کلی اوکس ـ پریروز، عمر ۲۶ساله شتاب‌دهنده حلقوی تواترون، وابسته به آزمایشگاه فرمی‌لب ایالات متحده به خاموشی گرایید. این پایان چندان جذابیت خاصی هم نداشت: اپراتورهای شتاب‌دهنده فقط تزریق پروتون‌ها را به حلقه تواترون متوقف کردند و همان چندین پروتون حاضر در حلقه هم آنقدر حرکت‌شان را با همان انرژی پایه پی گرفتند تا بالاخره تعداد برخوردهای‌شان در هر ثانیه به حد ناکارآمدی رسید و پس از آن هم پروتون‌های بازمانده با برخورد به یک مانع فلزی، متفرق شدند و هیاهوی خاموش تواترون، فرونشست. این فرآیند البته بارها به‌هنگام بازنشستگی‌های موقت و سالانه شتاب‌دهنده هم انجام می‌شد، اما این دفعه دیگر امکان بازگشتی در کار نخواهد بود.
تا پایان ماه دسامبر سال میلادی جاری، هزاران آهن‌ربای ابررسانا که گرداگرد حلقه شتاب‌دهنده را در برگرفته‌اند هم از سرمایی با دمای نزدیک به صفر مطلق رها می‌شوند و دیگر اجزای تواترون نیز از ذخیره گاز و سیالات حیاتی خود تهی و اوراق می‌شوند. این‌ها همان پایان نه‌چندان خوش ۲۶ سال شلیک مداوم ذرات در این تأسیسات و گسستن بنیان‌های سازنده‌شان به نام دانش است.
از همان زمانی‌که نخستین آهن‌رباها مستقر شدند، تا واپسین برخوردهای زیراتمی این شتاب‌دهنده، تواترون همواره به‌عنوان یک اعجاز مهندسی و سرچشمه‌ای از داده‌های تازه به‌عنوان بستری برای تأمل فیزیکدانان جهان بوده است. حتی پس از بازنشستگی‌اش هم مسئولان دو آزمایش CDF و DZero، به تجزیه و تحلیل داده‌های تواترون ادامه داده‌اند و طی روزهایی پرمشغله‌تر از حتی زمان فعالیت این شتاب‌دهنده، تا دوسال آینده و پیش از انتشار نتایج پایانی، به کار روی آن‌ها خواهند پرداخت. مسئولان فرمی‌لب به افتخار این بازنشستگی، تاریخ‌نگار جذابی از عمر تواترون تهیه کرده‌اند.
مارس ۱۹۹۵
درست قبل از دهمین سالگرد نخستین برخوردهای پروتون-پروتونی صورت‌پذیرفته در حسگر CDF، دانشمندانی که به کار روی داده‌های حسگرهای DZero و CDF مشغول بودند، اقدام به انتشار سلسله‌مقالاتی در مجلات معتبر فیزیک جهان کردند و خبر از کشف ذره جدیدی دادند: کوارک سر (top quark). جزئیات این کشف، طی سمیناری در محل فرمی‌لب و همچنین در قالب خبری در وب‌سایت این مؤسسه به جهان دانش عرضه شد.
فیزیکدانان، با باور به اینکه کوارک‌ها همیشه به‌شکل جفت حاضر می‌شوند، از زمان کشف “کوارک ته” (bottom quark) در سال ۱۹۹۷- و از قضا بازهم توسط فرمی‌لب- درصدد کشف کوارک سر برآمده بودند. حسگر CDF، نشانه‌هایی از این ذره را در سال ۱۹۹۴ گزارش کرده بود، اما داده‌های کافی برای اعلام قطعی وجود این ذره را در اختیار دانشمندان قرار نداده بود. تنها نیاز به یک سری دیگر از داده‌ها حس می‌شد و حسگر DZero، حین انجام پژوهش‌های مستقل خود، سیگنال آشکاری از کوارک‌های سر را به ثبت رسانید و هر دو گروه از دانشمندان، مطمئن شدند این ذره را پیدا کرده‌اند.
کوارک سر با اختلافی فاحش از رقبایش، سنگین‌ترین ذره زیراتمی است که تاکنون وجودش به تایید رسیده است. حدود یکصدهزار بار نیز سنگین‌تر از سبک‌ترین کوارک- یعنی “کوارک بالا” (up quark)- به‌شمار می‌رود و جرمش تقریباً معادل یک اتم طلاست، هرچند که ابعادش از آن کوچک‌تر است. جرم بالای کوارک سر هم علت تعویق کشف آن بوده است. چراکه هرچه ذره‌ای سنگین‌تر باشد، انرژی بیشتری هم برای تولید آن در شتاب‌دهنده نیاز است. تا پیش از احداث “ابرتصادم‌گر هادرونی” (LHC)، تواترون تنها شتاب‌دهنده فعال در جهان بود که امکان دسترسی به انرژی‌هایی در حدود تولید کوارک سر را داشت.
برای تولید یک کوارک سر، باید دو پروتون را با جهات مخالف و با سرعتی در حدود سرعت نور به‌هم زد. برخی اوقات همین برای تولید کوارک سر کافی است که در جریان آن البته یک پادکوارک سر هم خواهید داشت. این دو جفت ذره، دوام چندانی ندارند و ظرف کسری از ثانیه به ذرات ریزتر تجزیه می‌شوند. زنجیره این واپاشی‌های متوالی، به تولید باغ وحشی از ذرات زیراتمی منجر می‌شود که فیزیکدانان از آن به‌عنوان “فواره” یاد می‌کنند. کشف امضای یک کوارک سر در آشفته‌بازار داده‌های ناشی از این برخورد، تقریباً امکان‌پذیر نیست، آن‌هم با توجه به ظرف زمانی کوتاه تداوم این ذرات. از این‌رو فیزیکدانان توجه‌شان را معطوف به ماهیت ذرات ثانویه می‌کنند. یک جفت کوارک سر و پادکوارک سر، به دو “W بوزون” (ذراتی که میانجی‌گر برقراری نیروی ضعیف هسته‌ای‌اند) و دو کوارک ته (که همدم فوق‌العاده سبک‌تر کوارک سر است) تجزیه می‌شوند. بعد از آن نوبت به واپاشی یکی از W بوزون‌ها به یک “موئون” و یک جفت نوترینو، و دیگری به یک کوارک بالا و یک کوارک پایین (down quark) می‌رسد. بعد از آن کوارک‌های بالا و پایین به فواره تجزیه می‌شوند که تا به آن‌هنگام، کوارک‌های ته هم به همین سرنوشت دچار شده‌اند. از این‌رو امضایی که برای کشف یک کوارک سر بدان نیازمندیم از این قرار است: یک موئون، یک نوترینو و چهار فواره.
دو حسگر CDF و DZero، هرکدام‌شان حدود ده جفت کوارک سر و پادکوارک سر را کشف کردند که همین برای کسب اطمینان از اینکه ذرات مشاهده‌شده، صرفاً شبیه به کوارک سر نیستند و در واقع خودشان هستند، کفایت می‌کرد. دانشمندان تواترون، طی سال‌های پس از این کشف تعیین‌کننده، موفق به تعیین جرم کوارک سر با تقریب فوق‌العاده دقیقی شدند. این محاسبات، نه‌تنها به استحکام دانش فعلی ما در قالب مدل استاندارد ذرات بنیادی یاری رساند، بلکه تصورات‌مان را راجع به ذره “هیگز بوزون” هم اندکی تغییر داد؛ یعنی تنها ذره تحت تعقیب باقیمانده در قالب مدل استاندارد. حالا که تواترون بازنشسته شده است، نوبت به LHC رسیده تا شکار هیگز بوزون را در اولویت اهداف خودش قرار دهد.
منبع: Scientific American
در همین زمینه:
توضیح تصویر:
عکس پایین: تزریق‌گر اصلی پروتون‌های به تونل اصلی شتاب‌دهنده تواترون/ منبع: Peter Ginter/Science Faction/Corbis
عکس بالا: دورنمای تونل اصلی شتاب‌دهنده تواترون/ منبع: Fermilab, Reidar Hahn