ورود
بزرگ ترین ماشین دنیای علم: دانشمندان در تلاش برای ساخت قوی ترین برخورددهنده ذرات دنیا
آزمایشگاه فیزیک سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای قصد دارد تا سال ۲۰۷۰ برخورددهنده عظیمی را بسازد.
مفهوم برخورددهنده دو مرحله‌ای افسیسی اولین بار در سال ۲۰۱۹ معرفی شد. طبق این ایده، در مرحله اول پروژه یعنی «کارخانه هیگز»، ممکن است انحرافاتی از پیش‌بینی‌های مدل استاندارد فیزیک ذرات مشاهده شود. این انحرافات می‌تواند نشان‌دهنده وجود ذرات جدید باشد و به دانشمندان کمک کند جرم این ذرات را تعیین کنند.
این سوال با معمایی در مدل استاندارد فیزیک ذرات مرتبط است: چگونه بوزون هیگز تقارن میان دو مورد از سه نیروی بنیادین (یعنی نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف) در مدل استاندارد را می‌شکند. در انرژی‌های بسیار بالا که بلافاصله پس از
وجود داشت، این دو نیرو یکی بودند. اما با کاهش انرژی، این دو نیرو از هم جدا شدند و ویژگی‌های متفاوتی پیدا کردند. بوزون هیگز نقشی کلیدی در این فرآیند دارد و به‌وسیله‌ی آن، تقارن بین این دو نیرو شکسته و باعث می‌شود هریک از نیروها ویژگی‌های خاص خود را پیدا کند.
پس از پیشرفت‌های تحقیقاتی در تکنولوژی‌های لازم، مانند چگونگی ساخت آهنرباهای ابررسانا با قدرت کافی که بتوانند پرتوهای ذرات را هدایت و متمرکز کنند، مرحله دوم برخورددهنده افسیسی ساخته خواهد شد تا ذرات جدید را کشف کند. به عبارت دیگر، برای ساخت مرحله دوم این شتاب‌دهنده، ابتدا باید تکنولوژی‌های مناسب به دست آید تا بتوان از آن برای کشف ذرات جدید استفاده کرد (برخی از فیزیکدانان می‌گویند ذرات جدید می‌توانند شامل اجزای تشکیل‌دهنده ماده تاریک باشند، اما بسیاری از نظریه‌پردازان فکر می‌کنند چنین ذراتی احتمالاً بسیار سبک‌تر از محدوده‌ای هستند که LHC قبلاً جستجو کرده است).
گرچه اکثر فیزیکدانان ذرات معتقدند که داشتن برخورد دهنده افسیسی مفید خواهد بود، هزینه‌های ساخت آن‌ها بسیار بالا است. هنوز برآورد دقیقی از هزینه‌ها وجود ندارد، اما اسناد سرن نشان می‌دهند فقط فاز اول پروژه ممکن است حدود ۱۷ میلیارد دلار هزینه داشته باشد.
برآوردهای ولادیمیر شیلتسف و همکارانش حاکی از آن است که هزینه واقعی پروژه افسیسی بیشتر از پیش‌بینی‌ها است. آن‌ها می‌گویند ۱۷ میلیارد دلار فقط هزینه حداقلی فاز اول است و مجموع دو فاز پروژه می‌تواند حداقل ۳۰ میلیارد دلار هزینه داشته باشد.
محققان چندین طرح دیگر برای برخورددهنده‌های آینده پیشنهاد کرده‌اند. برای مدت طولانی، یکی از مهم‌ترین پیشنهادها برای ساخت «کارخانه هیگز»، برخورددهنده‌ای خطی به نام برخورددهنده خطی بین‌المللی (International Linear Collider) بود. طرح برخورددهنده خطی به‌طور دقیق مورد بررسی قرار گرفت و قرار بود در ژاپن ساخته شود، اما ژاپن پروژه را تایید نکرد.
طرح خطی همچنین می‌تواند نحوه تعامل میان دو ذره هیگز را مطالعه کند. مایکل پسکین، فیزیکدان نظری می‌گوید انجام چنین مطالعه‌ای به‌طور مستقیم در افسیسی امکان‌پذیر نیست و این مطالعه برای درک ماهیت میدان هیگز مهم است. او می‌افزاید ساخت نسخه خطی بهتر است؛ چرا که هم درمورد نحوه ساخت آن به خوبی اطلاع داریم و هم هزینه معقولی دارد و می‌تواند در پایان پروژه برخورددهنده هادرونی بزرگ اجرا شود.
فیزیکدان‌ها می‌گویند گزینه‌های خطی و دایره‌ای هرکدام نقاط قوت و ضعف خود را دارند. حامیان طرح افسیسی می‌گویند تونل خطی پس از انجام وظیفه به‌عنوان کارخانه هیگز دیگر کاربردی نخواهد داشت. اما جنی لیست معتقد است برخلاف نظر حامیان طرح اف‌اف‌سی، برخورددهنده خطی می‌تواند پس از ساخت و استفاده اولیه، با افزایش طول تونل به‌تدریج ارتقا پیدا کند. آبراموویچ با اشاره به هزینه بالای برق کارخانه‌های دایره‌ای می‌گوید دلیلی برای ساخت کارخانه هیگز دایره‌ای به جای کارخانه هیگز خطی وجود ندارد.
برخی محققان بر این باورند که بهتر است به‌جای آنکه پژوهشگران آینده را مجبور کنیم تا سال ۲۰۷۰ فقط مسیر پرهزینه‌ای مانند افسیسی را دنبال کنند، گزینه‌های مختلف را بررسی کنیم؛ چرا که هنوز مشخص نیست آیا افسیسی واقعا ابزار مناسبی برای پاسخگویی به سوالات فیزیکدانان خواهد بود یا خیر.
یوهان شیک، فیزیکدان آکادمی علوم اتریش در وین و عضو شورای سرن می‌گوید بسیار ناعادلانه است که پروژه‌های فیزیک را از حالا بر پژوهشگران نسل آینده تحمیل کنیم. از سوی دیگر، برای بسیاری از فیزیکدان‌ها، یکی از دلایل قانع‌کننده برای حمایت از پروژه افسیسی این است که پروژه یادشده می‌تواند به حمایت از جامعه بزرگ ۱۵ هزار نفری پژوهشگران و کارکنانی که حول آزمایش‌های LHC رشد کرده‌اند، ادامه دهد.
آبراموویچ معتقد است که دلیل اصلی حمایت بسیاری از افراد از مدل برخورددهنده دایره‌ای این است که این نوع برخورددهنده می‌تواند در چهار نقطه مختلف به‌طور همزمان برخورد ایجاد کند. در هر یک از این نقاط، برخورددهنده بزرگی وجود دارد که داده‌های حاصل از آن می‌تواند به همکاری تعداد زیادی فیزیکدان منجر شود. درمقابل، برخورددهنده خطی در هر زمان فقط یک آزمایش را انجام می‌دهد و فیزیکدان کمتری می‌توانند در آن مشارکت داشته باشند.
برخی محققان دراین‌باره نگران هستند که پروژه‌ای مانند افسیسی تا سال ۲۰۷۰ آماده فعالیت نشود و بنابراین ممکن است نتوانند در دوران کاری خود شاهد پیشرفت‌های بزرگ در زمینه انرژی‌های جدید باشند.
برخی معتقدند سرن باید درزمینه‌ی تحقیق و توسعه فناوری‌های پیشرفته شتاب‌دهنده‌ها تلاش کند تا امکان رسیدن به انرژی‌های بالاتر زودتر فراهم شود. بررسی فناوری‌های مغناطیسی برای پروژه افسیسی و همچنین ایده‌های جدید و غیر اثبات‌شده مانند استفاده از میون‌ها (ذراتی که مشابه الکترون‌ها هستند اما سنگین‌تر) برای برخورد از این دست پژوهش‌ها است.
جان وومرسلی پیشنهاد می‌کند مدت زمان فعالیت برخورددهنده هادرونی بزرگ تا سال ۲۰۳۵ کاهش یابد و به جای آن از بودجه‌ای که برای این برخورددهنده اختصاص یافته است، برای توسعه فناوری‌های مرحله دوم پروژه افسیسی استفاده شود.
سخنگوی سرن می‌گوید داده‌های جدیدی که از برخورددهنده هادرونی ارتقایافته به‌دست می‌آید، فرصت خوبی برای پژوهشگران تازه‌کار فراهم می‌کند تا به کمک فناوری‌های جدیدتر به تحقیقات خود ادامه دهند. همچنین، اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش برود، تنها چند سال پس از پایان این برنامه، یک برخورددهنده الکترون-پوزیترون در اواسط دهه ۲۰۴۰ شروع به کار خواهد کرد. به عبارت دیگر، محققان می‌توانند در آینده‌ای نزدیک با فناوری‌های جدیدتری به تحقیقات خود ادامه دهند.
برخی معتقدند سرن قبل از طراحی طرح افسیسی به نظرات و نیازهای جامعه علمی به اندازه کافی توجه نکرده است. همچنین، آن‌ها اشاره دارند که منابع مالی و انسانی که برای بررسی امکان‌پذیری پروژه افسیسی اختصاص داده شده، بیشتر از سرمایه‌گذاری‌هایی است که در زمینه برنامه‌های دیگر مانند تحقیقات در حوزه شتاب‌دهنده‌های پیشرفته صورت گرفته است.
برخی اختلافات مربوط به نحوه تفسیر سند مهمی است که سال ۲۰۲۰ پس از برگزاری گردهمایی در شهر باد هونف آلمان منتشر شد. این گردهمایی توسط کارگروهی که از طرف شورای سرن منصوب شده و ریاست آن بر عهده آبراموویچ بوده، برگزار شد. هدف سمپوزیوم به‌روزرسانی استراتژی فیزیک ذرات اروپا و تعیین آینده سرن بود.
در سند منتشرشده، مواردی شامل بررسی امکان ساخت برخورددهنده هادرونی در سرن بررسی شده بود، با این احتمال که کارخانه هیگز مرحله اول این پروژه باشد. همچنین، بر افزایش تلاش برای توسعه فناوری‌های لازم جهت ساخت شتاب‌دهنده‌های آینده نیز تاکید شده بود.
برخی از پژوهشگرانی که در فرآیند تدوین استراتژی مشارکت داشتند، معتقدند سند منتشرشده به‌گونه‌ای نوشته شده که اجازه دهد طرح‌های جایگزین برای کارخانه هیگز درنظر گرفته شوند و پروژه دو مرحله‌ای افسیسی به‌عنوان اولویت اصلی تعیین نشود. برخی از محققان معتقدند سرن می‌توانست تلاش بیشتری برای بررسی گزینه برخورددهنده خطی انجام دهد و منابع بیشتری را برای توسعه فناوری‌های پیشرفته شتاب‌دهنده‌ها اختصاص دهد.
این سوال با معمایی در مدل استاندارد فیزیک ذرات مرتبط است: چگونه بوزون هیگز تقارن میان دو مورد از سه نیروی بنیادین (یعنی نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف) در مدل استاندارد را می‌شکند. در انرژی‌های بسیار بالا که بلافاصله پس از
وجود داشت، این دو نیرو یکی بودند. اما با کاهش انرژی، این دو نیرو از هم جدا شدند و ویژگی‌های متفاوتی پیدا کردند. بوزون هیگز نقشی کلیدی در این فرآیند دارد و به‌وسیله‌ی آن، تقارن بین این دو نیرو شکسته و باعث می‌شود هریک از نیروها ویژگی‌های خاص خود را پیدا کند.
پس از پیشرفت‌های تحقیقاتی در تکنولوژی‌های لازم، مانند چگونگی ساخت آهنرباهای ابررسانا با قدرت کافی که بتوانند پرتوهای ذرات را هدایت و متمرکز کنند، مرحله دوم برخورددهنده افسیسی ساخته خواهد شد تا ذرات جدید را کشف کند. به عبارت دیگر، برای ساخت مرحله دوم این شتاب‌دهنده، ابتدا باید تکنولوژی‌های مناسب به دست آید تا بتوان از آن برای کشف ذرات جدید استفاده کرد (برخی از فیزیکدانان می‌گویند ذرات جدید می‌توانند شامل اجزای تشکیل‌دهنده ماده تاریک باشند، اما بسیاری از نظریه‌پردازان فکر می‌کنند چنین ذراتی احتمالاً بسیار سبک‌تر از محدوده‌ای هستند که LHC قبلاً جستجو کرده است).
گرچه اکثر فیزیکدانان ذرات معتقدند که داشتن برخورد دهنده افسیسی مفید خواهد بود، هزینه‌های ساخت آن‌ها بسیار بالا است. هنوز برآورد دقیقی از هزینه‌ها وجود ندارد، اما اسناد سرن نشان می‌دهند فقط فاز اول پروژه ممکن است حدود ۱۷ میلیارد دلار هزینه داشته باشد.
برآوردهای ولادیمیر شیلتسف و همکارانش حاکی از آن است که هزینه واقعی پروژه افسیسی بیشتر از پیش‌بینی‌ها است. آن‌ها می‌گویند ۱۷ میلیارد دلار فقط هزینه حداقلی فاز اول است و مجموع دو فاز پروژه می‌تواند حداقل ۳۰ میلیارد دلار هزینه داشته باشد.
محققان چندین طرح دیگر برای برخورددهنده‌های آینده پیشنهاد کرده‌اند. برای مدت طولانی، یکی از مهم‌ترین پیشنهادها برای ساخت «کارخانه هیگز»، برخورددهنده‌ای خطی به نام برخورددهنده خطی بین‌المللی (International Linear Collider) بود. طرح برخورددهنده خطی به‌طور دقیق مورد بررسی قرار گرفت و قرار بود در ژاپن ساخته شود، اما ژاپن پروژه را تایید نکرد.
طرح خطی همچنین می‌تواند نحوه تعامل میان دو ذره هیگز را مطالعه کند. مایکل پسکین، فیزیکدان نظری می‌گوید انجام چنین مطالعه‌ای به‌طور مستقیم در افسیسی امکان‌پذیر نیست و این مطالعه برای درک ماهیت میدان هیگز مهم است. او می‌افزاید ساخت نسخه خطی بهتر است؛ چرا که هم درمورد نحوه ساخت آن به خوبی اطلاع داریم و هم هزینه معقولی دارد و می‌تواند در پایان پروژه برخورددهنده هادرونی بزرگ اجرا شود.
فیزیکدان‌ها می‌گویند گزینه‌های خطی و دایره‌ای هرکدام نقاط قوت و ضعف خود را دارند. حامیان طرح افسیسی می‌گویند تونل خطی پس از انجام وظیفه به‌عنوان کارخانه هیگز دیگر کاربردی نخواهد داشت. اما جنی لیست معتقد است برخلاف نظر حامیان طرح اف‌اف‌سی، برخورددهنده خطی می‌تواند پس از ساخت و استفاده اولیه، با افزایش طول تونل به‌تدریج ارتقا پیدا کند. آبراموویچ با اشاره به هزینه بالای برق کارخانه‌های دایره‌ای می‌گوید دلیلی برای ساخت کارخانه هیگز دایره‌ای به جای کارخانه هیگز خطی وجود ندارد.
برخی محققان بر این باورند که بهتر است به‌جای آنکه پژوهشگران آینده را مجبور کنیم تا سال ۲۰۷۰ فقط مسیر پرهزینه‌ای مانند افسیسی را دنبال کنند، گزینه‌های مختلف را بررسی کنیم؛ چرا که هنوز مشخص نیست آیا افسیسی واقعا ابزار مناسبی برای پاسخگویی به سوالات فیزیکدانان خواهد بود یا خیر.
یوهان شیک، فیزیکدان آکادمی علوم اتریش در وین و عضو شورای سرن می‌گوید بسیار ناعادلانه است که پروژه‌های فیزیک را از حالا بر پژوهشگران نسل آینده تحمیل کنیم. از سوی دیگر، برای بسیاری از فیزیکدان‌ها، یکی از دلایل قانع‌کننده برای حمایت از پروژه افسیسی این است که پروژه یادشده می‌تواند به حمایت از جامعه بزرگ ۱۵ هزار نفری پژوهشگران و کارکنانی که حول آزمایش‌های LHC رشد کرده‌اند، ادامه دهد.
آبراموویچ معتقد است که دلیل اصلی حمایت بسیاری از افراد از مدل برخورددهنده دایره‌ای این است که این نوع برخورددهنده می‌تواند در چهار نقطه مختلف به‌طور همزمان برخورد ایجاد کند. در هر یک از این نقاط، برخورددهنده بزرگی وجود دارد که داده‌های حاصل از آن می‌تواند به همکاری تعداد زیادی فیزیکدان منجر شود. درمقابل، برخورددهنده خطی در هر زمان فقط یک آزمایش را انجام می‌دهد و فیزیکدان کمتری می‌توانند در آن مشارکت داشته باشند.
برخی محققان دراین‌باره نگران هستند که پروژه‌ای مانند افسیسی تا سال ۲۰۷۰ آماده فعالیت نشود و بنابراین ممکن است نتوانند در دوران کاری خود شاهد پیشرفت‌های بزرگ در زمینه انرژی‌های جدید باشند.
برخی معتقدند سرن باید درزمینه‌ی تحقیق و توسعه فناوری‌های پیشرفته شتاب‌دهنده‌ها تلاش کند تا امکان رسیدن به انرژی‌های بالاتر زودتر فراهم شود. بررسی فناوری‌های مغناطیسی برای پروژه افسیسی و همچنین ایده‌های جدید و غیر اثبات‌شده مانند استفاده از میون‌ها (ذراتی که مشابه الکترون‌ها هستند اما سنگین‌تر) برای برخورد از این دست پژوهش‌ها است.
جان وومرسلی پیشنهاد می‌کند مدت زمان فعالیت برخورددهنده هادرونی بزرگ تا سال ۲۰۳۵ کاهش یابد و به جای آن از بودجه‌ای که برای این برخورددهنده اختصاص یافته است، برای توسعه فناوری‌های مرحله دوم پروژه افسیسی استفاده شود.
سخنگوی سرن می‌گوید داده‌های جدیدی که از برخورددهنده هادرونی ارتقایافته به‌دست می‌آید، فرصت خوبی برای پژوهشگران تازه‌کار فراهم می‌کند تا به کمک فناوری‌های جدیدتر به تحقیقات خود ادامه دهند. همچنین، اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش برود، تنها چند سال پس از پایان این برنامه، یک برخورددهنده الکترون-پوزیترون در اواسط دهه ۲۰۴۰ شروع به کار خواهد کرد. به عبارت دیگر، محققان می‌توانند در آینده‌ای نزدیک با فناوری‌های جدیدتری به تحقیقات خود ادامه دهند.
برخی معتقدند سرن قبل از طراحی طرح افسیسی به نظرات و نیازهای جامعه علمی به اندازه کافی توجه نکرده است. همچنین، آن‌ها اشاره دارند که منابع مالی و انسانی که برای بررسی امکان‌پذیری پروژه افسیسی اختصاص داده شده، بیشتر از سرمایه‌گذاری‌هایی است که در زمینه برنامه‌های دیگر مانند تحقیقات در حوزه شتاب‌دهنده‌های پیشرفته صورت گرفته است.
برخی اختلافات مربوط به نحوه تفسیر سند مهمی است که سال ۲۰۲۰ پس از برگزاری گردهمایی در شهر باد هونف آلمان منتشر شد. این گردهمایی توسط کارگروهی که از طرف شورای سرن منصوب شده و ریاست آن بر عهده آبراموویچ بوده، برگزار شد. هدف سمپوزیوم به‌روزرسانی استراتژی فیزیک ذرات اروپا و تعیین آینده سرن بود.
در سند منتشرشده، مواردی شامل بررسی امکان ساخت برخورددهنده هادرونی در سرن بررسی شده بود، با این احتمال که کارخانه هیگز مرحله اول این پروژه باشد. همچنین، بر افزایش تلاش برای توسعه فناوری‌های لازم جهت ساخت شتاب‌دهنده‌های آینده نیز تاکید شده بود.
برخی از پژوهشگرانی که در فرآیند تدوین استراتژی مشارکت داشتند، معتقدند سند منتشرشده به‌گونه‌ای نوشته شده که اجازه دهد طرح‌های جایگزین برای کارخانه هیگز درنظر گرفته شوند و پروژه دو مرحله‌ای افسیسی به‌عنوان اولویت اصلی تعیین نشود. برخی از محققان معتقدند سرن می‌توانست تلاش بیشتری برای بررسی گزینه برخورددهنده خطی انجام دهد و منابع بیشتری را برای توسعه فناوری‌های پیشرفته شتاب‌دهنده‌ها اختصاص دهد.