شتاب‌دهی اتم‌ها در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ برای نخستین بار

برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ (Large Hadron Collider) مستقر در مرکز تحقیقاتی سرن (CERN) در فرانسه و سوئیس اخیرا طی یک آزمایش برای اولین بار یک اتم را به نزدیکی سرعت نور رساند و نتایج به دست آمده از آن فراتر از پیش‌بینی‌ها بود.

این آزمایش منجر به اثبات نظریه‌هایی شد که می‌تواند شروعی برای آزمایش‌های پیشگامانه و حتی کشف انواع جدیدی از ماده مانند ماده تاریک باشد.

به صورت معمول از برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ برای شتاب‌بخشیدن به پرتوهای پروتونی تا نزدیکی سرعت نور در داخل تونل ۲۷ کیلومتری استفاده می‌شود تا دانشمندان پدیده‌ها و ذرات تولیدشده ناشی از برخورد را مطالعه کنند.

آزمایش‌های انجام‌شده در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ منجر به کشف ذره‌ی خدا یا بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ شد. از آن زمان تا کنون ذرات زیراتمی متعددی توسط این برخورد‌دهنده کشف شده‌اند که نوید‌بخش آغاز فیزیک نو و همچنین کمک به تایید مرز واقعیت (limits of reality) است.

اما این برای اولین بار در تاریخ چند ده ساله‌ی آزمایش‌ها در برخورددهنده‌ها است که پژوهشگران نه فقط هسته‌ی یک اتم، بلکه یک اتم سرب حاوی یک الکترون را به یک برخورد‌دهنده تزریق کرده‌اند.

این آزمایش مدرکی برای اثبات ایده‌ای جدید با نام کارخانه‌ی گاما (Gamma Factory) است. طبق این ایده می‌توان برخورده‌دهنده‌ی هادرونی بزرگ را به یک کارخانه‌ی تولید پرتوی گاما با قابلیت تولید ذرات بزرگ و حتی انواع جدیدی از ماده هم‌چون ماده‌ی تاریک تبدیل کرد.

میکائیلا شومان (Michaela Schaumann) از مهندسان برخورده‌دهنده‌ی هادرونی بزرگ می‌گوید:

ما در حال تحقیق روی ایده‌هایی برای گسترده کردن برنامه‌ی تحقیقاتی و زیرساختی سرن هستیم. فهمیدن این که چه چیزی ممکن است اولین قدم است.

هر ساله و چهار هفته قبل از خاموشی سالانه‌ی زمستانی سرن، پژوهشگران، آزمایش‌های مربوط به برخورد پروتون‌ها و هسته‌‌ی اتم‌ها را سرعت می‌بخشند. اما امسال آن‌ها چند روز را برای انجام آزمایش جدیدی اختصاص دادند: شتاب‌دهی به یک اتم کامل.

دلیل این که دانشمندان تاکنون  روی یک اتم کامل چنین آزمایشی انجام نداده بودند این است که اتم سرب بسیار شکننده است و الکترونبه‌راحتی می‌تواند از آن جدا شده و باعث برخورد هسته‌ی اتم به دیواره‌ی لوله‌ی پرتو شود. همان طور که می‌توان تصور کرد، اجازه‌ی برخورد پرتوهای اتمی به یک دستگاه بسیار گران‌قیمت با سنسورهای مغناطیسی زیاد دورتادور آن ایده‌ی خوبی نیست.

بنابراین به‌منظور آمادگی برای انجام چنین آزمایشی، دانشمندان ابتدا هسته‌ی اتم زنون را در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ قرار دادند. آن‌ها همچنین یون‌های سرب را در سوپر پروتون سینکروترون (Super Proton Synchrotron)، دومین شتاب‌دهنده‌ی بزرگ سرن، آزمایش کردند. تزریق اتم‌های سرب به داخل برخورد‌دهنده‌ی هادرونی بزرگ آخرین قدم بود. در اولین مرحله دانشمندان ۲۴ دسته اتم به داخل دستگاه تزریق کردند و به مدت یک ساعت به یک پرتوی کم‌‌انرژی پایدار در داخل برخورددهنده‌‌ی هادرونی بزرگ دست یافتند. سپس توان دستگاه را به بیشترین مقدار رسانده و پرتو را به مدت دو دقیقه داخل لوله‌ی پرتو به حرکت درآوردند تا سرانجام دستگاه خاموش شد. شومان می‌گوید:

اگر تعداد زیادی ذره از مسیر خود خارج شوند، برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ به‌صورت اتوماتیک پرتو را از بین می‌برد و خاموش می‌شود. اولویت اصلی ما حفاظت از دستگاه و آهن‌رباهای آن است.

بعد از ریست کردن مغناطیس‌ها، گروه دوباره آزمایش را شروع کرد و این بار تنها شش دسته اتم وارد دستگاه شد. آن‌ها توانستند پرتوی ایجادشده را به مدت دو ساعت در داخل تونل به حرکت درآوردند؛ قبل از این که خود آن‌ها عمدا پرتو را از بین ببرند.

ویتولد کراسنی (Witold Krasny)، سرپرست گروهی از پژوهشگران که روی آزمایش‌های اتمی کار می‌کنند، می‌گوید:

ما پیش‌بینی می‌کردیم که عمر پرتوی ویژه‌ی تولیدشده در داخل برخورد‌دهنده‌ی هادرونی بزرگ ۱۵ ساعت باشد. اما وقتی فهمیدیم که پرتو تا ۴۰ ساعت می‌تواند عمر کند کاملا شگفت‌زده شدیم. اکنون سوال این است که آیا می‌توان با تنظیم برخورد‌دهنده، همین طول عمر را برای پرتویی با شدت بالاتر تکرار کرد یا نه. چرا که برخورده‌دهنده در مرحله‌ی اصلی آزمایش برای برخورد پروتون‌ها تنظیم شده بود.

اگر پژوهشگران بتوانند پرتوهای اتمی را بهبود ببخشند، قدم بعدی این خواهد بود که هنگام حرکت پرتو داخل تونل با لیزر به آن‌‌ شلیک کنند و در واقع باعث افزایش سطح انرژی الکترون اتم‌ها شوند. در داخل برخورد‌دهنده، اتم‌ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و از این رو ذرات آن‌ بسیار پرانرژی هستند، بنابراین تاباندن لیزر به آن‌ها باعث کاهش طول موج شده و پرتوهای گاما تولید می‌شوند.

پرتوهای گامای تولیدشده چنان پرقدرت هستند که می‌توانند منجر به ایجاد ذراتی مانند کوارک، الکترون و میون شوند. همچنین این پرتوها ممکن است به ذرات سنگین‌تر و حتی انواع جدیدی از ماده مانند ماده‌ی تاریک تبدیل شوند.

در بیانیه‌ی مطبوعاتی سرن در این ارتباط آمده است:

پرتوهای تولیدشده می‌توانند به پرتو‌هایی متشکل از ذرات دیگر مانند پرتو‌های میونی بدل شوند.

راه زیادی پیش‌روی دانشمندان مرکز پژوهشی سرن است؛ اما انجام این آزمایش هیجان‌انگیز گامی به سوی عصر جدیدی از تولید دانش در برخورده‌دهنده‌ی هادرونی بزرگ است.