به سوی ناشناخته‌ها

هزاران فیزیک‌دان در پیچیده‌ترین آزمایشگاه جهان دست‌به‌دست هم داده‌اند تا راهی به فراسوی مدل استاندارد بیابند

ما از چه ساخته شده‌ایم؟ در بنیادی‌ترین سطح می‌توان این پرسش را به شکل جهان از چه سخته شده نیز مطرح کرد. در حال حاضر بهترین پاسخ ما به این پرسش خیال‌انگیز مدل استاندارد فیزیک ذرات است.  بر اساس مدل استاندارد، تمام ماده موجود در جهان، شامل کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیاره‌ها و حتا خود شما، از 25 ذره بنیادی ساخته شده است. بسط مدل استاندارد در دهه 1960آغاز شد و بیشتر بخش‌های آن تا پایان دهه 1970 به انجام رسید. جدا از فرمیون‌ها و بوزون‌های پیمانه‌ای تنها یک ذره دیگر در مدل استاندارد وجود دارد: بوزون هیگز، ذره‌ای که به سایر ذره‌های بنیادی جرم می‌دهد.

 بوزون هیگز آخرین ذره بنیادی بود که باید کشف می‌شد. با این حال این ذره در اوایل دهه 1960 به صورت مستقل از هم توسط چند پژوهشگر پیشنهاد شد. پس از نزدیک به نیم‌قرن تعقیب و گریز  سرانجام فیزیک‌دانان این ذره گریزپا را در سال 2012 در «برخورددهنده هادرونی بزرگ» (LHC)، بزرگ‌ترین و بافاصله پرقدرت‌ترین شتاب‌دهنده ذرات جهان، شکار کردند. به گفته پروفسور یحیی تلعیاتی، فیزیک‌دان دانشگاه محمد الخامس در رباط، مراکش که نزدیک به دو دهه است با پروژه LHC همکار می‌کند، «این شتاب‌دهنده پرقدرت، با کوبیدن پروتون‌ها در انرژی‌ و فروزندگی بالا این امکان را به وجود می‌آورد که بتوان ماده را در مقیاس‌های جدیدی کاوش کرد و تمامی جنبه‌های مدل استاندارد را آزمود.» با کشف بوزون هیگز آخرین قطعه کلیدی گم‌شده از پازل مدل استاندارد در جای خودش قرار گرفت.

***

در طول این سال‌های پیروزمندانه برای فیزیک ذرات، پژوهشگران دیگر حوزه‌های فیزیک نیز بخت شان را در یافتن بنیاد‌های واقعیت آزمودند. در دهه 1930، اخترفیزیک‌دانان دریافتند که خوشه‌های کهکشانی بیش از آن جرم دارند که بتوان به تمام ماده مرئی موجود در آنها نسبت داد. ظاهرا برای تبیین این مشاهدات به نوع جدید از «ماده تاریک» نیاز داشت. از زمان تاکنون شواهد مربوط به ماده تاریک به حدی رسیده است که اکنون دیگر هیچ‌کس در وجود آن تردیدی ندارد. با این حال، هنوز هیچ کس نمی‌داند ماده تاریک از چه ساخته شده‌ است. اخترفیزیک‌دانان می‌گویند این نوعی از ذره است که هیچ برهم‌کنشی با ماده معمولی ندارد، یک ذره اسرارآمیز که نور را نه جذب می‌کند و نه نشر می‌دهد. با این حال حقیقت هولناک این است که فراوانی ماده تاریک در جهان پنج برابر ماده مرئی است.

در سال 1998، کیهان‌شناسان در کمال شگفتی کشف کردند که آهنگ انبساط جهان فزاینده است. آنها می‌توانند به شکل ریاضیاتی نشان دهند که این عامل شتاب‌دهنده موسوم به «انرژی تاریک» چیزی جز انرژی حمل‌شده توسط فضای تهی نیست. غیر از این، یک چیز دیگر هم در مورد انرژی تاریک هست که نسبت به آن اطمینان داریم: 68 درصد از کل محتوای جرم-انرژی جهان از انرژی تاریک تشکیل شده است. به بیان دیگر ما در جهانی زندگی می‌کنیم که ترکیبش 68 درصد انرژی تاریک، 27 درصد ماده تاریک و تنها 5 درصد ماده متعارف است. تمام دانش ما درباره اجزای سازنده ماده (مدل استاندارد) به همین 5 درصد ماده متعارف محدود است.

مدل استاندارد، با وجود موفقیت‌های عظیمش، پرسش‌های بنیادی متعددی را بی‌پاسخ گذاشته است. به گفته تیعلاتی «یک مشکل عمده مدل استاندارد به منشأ ماده تاریک و انرژی تاریک برمی‌گردد، جوهرهایی که نزدیک به 95 درصد چگالی جهان را تشکیل می‌دهند. این‌ها به‌کلی تبیین‌نشده باقی مانده‌اند و مدل استاندرد از ارائه گزینه موفقی که بتواند فراوانی مشاهده‌شده در مورد ماده تاریک را توضیح دهد عاجز است.» با این حال این تنها مشکل مدل استاندارد نیست. یکی از بنیادی‌ترین پرسش‌های حل‌نشده توسط این مدل، برهم‌کنش گرانشی است که در تبیین این مدل از برهم‌کنش‌های بنیادی به‌کلی مغفول مانده است. به گفته او «تمام اینها و بحث‌های فراوان دیگر حکایت از آن دارد که این مدل صرفا یک نظریه به‌دردبخور از مدلی بنیادی‌تر است که تنها در انرژی‌های بالاتر خودش را نشان می‌دهد.»

***

مشارکت تیعلاتی در ATlAS، بزرگ‌ترین آزمایشگاه همه‌منظوره آشکارساز ذرات در LHC، به روزهای ابتدایی این پروژه بر‌می‌گردد. او بیست سال از عمر حرفه‌ای‌اش را در ATLAS گذرانده است و در موضوعات بسیاری از پروژه‌های سخت‌افزاری و گرداندن آشکارساز گرفته تا توسعه نرم‌افزاری و تحلیل و اندازه‌گیری‌های فیزیکی دخیل بوده است. نخستین فعالیت او در ATLAS در زمینه تجهیزات «پیش‌نمونه‌بردار آرگون مایع» بود. او در تمام مراحل ساخت، راه‌اندازی و گرداندن این زیرمجموعه آزمایشگاه ATLAS مشارکت داشت. این تجهیزات پیش‌نمونه‌بردار که برای آشکارسازی فوتون‌ها و الکترون‌ها به‌کار می‌رود، بسیار کارآمد از کار در آمد و اکنون در بسیاری از اندازه‌گیری‌های فیزیکی ATLAS به شکل گسترده‌ای از آن استفاده می‌شود.

یکی از دستاوردهای اخیر تیعلاتی و همکارانش در گروه همکاری ATLAS، مشاهده فرایند «پراکندگی نور با نور» است که برای نخستین بار در سال 2019 انجام شد. این فرایند در الکترودینامیک کلاسیک به‌کلی ممنوع است اما در الکترودینامیک کوانتومی ظاهر می‌شود. پراکندگی نور با نور فرایند بی‌نهایت نادری است و به همین علت اندازه‌گیری‌اش بسیار دشوار و تقریبا دست‌نیافتنی است. بسیاری از کوشش‌های قبلی در این زمینه که با تجهیزاتی غیر از LHC انجام شد ناکام بوده‌اند.

  با توجه به برخوردهای یون-سنگین پرانرژی فرامحیطی که در LHC انجام می‌شود، احتمال رخداد این فرایند در این آزمایشگاه بالا بود و پژوهشگران متوجه فرصت فوق‌العاده‌ای برای مشاهده آن شدند. آنها امیدوار بودند که سیگنال گویای این فرایند را در حالت نهایی با یک توپولوژی ساده متشکل از دو فوتون پراکنده و یون‌های سنگینی که از برخوردها می‌گریزند، مشاهده کنند. در نهایت تیعلاتی و همکارانش با استفاده از داده‌های جمع آوری شده توسط ATLAS، 59 رویداد را گزارش کردند و این در حالی بود که انتظار داشتند تنها 12 رویداد را ثبت کنند. نتایج یافته‌های آنها به عنوان نخستین مشاهده قطعی پراکندگی نور بانور در فوتون‌ها تلقی شد.

آنها همچنین احتمال این فرایند را نیز اندازه‌گیری کردند و مقداری که به دست آوردند کاملا به پیش‌بینی‌های نظری نزدیک است. در واقع این دستاورد نمایش واضحی بود از عملکرد بی‌عیب‌ونقص LHC به عنوان یک برخورددهنده فوتونی. چیزی که این فرایند را بسیار جالب می‌کند این حقیقت است که فوتون‌های پراکنده می‌توانند با هر نوع ذره جدیدی جفت شوند و مسیر بسیار امیدوارکننده‌ای را برای کاوش فیزیک فراسوی مدل استاندارد پیش روی پژوهشگران قرار ‌دهند. به گفته تیعلاتی «هدف ما در ATLAS برای کاوش در زمینه پراکندگی نور با نور جست‌وجوی ذره‌های اکسیون-مانند است که گزینه بسیار خوبی برای ماده تاریک هستند. پژوهش اخیر ما سفت‌وسخت‌‌ترین محدودیت‌هایی که تاکنو در زمینه تولید ذره‌های اکسیون-مانند وضع شده را ارائه کرده است.»

***

پرسش بنیادی دیگری که مدل استاندارد بی‌پاسخ گذاشته در مورد جرم ذره‌های نوترینو است. فارغ از ویژگی‌های بی‌همتای‌شان، چیزی که نوترینوها را به ذره مورد پسند بسیاری از فیزیک‌دانان تبدیل می‌کند و تیعلاتی هم از این قاعده مستثنی نیست، معانی ضمنی نوترینوها در کیهان‌شناسی و اخترفیزیک است. نوترینوها پیام‌آورانی هستنده که اطلاعات مربوط به دوران آغازین جهان را انتقال می‌دهند. آشکارسازی این مسافران دیرپا می‌تواند به درک ما از تکامل جهان کمک کند. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های به دست آمده از تلسکوپ‌های نوترونی در کنار آشکارسازی موج‌های گرانشی و فوتون‌ها منجر به آغاز عصر جدیدی از اخترفیزیک چندپیامه‌ای در سال‌های اخیر شده است.

تیعلاتی زندگی حرفه‌ای‌اش را به عنوان یک فیزیک‌دان تجربی فیزیک انرژی بالا با مدرک دکتری از دانشگاه محمد الاول در شهر وجده در مراکش آغاز کرد. در آن زمان او راه‌حلی برای یکی از مسأله‌های اساسی در زمینه فیزیک نوترینوها پیشنهاد کرده بود؛ مسأله کمبود مشاهده‌‌شده در نوترینوهایی که از خورشید به زمین می‌رسند. بعدها او پژوهش در زمینه فیزیک نوترینو را با مشارکت در پروژه ANTARES دنبال کرد، یک آشکارساز تنوترینو در عمق 5/2 کیلومتری زیر دریای مدیترانه قرار دارد. به گفته او «من در آماده‌سازی اولیه و استقرار تلسکوپ ANTARES نقش داشتم.» به لطف کوشش‌های او مراکش در سال 2011 رسما به این مشارکت بین‌المللی پیوست. از آن زمان چندین دانشجو با پروژه ANTARES فارغ‌التحصیل شدند. به گفته او «من نماینده گروه فیزیک غیرعادی بودم و همراه با دانشجوهای مراکشی محکم‌ترین محدودیت‌های تجربی در مورد وجود تک‌قطبی‌های مغناطیسی را به دست آوردیم.»

در سال‌های اخیر، تیعلاتی همکاری جدیدی را با پروژه KM3NeT آغاز کرده است، زیرساخت پژوهشی بزرگی که با استفاده از فناوری و دانش به دست آمده از همتای سابقش، ANTARES، در حال ساخت است. به گفته تیعلاتی «سه دانشگاه در مراکش را متقاعد کردم که به این کوشش بین‌المللی بپیوندند و یک هسته اخترذرات در مراکش به وجود آورند.» تشکیل این هسته منجر به آغاز به کار پروژه پایلوت M1 به منظور ایجاد و اجرای خط تولید ماژول‌های نوری برای تلسکوپ نوترینوی KM3NeT در مراکش شد.

***

پیش از نخستین دور فعالیت LHC، فیزیک‌دانان امیدوار بودند این ماشین خیال‌انگیز بتواند سرنخ‌هایی از آنچه فراسوی مدل استاندارد قرار دارد را نشان دهد. با این حال تا به امروز همه چیز همچنان استاندارد به نظر می‌رسد. تیعلاتی باور دارد رویدادهای فراسوی مدل استاندارد بسیار نادرند و بنابراین ایزوله کردن و بررسی این رویدادها به حجم بسیار عظیمی از داده‌ها نیاز دارد.

به گفته او «تا اینجای کار، ما تنها 10 درصد داده‌های برنامه‌ریزی شده برای پروژه LHC را جمع‌آوری کرده‌ایم؛ البته همین مقدار هم برای رد یا محدود کردن بسیاری از مدل‌های نظری هیجان‌انگیزی که مدعی فیزیک فراسوی مدل استاندارد هستند کافی بود. برای مثال برخی نسخه‌های ابرتقارن به‌کار رفته در نظریه ریسمان دیگر پذیرفتنی نیستند.» با این حال او معتقد است هنوز برای قضاوت در این باره زود است و باید منتظر دوره‌های بعدی فعالیت LHC باشیم.

تیعلاتی باور دارد سدشکنی واقعی در حوزه پژوهش او «آشکارسازی سیگنالی خواهد بود که بتوان آن را به عنوان گزینه ماده تاریک یا گراویتون تفسیر کرد. چنین کشفی چالش عظیمی را پیش روی فیزیک‌دانان تجربی و نظری برای تایید و تفسیرش در قالب یک مدل جهان‌شمول قرار می‌دهد.»