بزرگترین ماشین در علم: نبردی برای ساخت برخورددهنده ذرات غول پیکر بعدی

در مقر آزمایشگاه اروپایی سرن (CERN) در مرز سوئیس و فرانسه، نبردی برای آینده فیزیک ذرات در جریان است. رهبران سرن می خواهند بزرگترین ماشین روی کره زمین را در اینجا بسازند: یک شتاب دهنده ذرات عظیم که در سال ۲۰۷۰ افتتاح می شود و برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC)، تأسیسات شاخص فعلی آزمایشگاه، را تحت الشعاع قرار می دهد.

همه چیز در مورد این طرح بی سابقه است. برخورددهنده دایره ای آینده (FCC)، همانطور که نامیده می شود، در تونلی به طول ۹۱ کیلومتر قرار می گیرد که بیش از سه برابر اندازه LHC است. هزینه آن احتمالاً حداقل ۳۰ میلیارد دلار آمریکا خواهد بود و پروتون ها را با انرژی هشت برابر بیشتر از LHC به هم می کوبد. امید است که گسترش این مرز انرژی ذرات دیده نشده ای را آشکار کند که می تواند برخی از مسائل مبرم مربوط به مدل استاندارد - بهترین نظریه فعلی ذرات و میدان های بنیادی جهان - را حل کند و به برخی از بزرگترین اسرار فیزیک، مانند ماهیت ماده تاریک، روشنایی بخشد.

فناوری های دستیابی به چنین انرژی هایی هنوز آماده نیستند. بنابراین، این طرح این است که تونل را حفر کرده و یک ماشین ساده تر را وارد کنیم که از حدود سال ۲۰۴۵ شروع به برخورد دادن الکترون ها و پادذرات آنها به نام پوزیترون ها می کند (نگاه کنید به "طرح سرن برای یک مگابرخورددهنده"). این برخورددهنده موقت تعداد زیادی از ذرات بنیادی موسوم به بوزون های هیگز را تولید و مطالعه می کند تا نقش محوری آنها در طبیعت را درک کند. بعداً، این "کارخانه هیگز" برچیده خواهد شد.

طرح دو مرحله ای FCC مورد حمایت بسیاری از فیزیکدانان است. این طرح توسط مدیرکل (DG) سرن، فابیولا جیانotti، رهبری می شود و توسط مارک تامسون، که قرار است در ژانویه ۲۰۲۶ جایگزین او شود، پشتیبانی می شود. جیانotti در بیانیه ای به Nature گفت: "در صورت تایید، FCC قدرتمندترین ابزاری خواهد بود که تاکنون برای مطالعه قوانین طبیعت در اساسی ترین سطح ساخته شده است."

اما Nature دریافته است که بسیاری دیگر از آن ناراضی هستند. مصاحبه با بیش از دو دوجین محقق نشان می دهد که بسیاری از استراتژی FCC انتقاد می کنند، زیرا تحقق آن بسیار طول می کشد و فرو بردن منابع در آن می تواند ایده های جایگزین را مسدود کند.

هالینا آبراموویچ، فیزیکدان ذرات در دانشگاه تل آویو در اسرائیل، می گوید: "مسئله این است که آیا جامعه مایل است ۵۰ سال آینده را فدا کند تا اسباب بازی ای به دست آورد که ممکن است راه [اصلاح] مدل استاندارد باشد یا نباشد." منتقدان همچنین می گویند که رهبری سرن تصمیم گرفته است از FCC بدون مشورت کافی با جامعه حمایت کند.

در چنین پروژه غول پیکر و سیاسی، که شامل مشارکت مالی از بسیاری از کشورهای عضو سرن و نظرات ده ها هزار محقق است، اختلافات اجتناب ناپذیر است. (هنگامی که LHC ساخته شد، آلمان تهدید کرد که اگر خواسته های کاهش بودجه آن برآورده نشود، سرن را ترک خواهد کرد.) اما بسیاری از محققان به Nature گفتند که نارضایتی به اوج بی سابقه ای رسیده است.

همچنین مشخص نیست که آیا کشورهای عضو سرن هزینه این پروژه را پرداخت خواهند کرد یا خیر. آلمان قبلاً گفته است که سهم بودجه خود را افزایش نخواهد داد. و پروژه های دیگر ممکن است پرونده FCC را تضعیف کنند: به طور خاص، چین در حال تصمیم گیری است که آیا یک ماشین مشابه را تأیید کند یا خیر.

سال آینده می تواند برای طرح مگابرخورددهنده اروپایی تعیین کننده باشد. تا دسامبر، یک گروه کاری استراتژی، نتیجه گیری های خود را در مورد این ایده به شورای سرن، نهاد حاکم سازمان، ارائه می دهد. آنچه در خطر است نه تنها آزمایش جاه طلبانه خود، بلکه زندگی کاری نسل های فیزیکدانان - و نقش اروپا در فیزیک ذرات برای بقیه قرن است.

سرن پس از جنگ جهانی دوم به عنوان بخشی از یک تلاش عمدی برای پیگیری علم برای صلح ظهور کرد و از آن زمان تاکنون یک مرکز کلیدی برای تحقیقات فیزیک ذرات بوده است. با بودجه سالانه تقریباً ۱.۵ میلیارد فرانک سوئیس (۱.۷ میلیارد دلار آمریکا) که توسط یک کنوانسیون بین المللی تعیین شده است و بودجه ای از ۲۴ کشور عضو و همچنین کشورهای غیر عضو مانند ایالات متحده و ژاپن، چراغی برای همکاری علمی بین المللی است.

برای نزدیک به دو دهه، میزبان LHC، بزرگترین و قدرتمندترین برخورددهنده جهان بوده است. LHC خود جایگزین یک برخورددهنده الکترون-پوزیترون قبلی در همان تونل به نام LEP شد که در دهه ۱۹۸۰ ساخته شد. اما سرن میزبان بسیاری از آزمایش ها و برنامه های فناوری دیگر است، از جمله کار بر روی پادماده، پرتوهای کیهانی، فناوری های شتاب دهنده جایگزین، آهن ربا های پیشرفته و ایزوتوپ ها برای کاربردهای پزشکی.

در سال ۲۰۱۲، جیانotti در LHC از کشف بوزون هیگز خبر داد. این شاید کشف تاج گذاری سرن باشد: نه فقط یک ذره دیگر، بلکه محور مدل استاندارد. کشف هیگز اولین مدرک مستقیم از میدانی بود که جهان را فرا گرفته است، میدان هیگز. تعاملات مختلف سایر ذرات بنیادی با این میدان توضیح می دهد که چرا آنها جرم های متفاوتی دارند.

LHC نتوانسته است از آن لحظه پیشی بگیرد. بوزون هیگز با درهم کوبیدن پروتون ها با انرژی های بالا تکان داده شد، اما برخورددهنده تاکنون نتوانسته است اکتشافات بیشتر و بسیار مورد انتظار، مانند ماهیت ماده تاریک، را ارائه دهد. با برنامه ریزی برای پایان عمر LHC در سال ۲۰۴۰، افکار مربوط به جانشین آن از دهه ۲۰۱۰ در حال شکل گیری بوده است.

مدل استاندارد نمی تواند ماده تاریک یا ذرات ناشناخته ای را که ماهیت میدان هیگز را تعیین می کنند، از جمله سوالات اصلی دیگر در فیزیک ذرات، توضیح دهد. اما از مدل های نظریه پردازان مشخص نیست که آیا درهم کوبیدن پروتون های با انرژی بالاتر ذرات جدید و فوق العاده عظیمی را که ممکن است پاسخ هایی ارائه دهند، نشان می دهد یا خیر.

با این حال، بسیاری از محققان فکر می کنند که این کار ارزشمند است. جیانotti می گوید: "کاوش در مرز انرژی ما را قادر می سازد تا درک خود از فیزیک را در کوتاه ترین فاصله ها عمیق تر کنیم، که می دانیم ارتباط نزدیکی با فیزیک جهان در بزرگترین مقیاس ها دارد." پیرلوئیجی کامپانا، فیزیکدان ذرات که در نزدیکی رم مستقر است و ریاست کمیته بین المللی شتاب دهنده های آینده را بر عهده دارد، می گوید: "این مانند یک اقیانوس باز است." او تلاش برای مرز انرژی را با تلاش اولین کاوشگرانی مقایسه می کند که قایق های خود را در سراسر اقیانوس آرام بردند و در جزایر بسیاری از آن ساکن شدند.

مفهوم دو مرحله ای FCC برای اولین بار در سال ۲۰۱۹ ارائه شد. ایده این است که "کارخانه هیگز" مرحله اولیه ممکن است برخی از انحرافات از پیش بینی های مدل استاندارد را آشکار کند، که می تواند به این اشاره کند که آیا ذرات جدیدی وجود دارند و چقدر عظیم هستند. این سوال با یک راز مرکزی در مورد مدل استاندارد مرتبط است: چگونه بوزون هیگز "تقارن را می شکند" بین دو نیرو از سه نیروی بنیادی در مدل استاندارد: نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته ای ضعیف. در انرژی های بالایی که مستقیماً پس از بیگ بنگ وجود داشت، این دو نیرو متحد شدند.

سپس، هنگامی که تحقیقات پیشرفت هایی در فناوری لازم، مانند نحوه تولید آهن ربا های ابررسانای با قدرت کافی که پرتوهای ذرات را هدایت و متمرکز می کنند، به دست آورد، می توان FCC مرحله دوم را برای کشف آن ذرات ساخت - اگر در دسترس آن باشند. (برخی از فیزیکدانان می گویند که ذرات جدید می توانند شامل اجزای ماده تاریک باشند، اما بسیاری از نظریه پردازان اکنون فکر می کنند که چنین ذراتی احتمالاً بسیار سبک تر، نه سنگین تر، از محدوده ای هستند که قبلاً توسط LHC جستجو شده است.)

اگرچه اکثر فیزیکدانان ذرات موافق هستند که داشتن هر دو ماشین FCC خوب است، اما هزینه ها دلهره آور است. هیچ هزینه کاملی هنوز در دسترس نیست. اسناد سرن نشان داده اند که مرحله اول به تنهایی ممکن است ۱۷ میلیارد دلار هزینه داشته باشد. با این حال، تخمین های ولادیمیر شیلتسف، فیزیکدان شتاب دهنده در دانشگاه ایلینویز شمالی در DeKalb، و همکارانش نشان می دهد که این یک مقدار حداقل است و دو مرحله با هم حداقل ۳۰ میلیارد دلار و احتمالاً بسیار بیشتر هزینه خواهد داشت (T. Roser et al. J. Instrum. 18, P05018; 2023).

محققان چندین طرح ممکن دیگر را برای برخورددهنده های آینده پیشنهاد کرده اند. برای دهه ها، یک پیشنهاد پیشرو برای کارخانه هیگز یک برخورددهنده دایره ای نبود، بلکه یک برخورددهنده مستقیم به نام برخورددهنده خطی بین المللی بود. این مطالعه با جزئیات به قصد قرار دادن آن در ژاپن انجام شد، اما آن کشور تأیید نهایی خود را صادر نکرد. حامیان کارخانه هیگز خطی که بر اساس برخورددهنده خطی بین المللی ساخته شده است، می گویند که تمام مطالعات هیگز نسخه دایره ای را انجام می دهد، اما ارزان تر و سریع تر است. جنی لیست، فیزیکدان در سینکروترون الکترونی آلمان (DESY) در هامبورگ، می گوید که ماشینی با تونل ۲۱-۳۳ کیلومتری می تواند کمتر از نیمی از هزینه مرحله اول FCC هزینه داشته باشد. همچنین می تواند نحوه تعامل دو ذره هیگز با یکدیگر را بررسی کند. مایکل پسکین، فیزیکدان نظری در آزمایشگاه ملی SLAC در منلو پارک، کالیفرنیا، می گوید که این تحقیق به طور مستقیم در FCC قابل دسترسی نخواهد بود و می تواند برای درک ماهیت میدان هیگز بسیار مهم باشد. او می گوید: "ما می دانیم چگونه آن را بسازیم. هزینه معقولی دارد و اگر بتوانیم اقدام خود را انجام دهیم، واقعاً می تواند در زمانی که LHC به پایان می رسد، در حال اجرا باشد."

فیزیکدانان می گویند که گزینه های خطی و دایره ای هر کدام نقاط قوت و ضعف خود را دارند. حامیان طرح FCC می گویند که یک تونل خطی پس از خدمت به عنوان کارخانه هیگز، یک بن بست خواهد بود. اما لیست پاسخ می دهد که یک برخورددهنده خطی را می توان بعداً با طولانی کردن تونل ارتقا داد. و می تواند میزبان یک شتاب دهنده خطی آینده باشد که بر اساس یکی از چندین فناوری پیشرفته است که در حال توسعه هستند، مانند برخورددهنده مسی سرد به رهبری ایالات متحده. این یک مفهوم جدید برای شتاب دهنده های خطی است که می تواند مصرف برق را در مقایسه با ماشین های با قدرت مشابه به شدت کاهش دهد.

آبراموویچ می گوید: "هیچ دلیلی در جهان وجود ندارد که یک کارخانه هیگز دایره ای در مقابل یک کارخانه خطی بسازیم." او به ویژه به قبض برق بالای مورد انتظار آن اشاره می کند. و برخی از محققان پیشنهاد می کنند که بهتر است تعدادی گزینه را بررسی کنیم تا اینکه نسل های آینده دانشمندان را به یک مسیر گران قیمت به سال ۲۰۷۰ و بعد از آن قفل کنیم، زمانی که مشخص نیست که آیا FCC ابزار مناسبی برای پاسخ به سوالات فیزیکدانان خواهد بود یا خیر. یوخن شیک، فیزیکدان در آکادمی علوم اتریش در وین، که عضو شورای سرن است، می گوید: "من تحمیل یک برنامه فیزیک به نوه هایم را بسیار ناعادلانه می دانم."

برای بسیاری از فیزیکدانان، یک استدلال قانع کننده برای FCC این است که می تواند به حمایت از جامعه بزرگ ۱۵۰۰۰ محقق و پرسنل پشتیبانی که در اطراف آزمایش های LHC رشد کرده اند، ادامه دهد. آبراموویچ می گوید، این دلیل واقعی است که بسیاری از ایده برخورددهنده دایره ای حمایت می کنند: این می تواند برخوردها را در چهار "نقطه تعامل" مستقل تولید کند، که هر کدام دارای یک آشکارساز عظیم هستند که داده هایی را تولید می کند که می تواند شامل همکاری هزاران فیزیکدان باشد. یک برخورددهنده خطی فقط می تواند یک آزمایش را در یک زمان انجام دهد، بنابراین از فیزیکدانان کمتری پشتیبانی می کند.

این فکر که برخورددهنده پروتون غول پیکر تا سال ۲۰۷۰ آماده نخواهد شد، برخی از محققان را نگران می کند، زیرا به این معنی است که آنها مرز انرژی جدید را در طول عمر کاری خود نخواهند دید. برخی می گویند که سرن باید تمام تلاش خود را در تحقیق و توسعه برای فناوری های شتاب دهنده پیشرفته انجام دهد که می تواند امکانات را قادر سازد تا زودتر به انرژی های بالاتر برسند. این شامل تحقیقات آهن ربا ی لازم برای FCC می شود، اما ایده های جدید - اما اثبات نشده - مانند برخورد پرتوهای میون ها، ذراتی که پسر عموهای سنگین تر الکترون ها هستند، را نیز در بر می گیرد.

برخی از محققان، از جمله جان ومسلی، مدیر اجرایی سابق شورای تسهیلات علوم و فناوری بریتانیا، و تولیکا بوز، فیزیکدان LHC در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون، می خواهند ماشین های با انرژی بالاتر را در اسرع وقت توسعه دهند.

ومسلی پیشنهاد کرده است که زمان کار LHC را تا سال ۲۰۳۵ کوتاه کرده و از بودجه اختصاص یافته برای توسعه فناوری های مرحله دوم FCC استفاده شود. بوز پیشنهاد می کند که اصلاً از کارخانه هیگز صرف نظر شود.

سخنگوی سرن می گوید که داده های آینده از LHC ارتقا یافته در حال حاضر به محققان اولیه حرفه ای "یک موقعیت فوق العاده، هیجان انگیز و آموزنده برای حضور در آن" می دهد و اگر همه چیز طبق برنامه پیش برود، تنها چند سال بین نتیجه گیری آن برنامه و شروع یک برخورددهنده الکترون-پوزیترون در اواسط دهه ۲۰۴۰ وجود خواهد داشت.

انتقادی که به طرح فعلی FCC وارد است این است که سرن قبل از تدوین آن به اندازه کافی به جامعه گوش نداد و منابع مالی و انسانی که در مطالعه امکان سنجی قرار داده است، سرمایه گذاری در سایر برنامه ها، مانند تحقیقات شتاب دهنده پیشرفته، را تحت الشعاع قرار داده است.

بخشی از این اختلاف نظر در مورد نحوه خواندن یک سند محوری است که در سال ۲۰۲۰ پس از یک سمپوزیوم در Bad Honnef، آلمان منتشر شد (نگاه کنید به go.nature.com/4hrjmqp). این سمپوزیوم توسط یک گروه کاری منصوب شده توسط شورای سرن و به ریاست آبراموویچ برگزار شد و هدف آن به روز رسانی استراتژی فیزیک ذرات اروپا و آینده سرن بود. در آن جلسه، محققانی که در آن حضور داشتند می گویند، نماینده ای از دولت آلمان به طور خصوصی به فیزیکدانان (از جمله جیانotti) گفت که آلمان نمی تواند در یک شتاب دهنده جدید عظیم مشارکت کند - دیدگاه هایی که در سال ۲۰۲۴ علنی می شود.

برخی می گویند، آنچه در این سند پدیدار شد، یک مصالحه نامشخص بین کسانی بود که می خواستند طرح دو مرحله ای FCC و سناریوهای جایگزین را تأیید کنند. این سند یک کارخانه هیگز را به عنوان "بالاترین اولویت" فهرست کرد (بدون رد یک برخورددهنده خطی)، و سپس سایر اولویت ها را بیان کرد اما رتبه بندی نکرد. اینها شامل بررسی امکان سنجی یک برخورددهنده هادرونی آینده در سرن با امکان یک کارخانه هیگز به عنوان مرحله اول و افزایش تلاش ها برای توسعه فناوری ها برای شتاب دهنده های آینده بود.

برخی از محققانی که در فرآیند استراتژی شرکت کردند، از جمله شیک و زیگفرید بتکه، فیزیکدان در مؤسسه فیزیک ماکس پلانک در گارچینگ، آلمان، که عضو سابق شورای سرن است، می گویند که این سند با دقت نوشته شده است تا در را برای طرح های کارخانه هیگز جایگزین باز بگذارد و از اینکه یک FCC دو مرحله ای به اولویت اصلی تبدیل شود - فقط خواستار بررسی امکان سنجی آن است - خودداری کند. این سند از گزینه دقیقی که رهبری سرن دنبال کرده است، یعنی طرح دو مرحله ای که تا سال ۲۰۷۰ به ثمر می رسد، حمایت نمی کند. آنها می گویند که سرن می توانست تلاش بیشتری برای بررسی گزینه برخورددهنده خطی و منابع بیشتر در فناوری های شتاب دهنده پیشرفته انجام دهد.