چرا هستی هست؟ گیتی اولیه پس از مِهبانگ چگونه بوده است؟

عکس تزیینی استدویچه وله: بزرگترین شتاب‌دهنده ذرات جهان پس از وقفه‌ای طولانی خود را برای پاسخ به پرسش‌هایی دشوار آماده می‌کند: "چرا هستی هست؟" یا "گیتی اولیه پس از مِهبانگ چگونه بوده است؟". گزارشی از عرفان کسرایی، پژوهشگر حوزه علم و فناوری.

بزرگترین شتاب‌دهنده ذرات جهان از جمله می‌خواهد به این پرسش‌ پاسخ دهد که گیتی اولیه بلافاصله پس از مهبانگ چگونه بوده است؟

چرا هستی وجود دارد؟ آیا جهان می‌توانست به شکل دیگری پدید آید؟ گیتی اولیه بلافاصله پس از مِهبانگ (بیگ بنگ) چگونه بوده است؟ کوچکترین جزء تشکیل‌دهنده عالم چیست؟ اینها تنها بخشی از پرسش‌هایی است که فیزیک‌دانان سال‌هاست در پی پاسخ به آنها می‌گردند.

برخورددهنده هادرونی بزرگ یا LHC، بزرگترین شتاب‌دهنده ذرات جهان، اینک پس از یک وقفه نسبتا طولانی سه ساله از خواب بیدار شده تا به این پرسش‌ها پاسخ دهد. هر چند که هدف فیزیک‌دانان از راه‌اندازی دوباره برخورددهنده بزرگ هادرونی، آزمودن زیر و بم مدل استاندارد فیزیک ذرات است، اما این شتاب‌دهنده قرار است در واقع شرایط فیزیکی را شبیه‌سازی کند که در مراحل آغازین پیدایش عالم در حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش وجود داشته است.
تونل برخورددهنده هادرونی بزرگ یا LHC (عکس از آرشیو)دانشمندان انتظار دارند که ال‌اچ‌سی به تدریج تا آخر ماه ژوئن به مرحله آمادگی برسد و بخش‌های مختلف آن برای آزمایش‌های با برخورد پرانرژی و با شدت بالا آماده شوند. سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا (CERN) قرار است تا پایان سال ۲۰۲۵، سالانه یک کادریلیون (عدد یک با ۱۵ صفر جلوی آن) برخورد را ممکن کند. تعداد بالاتر این برخوردها، بخت دانشمندان را برای یافتن آنچه در پی یافتن آنند بیشتر می‌کند.

اگرچه لحظه برخورد بین ذرات در این تونل ۲۷ کیلومتری، بسیار بسیار کوتاه است و ممکن است فقط بین چند نانوثانیه یا چند میلی ثانیه طول بکشد، اما بررسی داده‌های ذخیره‌شده این برخوردها، معمولا سال‌ها زمان می‌برد. همانطور که در سال ۲۰۱۲ در جریان یکی از همین برخوردها، وجود بوزون هیگز، ذره‌ای که به ماده جرم می‌دهد آشکار شد، این بار نیز انتظار می‌رود، رازهایی از جمله ماهیت ماده تاریک و بنیادی‌ترین ذرات سازنده ماده برای دانشمندان آشکار شود.
میلیاردها دلار هزینه برای کشف کوچکترین ذرات تشکیل‌دهنده عالم
شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی تا کنون دو بار فاز تعمیر و نگهداری و ارتقا را که اصطلاحا Long Shutdown نامیده می‌شود پشت سر گذاشته است. با این تفاوت که برنامه زمانی برای راه‌اندازی مجدد آن این بار، در فاز خاموشی دوم، به دلیل همزمانی با شیوع همه‌گیری کرونا، به هم ریخت و با تاخیری طولانی مواجه شد.

 

شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی بارها و بارها با بحران‌ها و مشکلات پیش‌بینی‌نشده روبرو شده است. این شتاب‌دهنده که برای نخستین بار در دهم سپتامبر ۲۰۰۸ به کار افتاد، تنها ۹ روز پس از آن یعنی در ۱۹ سپتامبر در ساعت ۱۱:۱۸:۳۶ به یک مشکل فنی جدی در مگنت‌های سکتور ۳ و ۴ برخورد که این خرابی در آن زمان چیزی حدود ۲۷ میلیون یورو خرج در برداشت و تعمیر آن نیز ۱۴ ماه طول کشید.‌

بخش بزرگی از دشواری این تعمیرات به این دلیل بود که دانشمندان سرن (سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای) مجبور بودند یک بخش ۳.۳ کیلومتری از مگنت‌های ۱۵ متری را ابتدا به دمای محیط برسانند و سپس آنها را تعمیر کنند. دلیل اینکه دانشمندان مجبور شدند دمای سیستم را به دمای عادی برگردانند این بود که این مگنت‌ها در عمق بیش از صد متری زمین در دمای بسیار پایین ۱.۹ کلوین (یعنی ۲۷۱.۳- سانتیگراد) کار می‌کنند.

کشف بوزون هیگز از این رو بنا به تخمین فوربس، در مجموع چیزی حدود ۱۳.۲۵ میلیارد دلار هزینه داشته است. بد نیست بدانیم که شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی، بزرگترین سیستم سرمایشی جهان است و با ۱۴۰ تن هلیوم مایع کار می‌کند. در تمام مجموعه ال‌اچ‌سی از حدود ده هزار مگنت استفاده شده و اگر این سیستم خنک‌کننده عظیم هلیوم مایع نبود، به جای تونل کنونی ۲۷ کیلومتری لازم بود یک تونل ۱۲۰ کیلومتری ساخته شود.
کشف ماهیت ماده تاریک
یکی از هشت آزمایش مهمی که اینک بسیاری در انتظار انجام  آنند، آزمایش FASER است که می‌تواند شواهدی از ماهیت ماده تاریک در اختیار دانشمندان بگذارد.

کشف ماهیت ماده تاریک، در صورت وجود، اگرچه کشفی بزرگ در زمینه فیزیک ذرات محسوب می‌شود، اما در عین حال موفقیتی بزرگ برای کیهان‌شناسان نیز خواهد بود. در این صورت، کیهان‌شناسان خواهند توانست، مسائلی از جمله سرعت چرخش کهکشان‌های مارپیچی و رفتار آنها را دقیق‌تر توضیح دهند.

ماده تاریک به گمان غالب کیهان‌شناسان، ۲۷ درصد از عالم را تشکیل می دهد و ۶۸ درصد گیتی نیز از انرِژی تاریک تشکیل شده و از این رو، ماده معمولی یعنی هر آنچه در عالم مشاهده می‌کنیم تنها حدود ۵ درصد از کیهان را تشکیل می‌دهد.

اگر شتاب‌دهنده ال‌اچ‌سی بتواند در این فاز فعالیت خود و به عبارتی طی سه تا چهار سال آینده، ذرات تشکیل ماده تاریک را کشف کند، این به وضوح پیشرفتی بزرگ در علم کیهان‌شناسی و گامی بزرگ در شناخت ماهیت عالم خواهد بود.