دانشمندان جستجوی ذرات مرموز «شبح» را در تونل‌های زیرزمینی سرن آغاز کردند

برای این کار به طور ویژه آزمایشی زیرزمینی برای یافتن شواهدی از ذرات «شبح» طراحی شده و در دست اجرا قرار گرفته است. ابزار‌ دستگاه شناسایی جدید هزار برابر بیشتر از دستگاه‌های قبلی به چنین ذراتی حساس خواهد بود.

اما این ذرات شبح‌گون چیستند و چرا رویکرد جدیدی برای شناسایی آنها لازم بود؟

نظریه فعلی فیزیک ذرات «مدل استاندارد» نامیده می‌شود. این نظریه می‌گوید که همه چیز در کیهان از خانواده‌ای متشکل از ۱۷ ذره شامل ذره‌های شناخته‌شده مانند الکترون و بوزون هیگز و همچنین ذرات کمتر شناخته‌شده نظیر کوارک افسون، تاو نوترینو و گلوئون است.

برخی از این ذرات در ترکیب‌های مختلف با هم مخلوط می‌شوند تا ذرات بزرگ‌تر را، که سازنده دنیای اطراف ما و همچنین ستارگان و کهکشان‌های فضا هستند، تشکیل دهند. در این میان اما یک مشکل وجود دارد: اخترشناسان متوجه چیزهایی در کیهان شده‌اند (برای مثال نحوه حرکت کهکشان‌ها) که قویاً نشان می‌دهد تمام آنچه ما می‌توانیم مشاهده کنیم فقط ۵ درصد کیهان را تشکیل می‌دهد.

بنابر نقشه تهیه‌شده توسط اخترشناسان، کیهان در مجموع از ۲۶ درصد ماده تاریک، ۶۹ درصد انرژی تاریک و ۵ درصد ماده عادی تشکیل شده است. بقیه آنچه در کیهان است می‌تواند از ذرات «شبح» یا «پنهان» تشکیل شده باشد. تصور می‌شود که آن‌ها همزاد‌های شبح‌گون ۱۷ ذره مدل استاندارد باشند.

اگر آنها وجود داشته باشند، تشخیص‌شان واقعا سخت است زیرا به ندرت با دنیایی که ما می‌شناسیم تعامل دارند. آنها مانند ارواح مستقیماً از همه چیز عبور می‌کنند و توسط هیچ ابزار زمینی قابل شناسایی نیستند. 

با این حال یک تئوری جدید می‌گوید که ذرات شبح گاهی به ندرت می‌توانند به ذرات مدل استاندارد تجزیه شوند و این ذرات توسط آشکارسازها قابل شناسایی هستند. ابزار جدید با افزایش بسیار زیاد تعداد برخوردها، شانس تشخیص این فروپاشی‌ها را افزایش می‌دهد.

بیشتر آزمایش‌های کنونی ذرات با یکدیگر برخورد داده می‌شوند، اما در آزمایش جدید یک ابزارک آنها را به یک بلوک بزرگ از مواد شلیک می‌کند. این بدان معنی است که نه فقط بعضی ذرات، بلکه همه آنها به قطعات کوچکتر خرد می‌شوند.

پروفسور آندری گولووین از امپریال کالج لندن و رئیس کل این پروژه، می‌گوید که این آزمایش «عصر جدیدی را در جستجوی ذرات پنهان نشان می‌دهد.»

او اضافه کرد: «این آزمایش امکان منحصربه‌فردی برای حل چندین مشکل عمده فیزیک ذرات دارد و ما چشم‌انداز کشف ذراتی را داریم که قبلاً هرگز دیده نشده‌اند.»

شکار ذرات شبح نیاز به تجهیزات ویژه‌ای دارد. با آزمایش های معمولی با استفاده از برخورد دهنده بزرگ هادرونی می‌توان ذرات جدید را تا فاصله یک متری از برخورد تشخیص داد. اما ذرات شبح می‌توانند نامرئی باقی بمانند و قبل از اینکه متلاشی شوند و خود را نشان دهند، چند ده متر یا حتی صدها متر را طی کنند. بنابراین آشکارسازهای دستگاه فرصت بیشتری برای شناسایی این ذرات دارند.

پروفسور میتش پاتل از امپریال کالج با توصیف این رویکرد جدید به عنوان «مبتکرانه»، گفت: «چیزی که واقعاً در مورد آزمایش برای من جذاب است این است که این ذرات دقیقاً زیر دماغ ما هستند، اما ما هرگز نتوانسته‌ایم نحوه تعامل آنها را مشاهده کنیم.»

قرار است ابزارهای مربوط به آزمایش جدید در تونل‌ها و تاسیسات زیرزمینی سرن ساخته شوند. این آزمایش در کنار آزمایش‌های دیگر سرن اجرا خواهد شد که بزرگترین آنها برخورد دهنده بزرگ هادرونی است؛ آزمایشی که از زمان تکمیل آن در سال ۲۰۰۸ تا کنون با صرف هزینه‌ای بالغ بر ۴.۵ میلیارد یورو به دنبال ۹۵ درصد گمشده جهان بوده است.

این ماشین غول‌پیکر تا کنون هیچ ذره‌ای از مدل غیر استاندارد پیدا نکرده است و بنابراین برنامه ساخت ماشینی که سه برابر بزرگتر است در دستور کار قرار گرفته است. دستگاه جدید که «برخورددهنده دورانی آینده» (Future Circular Collider) بودجه‌ای ۱۴ میلیارد یورویی دارد و تاریخ شروع به کار آن برای اواسط دهه ۴۰ میلادی برنامه‌ریزی شده است. اگرچه تا سال ۲۰۷۰ به ظرفیت نهایی خود برای شکار ذرات جدید خود نخواهد رسید.

در مقابل آزمایش «جستجو برای ذرات پنهان» (SHiP) ویژه یافتن ذرات شبح حدود ۱۰۰ برابر ارزان‌تر خواهد بود و حدود ۱۲۰ میلیون یورو هزینه برمی‌دارد.

محققان می‌گویند انجام تمامی این آزمایش‌ها برای یافتن ذراتی که منجر به یکی از بزرگترین پیشرفت‌ها در تمام دوران علم فیزیک خواهند شد، مورد نیاز است.