letters، دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) که با "سرن" همکاری می کنند، با وجود نادر بودن ساختارهای این ذرات مرموز و ناشناخته، شواهدی از ذرات X در پلاسمای کوارک-گلوئون ساخته شده توسط برخورددهنده بزرگ هادرونی(LHC) پیدا کرده اند.
"پلاسمای کوارک-گلوئون"(quark–gluon plasma) یا سوپ کوارک یک فاز در کرومودینامیک کوانتومی است که در دما یا چگالی های بسیار بالا رخ می دهد. در این فاز، ماده تقریباً فقط کوارک و گلوئون آزاد است که هر دو از بنیادی ترین ذرات سازنده ماده هستند. دانشمندان فیزیک ذرات بر این عقیده اند که این پلاسما در نخستین میکروثانیه های بعد از مه بانگ وجود داشته است و بررسی خواص این پلاسما کمک بزرگی به درک چگونگی آغاز جهان می کند.
"ین-جی لی" نویسنده اصلی این مطالعه از MIT در یک بیانیه مطبوعاتی اظهار داشت: این فقط شروع ماجرا است. مهم تر از همه این که می تواند نخستین فرصتی باشد که دانشمندان جهت بررسی دقیق ذرات X با جزئیات دقیق دارند که تصویر بهتری از انفجار بزرگ بوجود می آورد.
ذرات X نادر هستند، چونکه ما هر روز با یک مه بانگ مواجه نیستیم. اما فیزیکدانان گمان می کنند که آنها درون شتاب دهنده های ذرات از راه فرآیندی به نام ادغام کوارک که برخوردهای پرانرژی منجر به جرقه هایی از پلاسما می شود که امکان دارد شرایط آشفته و خام جهان جوان را شبیه سازی کند، ظاهر می شوند.
حالا فیزیکدانان MIT در آزمایشگاه علوم هسته ای این موسسه و آزمایشگاه های دیگر، شواهدی را کشف کرده اند که نشان داده است ذرات X می توانند در برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن واقع در ژنو سوئیس تولید شوند.
این کشف از راه تکنیک های وابسته به یادگیری ماشینی انجام شد که فیزیکدانان را قادر ساخت تا بیشتر از ۱۳ میلیارد برخورد یون سنگین را تجزیه و تحلیل کنند که همه آنها دهها هزار ذره آبستن را ایجاد کردند و محققان با بررسی این ترکیب فوق متراکم و پرانرژی، تقریباً ۱۰۰ ذره X بخصوص نوع ۳۸۷۲ را که بر مبنای جرم تخمینی ذره نام گذاری شده اند، شناسایی نمودند.
این اولین باری است که دانشمندان با موفقیت ذرات X را در این پلاسمای کوارک-گلوئون به روشی شناسایی نمودند که دانشمندان فکر می کنند امکان دارد ساختار مرموز آنها را آشکار کند.
"لی" می گوید: ما نشان داده ایم که می توانیم یک نشانه پیدا نماییم. در چند سال آینده می خواهیم از پلاسمای کوارک-گلوئون جهت بررسی ساختار درونی ذره X استفاده نماییم که می تواند دیدگاه ما را در مورد نوع ماده ای که جهان می بایست تولید کرده باشد، تغییر دهد.
بشر مدت هاست که می داند نوترون ها و پروتون ها بلوک های ساختمانی اصلی اتم ها و ماده هستند، اما اینها به نوبه خود از سه کوارک تشکیل شده اند که بسیار محکم به هم چسبیده اند. "لی" می گوید: سال ها فکر می کردیم که طبیعت بنا به دلایلی، برگزیده است تا ذرات ساخته شده از دو یا سه کوارک را تولید نماید. از آنجاییکه ذره X از نوع ۳۸۷۲ در سال ۲۰۰۳ طی یک آزمایش در ژاپن کشف شد، دانشمندان حدس می زنند که این ذره یک تتراکوارک فشرده یا یک نوع کاملاً جدید از مولکول است که به جای اتم ها از مزون ها به وجود می آید که از دو کوارک تشکیل شده است.
وی ادامه داد: هم اکنون داده های ما با هر دو سازگار است و چند سال مطالعه بیشتر برای تمایز بین هر دو سناریو و گسترش دیدگاه ما در مورد انواع ذراتی که در کیهان اولیه به وفور ساخته شده اند، مورد نیاز است.
نظریه مه بانگ یا بیگ بنگ معتبرترین مدل میان مدلهای کنونی کیهان شناسی شامل دریای سیاه چاله، جهان های متناوب و جهان از هم گسسته است که وجود جهان قابل مشاهده را از ابتدایی ترین دوران شناخته شده در سرتاسر دوره تکامل آن توضیح می دهد. این مدل توصیف می کند که چگونه جهان از یک وضعیت اولین با دما و چگالی بسیار زیاد در گذر زمان انبساط یافته است و برای طیف گسترده ای از پدیده های مشاهده شده همچون فراوانی عناصر سبک، تابش زمینه کیهانی و ساختار بزرگ مقیاس، توضیح جامعی عرضه می دهد.
مهم تر از همه این پدیده ها، سازگاری این نظریه با "قانون هابل-لومتر" است که می گوید هرچه کهکشان ها از زمین دورتر باشند، سرعت دور شدن آنها از زمین هم بیشتر است. با برون یابی انبساط جهان به سمت عقب در طول زمان و با استفاده از قوانین شناخته شده فیزیک، جهان متراکم تر و متراکم تر می شود تا به یک نقطه تکینگی می رسیم که در آن زمان و فضا مفهوم خویش را از دست می دهند. این نقطه با نام "تکینگی مه بانگ" شناخته می شود. اندازه گیری های جزئی نرخ انبساط جهان، این نقطه تکینگی را حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش نشان داده است که میتوان این رقم را سن جهان در نظر گرفت.
بعد از انبساط اولیه، جهان به اندازه کافی سرد شد که امکان پیدایش ذرات زیراتمی و بعدها اتم های ساده پدید آید. به هم پیوستن ابرهای غول پیکر از عناصر اولیه(بیشتر از همه هیدروژن به همراه مقداری هلیم و لیتیم) بر اثر نیروی گرانش، سبب پیدایش ستارگان و کهکشان ها شد. در کنار این عناصر سازنده نخستین، اخترشناسان آثار گرانشی در ارتباط با یک ماده تاریک ناشناخته که کهکشان ها را احاطه کرده را هم مشاهده نموده اند. به نظر می آید که بیشتر پتانسیل گرانشی جهان در این شکل باشد و نظریه مه بانگ و سایر مشاهدات مختلف دلالت بر این دارند که این پتانسیل گرانشی اضافی از ماده باریونی(مثل اتم های عادی) ناشی نمی گردد. اندازه گیری پدیده انتقال به سرخ نشان داد که انبساط جهان، شتاب دار است و شتاب دار بودن آن هم به وجود انرژی تاریک مربوط می شود.
سرن(CERN) یا سازمان اروپایی پژوهش های هسته ای(بزرگ ترین آزمایشگاه فیزیک ذره ای جهان است که در سال ۱۹۵۴ در بخش شمال شرقی شهر ژنو در کشور سوییس در مجاورت مرز فرانسه به وجود آمد. حالا بیست کشور اروپایی عضو این سازمان بوده و بیشتر از ۲٬۶۰۰ کارمند به صورت تمام وقت و همینطور در حدود ۷٬۹۳۱ دانشمند و مهندس(به نمایندگی از ۵۸۰ دانشگاه و مؤسسهٔ پژوهشی از ۸۰ کشور جهان) در آن مشغول به کار هستند.
فعالیت اصلی "سرن" تهیه و عرضه شتاب دهنده ذرات و دیگر زیربناها و ابزارهایی است که برای پژوهش های فیزیکی در انرژی های بالا استفاده می شوند. چهار آشکار ساز بزرگِ سرن، حاصل همکاریهای بین المللی هستند. مقر اصلی این سازمان واقع در "میرن" یکی از شهرهای تابع ژنو، شامل یک مرکز کامپیوتری هم هست. این مرکز دارای امکانات پردازشی قدرتمندی است و به شکل ویژه ای جهت بررسی داده های حاصل از آزمایش ها ساخته شده است.
سرن بعنوان یک تأسیسات جهانی، نه تحت حوزه قضایی و حکومتی دولت سوییس و نه تحت نظارت دولت فرانسه اداره می شود.
این آزمایشگاه به شکل دایره است و قطر این دایره حدود ۶۰ کیلومتر است.
برخورددهنده هادرونی بزرگ یک شتاب دهنده ذره ای و برخورددهنده مستقر در سازمان تحقیقاتی سرن است. این پروژه در تاریخ ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ میلادی(۲۰ شهریور ۱۳۸) بعد از ۲۰ سال آماده سازی، شروع به کار کرد. هدف از ساختن آن شناخت اجرام ماده در حد فاصل ۱۰ به توان منفی ۲۳ سانتی متر، آزمون مدل استاندارد ذرات، کشف اجزای یافت نشده مدل استاندارد، آزمون نظریه ابرتقارن و نظریه وحدت بزرگ است. از دیگر اهداف مهم این پروژه، کشف و بررسی ذره بنیادی "هیگز" است. ذره هیگز یا بوزون-هیگز در ایجاد جرم در ذرات بنیادی دخیل است. در این آزمایشگاه، پروتون ها در یک تونل ۲۷ کیلومتری شتاب گرفته و به اندازه ۱۴ تریلیون الکترون ولت انرژی می گیرند و با هم برخورد می کنند تا این برخورد، ردی از بوزون-هیگز را نشان دهد.
این شتاب دهنده در تاریخ ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ راه اندازی گردید، ولی ۹ روز بعد به دلیل نقص فنی و بالا رفتن دمای آهن رباهای ابر رسانا که باید در دماهای پایین کار کنند، متوقّف شد. این شتاب دهنده پس از ۱۴ ماه وقفه در تاریخ ۲۱ نوامبر ۲۰۰۹ باردیگر افتتاح شد.
مرکز کنترل سرن هرگونه کنترل و سازماندهی اساسی را بر روی این شتاب دهنده انجام می دهد. در برخورد دهنده بزرگ هادرونی تونل ها طوری طراحی و برنامه ریزی شده اند که در سرتاسر مسیرِ حلقه ای شکل، چهار برخورد برای پروتون ها صورت می گیرد که این نقاط، محل قرارگیری آزمایش ها هستند.
منبع: نقشه
این مطلب Go Map را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط در نقشه
نظرات بینندگان نقشه در مورد این مطلب