سیری در دنیای ذرات زیراتمی: آشکارسازهای ذرات چگونه واقعیت پنهان ماده را ثبت می‌کنند؟

آشکارسازهای قدیمی و جدید، مسیرهای گردابی ذرات زیراتمی را ردیابی می‌کنند. در هر لحظه، تعداد غیرقابل تصوری از ذرات زیراتمی در بدن ما رفت و آمد می‌کنند. در هر ثانیه، حدود ۱۰۰ میلیارد نوترینو که از خورشید آمده‌اند، از درون بدن ما عبور می‌کنند و ما در دنیای غرق در میون‌ها متولد می‌شویم. حتی میو‌ه‌ها مانند موز نیز پوزیترون، همتای پادماده الکترون، ساطع می‌کنند. یک جهان کامل از ذرات وجود دارد و ما عمدتا به این دلیل که ذرات نامرئی هستند، از آن‌ها غافل می‌شویم.

برای درک واقعی ماده در اساسی‌ترین سطح آن، مردم باید بتوانند این جهان پنهان را تجسم کنند. اینجا همان مرحله‌ای است که آشکارسازهای ذرات وارد می‌شوند. آن‌ها آثار کوچکترین اجزای جهان را تشخیص می‌دهند و مفاهیم غیرقابل درک دنیای ذرات را برای ما ملموس می‌کنند. علاوه بر این، آشکارسازهای ذرات در حقیقت زیبایی را آشکار می‌کنند: ذرات مارپیچ‌های زیبایی از حباب‌ها، بارقه‌های نور و خطوط جرقه را پشت سر می‌گذارند.

وقتی ذره‌ای درون یک ماده حرکت می‌کند، ردپایی از خودش به جای می‌گذارد که می‌توان بدین ترتیب مسیر آن را ردیابی کرد. این ردپا انواع مختلفی دارد: نور، گرما و یا بار الکتریکی. «جنیفر راف»، فیزیکدان ذرات از آزمایشگاه فرمی‌لب در Batavia می‌گوید: «اساسا هر آشکارسازی در دنیا به دنبال یکی از این سه نوع ردپا است.» چنین سیگنال‌هایی به آشکارسازی مدل استاندارد کمک کردند و موفقیتی برجسته در علم ذرات و توصیف نیروهای بنیادی میان آن‌ها را رقم زدند. همچنین احتمال می‌رود آشکارسازها بتوانند در کشف فیزیک فراتر از مدل استاندارد به دانشمندان کمک کنند.

با گذشت زمان، فناوری‌های تشخیص ذرات بسیار پیشرفت کرده‌اند. اکنون تعداد زیادی آشکارساز وجود دارد که نادیدنی‌ها را برای ما به ذراتی دیدنی تبدیل کرده است.

بواسطه یک ابر

یکی از اولین روش‌هایی که دانشمندان به کمک آن توانستند مسیر حرکت ذرات را دنبال کنند، استفاده از اتاقک ابر است. اتاقک‌های ابر که پیش از یک قرن پیش اختراع شده‌اند، با گاز –غالبا بخار الکل- در آستانه تبدیل شدن به مایع پر می‌شوند. هنگامی که یک ذره باردار از درون اتاقک عبور می‌کند، الکترون‌ها را از هوای داخل اتاقک جدا می‌کند و با ایجاد بار الکتریکی سبب تراکم می‌شود. بدین صورت یک خط باریک در امتداد مسیر ذره شکل می‌گیرد.

دانشمندان اغلب اتاقک ابر و یا سایر آشکارسازها را با میدان مغناطیسی قوی احاطه می‌کنند. این میدان مغناطیسی سبب می‌شود مسیر ذرات به صورت منحنی و یا مارپیچ باشد. جهات انحنای ذرات باردار مثبت و منفی عکس یکدیگر است. جزئیات دیگر ذره، نوع مسیر آن را با جزئیات بیشتری مشخص می‌کند. برای مثال میزان انحنا، نشان‌دهنده میزان تکانه ذره است.

اتاقک ابر مسیر حرکت انواع مختلف ذرات ناشناخته از جمله پوزیترون و میون، بستگان الکترون را در دهه ۱۹۳۰ نشان داد. مشاهده مسیر حرکت این ذرات عمدتا به صورت اتفاقی رخ داد. در آن زمان، فیزیکدانان چندان اعتقادی به حضور ذراتی به جز الکترون و پروتون در عالم نداشتند. ساختار اتاقک ابر به اندازه‌ای ساده است که می‌توانید با استفاده الکل و یخ خشک، آن را در منزل خود بسازید.

ردپای حبابی

دهه ۱۹۵۰ تماما مرتبط با اتاقک‌های حبابی بود. هنگامی که ذرات باردار از مایع درون اتاقک حبابی عبور می‌کنند، حباب‌های کوچکی از جنس بخار به عنوان ردپا از خود به جای می‌گذارند. این حباب‌ها همانند گوی‌های رنگین کمانی هستند که هنگام استفاده از صابون تولید می‌شوند. اگرچه اتاقک‌ها معمولا با هیدروژن مایع پر شده‌اند، اما می‌توان از انواع دیگر مایعات نیز استفاده کرد.

اتاقک‌های حبابی را می‌توان در ابعاد بزرگتری نسبت به اتاقک ابر ساخت و در نتیجه مسیرهای واضح‌تری از حرکات ذرات را مشاهده کرد. بدین ترتیب امکان مشاهده ذرات بیشتر با جزئیات بهتر، فراهم می‌شود.

در همان دهه، شتاب‌دهنده‌های ذرات روی کار آمدند. این شتاب‌دهنده‌ها پرتوهای پرانرژی ذرات را تولید می‌کنند و دانشمندان آن‌ها را با ذرات دیگر و یا اهداف از پیش تعیین شده، برخورد می‌دهند. این برخوردها موجی از ذرات جدید را بوجود می‌آورند. دانشمندان این پرتوها را به اتاقک حباب منتقل کردند تا ببینند که دقیقا چه اتفاقی افتاده است.

تصاویر بدست آمده نه تنها از نظر علمی نکات بسیاری را آشکار کردند، بلکه خیره کننده نیز بودند: اگر راف قصد داشته باشد یک تتو روی بدن خود بزند، احتمالا طرح اتاقک حباب را خواهد زد.

دیجیتالی شدن

اتاقک‌های ابر و حباب دارای یک اشکال بودند. مسیر حرکت ذرات معمولا به وسیله عکس گرفتن از آن ثبت می‌شد و هرکدام از آن‌ها باید با چشم غیرمسلح مورد بررسی قرار می‌گرفت. این روند بسیار کند بود و به همین علت، فیزیکدانان را از کشف ذراتی که ممکن است تنها در یک یا دو تصویر از بی‌شمار عکس موجود حضور داشته باشند، باز می‌داشت. برای یافتن کمیاب‌ترین ذرات، «سم زلر»، فیزیکدان ذرات در فرمی‌لب می‌گوید: «شما واقعا نمی‌توانید به تصاویر نگاه کنید. شما می‌خواهید این اطلاعات را به شیوه‌ای هوشمند و به صورت دیجیتالی انجام دهید.»

وارد محفظه‌ای با چندین سیم شوید. این فناوری که در سال ۱۹۶۸ اختراع شد، به مجموعه‌ای از سیم‌های ولتاژ بالا متکی است که بارهای تولید شده به هنگام ورود الکترون‌های رانده شده از اتم در یک اتاقک پر از گاز را ثبت می‌کند. این تکنیک می‌تواند در هر ثانیه مسیر حرکت میلیون‌ها ذره را ضبط کند. این رقم بسیار بیشتر از میزان ثبت اتاقک حباب است. داده‌های این رخداد به صورت مستقیم وارد کامپیوتر می‌شوند و تحت آنالیز قرار می‌گیرند. اتاقک‌های چندسیمی و نسل‌های بعد از آن‌ها انقلابی در فیزیک ذرات ایجاد کردند و منجر به کشف ذراتی مانند کوارک و گلوئون در دهه ۱۹۷۰ و بوزون‌های W و Z در دهه ۱۹۸۰ شدند.

پیشینه برخی از پیشرفته‌ترین آشکارسازهای امروزی به اتاق‌های چند سیم بازمی‌گردد. آشکارسازهای جدید دارای وضوح بالایی هستند، به این معنا که محققان می‌توانند روی جزئیات یک برخورد بزرگنمایی کرده و آن را به صورت سه بعدی تجسم کنند. اتاقک‌های تخمین زمانی مایع آرگون، اساس و پایه یکی از بزرگترین آزمایشات فیزیک ذرات در آینده در ایالات متحده، آزمایش نوترینو در اعماق زمین در داکوتای جنوبی خواهند بود. از آنجا که نوترینوها به ندرت با ماده تعامل می‌کنند، برای انجام این آزمایش به چنین تکنیک‌های پیشرفته‌ای نیاز است.

تاباندن یک چراغ

علاوه بر موارد ذکر شده، دانشمندان روش‌هایی برای تشخیص مسیر ذرات از طریق نور نیز ابداع کرده‌اند. هنگامی که یک ذره با سرعتی بیشتر از حد مشخص شده از درون یک ماده عبور می‌کند، نوری از خود ساطع می‌کند که به نور Cherenkov معروف است. این حالت را می‌توان با عبور یک هواپیما از سد سرعت مقایسه کرد که باعث شکستن دیوار صوتی می‌شود. ذرات باردار همچنین می‌توانند هنگام عبور از موادی که دارای خاصیت شیمیایی هستند، نور ساطع کنند که به آن جرقه زننده می‌گویند.

برای تشخیص مقدار نوری که ذرات از خود ساطع می‌کنند، دانشمندان از کانال‌های تکثیرکننده نور استفاده می‌کنند که در اصل در دهه ۱۹۳۰ اختراع شد. در این دستگاه نور به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شود. از این کانال‌ها می‌توان برای تقویت نور Cherenkov و یا نور جرقه زننده استفاده کرد.

آشکارسازهای جرقه زننده ارزش خود را در سال ۱۹۵۶، هنگامی که از مخزن جرقه زننده مایع برای کشف نوترینو استفاده شد –قبلا تصور می‌شد کاملا غیرقابل تشخیص است- اثبات کرد. آشکارسازهای مایع هنوز رایج هستند – به عنوان مثال در آزمایش نوترینو NOvA در فرمی‌لب.

جمع‌بندی

آشکارسازهای مدرن در برخورد دهنده‎‌های بزرگ ذرات، همانند آشکارساز «برخورددهنده هادرونی بزرگ» در سرن نزدیک ژنو، تقریبا همه چیز را با یکدیگر برخورد می‌دهند. راف می‌گوید: «این آشکارساز همانند یک پیاز میان آشکارسازهای دیگر است. هر لایه از آن چیزهای متفاوتی را در برمی‌گیرد.»

این ماشین‌های عظیم‌الجثه که چندین طبقه طول دارند، مجموعه‌ای از فناوری‌های مختلف را دربرمی‌گیرند: آشکارسازهای جرقه زننده پلاستیکی، آشکارسازهای Cherenkov و نسل‌های بعدی اتاقک‌های چند سیم. این ماشین‌ها همچنین به‌طور معمول شامل آشکارسازهای ساخته شده از سیلیکون هستند که می‌توانند مسیرهای ذرات را بر اساس جریان‌های الکتریکی ناچیز ایجاد شده هنگام عبور ذرات، اندازه‌گیری کنند. همه این آشکارسازها تحت نیروی یک آهنربای قوی به صورت هماهنگ کار می‌کنند. پس از برخورد ذرات در مرکز آشکارساز با یکدیگر، کامپیوتر داده‌های تمام قسمت‌ها را دسته‌بندی کرده و آنچه را که در برخورد رخ داده است، بازسازی می‌کند. در نهایت مسیری که ذرات طی کرده‌اند تا با یکدیگر برخورد داشته باشند، ترسیم می‌شود.

فارغ از تکنیک مورد استفاده، الگوهای محسورکننده ذرات زیراتمی این اجازه را به فیزیکدانان می‌دهد که ساختار بنیادی ماده را رمزگشایی کنند و همچنین از اجزای تشکیل‌دهنده و نیروهایی که با آن در ارتباط هستند نیز، پرده‌برداری کنند. زلر می‌گوید: «بسیار شگفت‌انگیز است که می‌توانیم نامرئی‌ها را ببینیم.»