آزمایشگاه سرن CERN، که به‌طور رسمی به نام سازمان اروپایی برای تحقیقات هسته‌ای (European Organization for Nuclear Research) شناخته می‌شود، بزرگ‌ترین مرکز تحقیقات فیزیک ذرات در جهان است.
این آزمایشگاه که در سال 1954 در نزدیکی ژنو، در مرز فرانسه و سوئیس تأسیس شد، با شتاب‌دهنده‌های عظیم و آشکارسازهای پیشرفته خود، مرزهای دانش بشری را در زمینه ساختار بنیادی ماده و نیروهای حاکم بر جهان گسترش داده است. سرن نه‌تنها به کشف ذرات بنیادی مانند بوزون هیگز و W و Z بوزون‌ها شهرت دارد، بلکه فناوری‌هایی مانند شبکه جهانی وب (WWW) را نیز به جهان معرفی کرده است. ابرار صنعتی به بررسی فناوری‌ها، کشف بوزون هیگز، نقش دانشمندان ایرانی، ساخت تونل 27 کیلومتری و دیگر جنبه‌های کلیدی سرن می‌پردازد.
نگاهی به بزرگ‌ترین آزمایش علمی بشر
سرن به‌عنوان بزرگ‌ترین آزمایشگاه فیزیک ذرات جهان، با شتاب‌دهنده عظیم خود، یعنی برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC)، شناخته می‌شود که در تونلی به طول 27 کیلومتر قرار دارد. این آزمایشگاه از چندین شتاب‌دهنده و آشکارساز مانند ATLAS، CMS، ALICE و LHCb برای بررسی ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت استفاده می‌کند. بیش از 7000 دانشمند از 110 ملیت مختلف در سرن فعالیت می‌کنند و سالانه حدود 49 پتابایت داده تولید می‌شود. هدف اصلی سرن، پاسخ به پرسش‌های بنیادین درباره ماهیت جهان، از جمله منشأ جرم، ماده تاریک و برتری ماده بر پادماده است. کشف بوزون هیگز در سال 2012 نقطه عطفی در تاریخ علم بود که مدل استاندارد فیزیک ذرات را تکمیل کرد.
تاریخچه تأسیس و گسترش آزمایشگاه سرن
سرن در سال 1954 با هدف بازسازی علم اروپا پس از جنگ جهانی دوم و جلوگیری از مهاجرت دانشمندان به آمریکا تأسیس شد. ایده اولیه توسط فیزیکدانانی مانند لویی دو برو و رائول دوتری در سال 1949 مطرح شد و در دسامبر 1951، در جلسه یونسکو در پاریس، قطعنامه تأسیس سرن تصویب شد. در سال 1952، ژنو به‌عنوان محل آزمایشگاه سرن انتخاب شد و در سال 1954، 12 کشور اروپایی (بلژیک، دانمارک، فرانسه، آلمان، یونان، ایتالیا، هلند، نروژ، سوئد، سوئیس، بریتانیا و یوگسلاوی) این سازمان را رسماً تأسیس کردند. سرن از آن زمان با اضافه شدن 24 عضو، از جمله اسرائیل در سال 2013، گسترش یافت. شتاب‌دهنده‌های کلیدی مانند سینکرو-سیکلوترون (1957)، سوپر پروتون سینکروترون (SPS) در 1976 و برخورددهنده الکترون-پوزیترون بزرگ (LEP) در 1989 ساخته شدند. LHC در سال 2008 به بهره‌برداری رسید و سرن را به پیشرو در فیزیک ذرات تبدیل کرد.
چگونه CERN وجود ذره بوزون هیگز را اثبات کرد؟
بوزون هیگز، ذره‌ای که به مکانیسم جرم‌دهی به ذرات بنیادی مرتبط است، در سال 1964 توسط پیتر هیگز و دیگران پیشنهاد شد. سرن با استفاده از LHC، که پروتون‌ها را با انرژی 7 تا 8 تراالکترون‌ولت (TeV) به هم برخورد می‌داد، در سال 2012 موفق به کشف این ذره شد. آشکارسازهای ATLAS و CMS داده‌های ناشی از برخوردهای پروتون-پروتون را تحلیل کردند و نشانه‌های ذره‌ای با جرم حدود 125 گیگاالکترون‌ولت و اسپین صفر را یافتند، که با ویژگی‌های بوزون هیگز مطابقت داشت. این کشف با تحلیل آماری دقیق از میلیاردها برخورد، با اطمینان 5 سیگما تأیید شد. در سال 2013، فرانسوا انگلرت و پیتر هیگز برای این کار جایزه نوبل فیزیک دریافت کردند. این کشف مدل استاندارد را تکمیل کرد، اما پرسش‌هایی درباره وجود بخش هیگز یا نقش آن در ماده تاریک باقی مانده است.
سرن؛ قلب فیزیک ذرات جهان
سرن به دلیل شتاب‌دهنده‌ها و آشکارسازهای پیشرفته‌اش، مرکز جهانی فیزیک ذرات است. LHC، بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده جهان، پروتون‌ها را با سرعت نزدیک به نور در تونل 27 کیلومتری به هم برخورد می‌دهد و شرایطی مشابه لحظات پس از بیگ‌بنگ ایجاد می‌کند. آشکارسازهای ATLAS و CMS برای بررسی طیف وسیعی از پدیده‌ها، از هیگز تا ماده تاریک، طراحی شده‌اند، در حالی که ALICE بر پلاسمای کوارک-گلوئون و LHCb بر نقض تقارن ماده-پادماده تمرکز دارد. سرن همچنین آزمایش‌هایی مانند COMPASS (برای مطالعه ساختار هادرون‌ها) و CLOUD (برای بررسی ارتباط اشعه‌های کیهانی با تشکیل ابر) را میزبانی می‌کند. برنامه نظری سرن، با تحقیقات در فیزیک نظری، مکمل آزمایش‌ها است و این آزمایشگاه را به قلب اکتشافات علمی تبدیل کرده است.
فناوری‌های حیرت‌انگیز به‌کاررفته در آزمایشگاه سرن
سرن از فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند آهن‌رباهای ابررسانا، خنک‌کننده‌های هلیوم مایع و آشکارسازهای عظیم استفاده می‌کند. آهن‌رباهای LHC با میدان 8.3 تسلا، در دمای 1.9 کلوین (-271.3 درجه سانتی‌گراد) کار می‌کنند و پروتون‌ها را در مسیر نگه می‌دارند. سیستم خنک‌کننده هلیوم مایع، بزرگ‌ترین در نوع خود، این دما را حفظ می‌کند. آشکارساز ATLAS، با وزن 7000 تن و ابعاد 46×25×25 متر، بزرگ‌ترین آشکارساز ذرات جهان است. CMS با وزن 14000 تن، از کریستال‌های تنگستات سرب برای شناسایی فوتون‌های پرانرژی استفاده می‌کند. سرن همچنین از فناوری‌های محاسباتی پیشرفته مانند شبکه محاسباتی جهانی (WLCG) برای تحلیل 49 پتابایت داده در سال استفاده می‌کند. این فناوری‌ها نه‌تنها در فیزیک، بلکه در پزشکی (PET اسکن) و هوافضا نیز کاربرد دارند.
کشف ذرات بنیادی؛ از کوارک تا گراویتون
آزمایشگاه سرن نقش کلیدی در کشف ذرات بنیادی داشته است. در سال 1973، آزمایش گارگامل (Gargamelle) جریان‌های خنثی ضعیف را کشف کرد، که شواهد اولیه برای نظریه الکتروضعیف بود. در سال 1983، آزمایش‌های UA1 و UA2 بوزون‌های W و Z را شناسایی کردند، که حاملان نیروی ضعیف هستند و جایزه نوبل 1984 را برای کارلو روبیا و سیمون ون در میر به ارمغان آورد. در سال 1995، آزمایش PS210 اولین اتم‌های پاد-هیدروژن را تولید کرد. برنامه یون‌های سنگین در سال 2000 پلاسمای کوارک-گلوئن را کشف کرد، حالتی از ماده که لحظات اولیه جهان را شبیه‌سازی می‌کند. سرن همچنین تعداد خانواده‌های نوترینوی سبک را در سال 1989 تعیین کرد. اگرچه گراویتون (ذره فرضی نیروی گرانش) هنوز کشف نشده، آزمایش‌هایی مانند ATLAS و CMS به دنبال نشانه‌های آن در ابعاد اضافی یا نظریه‌های فراتر از مدل استاندارد هستند.
بازدید از آزمایشگاه CERN؛ سفری علمی به ژنو
سرن امکانات بازدید عمومی را برای علاقه‌مندان به علم فراهم کرده است. مرکز بازدیدکنندگان سرن در مِیرَن (Meyrin) شامل نمایشگاه دائمی «جهان ذرات» (Universe of Particles) در ساختمان گنبدی شکل Globe of Science and Innovation است. این نمایشگاه تاریخچه سرن، فناوری‌های آن و اکتشافات کلیدی را به نمایش می‌گذارد. تورهای هدایت‌شده به بخش‌هایی از آزمایشگاه، مانند مرکز کنترل LHC و آزمایش ISOLDE، برای گروه‌های ثبت‌نام‌شده در دسترس است، اما دسترسی به تونل LHC به دلیل فعالیت‌های عملیاتی محدود است. بازدیدکنندگان می‌توانند از طریق وب‌سایت سرن برای تورهای رایگان ثبت‌نام کنند، که معمولاً چند ماه قبل پر می‌شوند. سرن همچنین برنامه‌های آموزشی برای دانش‌آموزان و معلمان ارائه می‌دهد. بازدید از سرن تجربه‌ای الهام‌بخش برای درک عظمت علم است.
رابطه آزمایشگاه سرن با تولید اینترنت (WWW)
شبکه جهانی وب (WWW) در سال 1989 توسط تیم برنرز-لی، دانشمند بریتانیایی در سرن، اختراع شد. او برای تسهیل اشتراک اطلاعات بین پژوهشگران، سیستمی مبتنی بر مفهوم هایپرتکست طراحی کرد که شامل پروتکل‌های HTTP، زبان HTML و مفهوم URL بود. سرن همچنین در سال 1984 استفاده از پروتکل TCP/IP را برای شبکه داخلی خود آغاز کرد، که نقش مهمی در پذیرش این فناوری در اروپا داشت. اولین وب‌سایت جهان در سرن راه‌اندازی شد و در سال 1993، سرن کد منبع وب را به‌صورت عمومی منتشر کرد، که به گسترش سریع اینترنت منجر شد. این اختراع، که ابتدا برای نیازهای داخلی سرن طراحی شده بود، جهان را متحول کرد و ارتباطات مدرن را شکل داد.
نقش دانشمندان ایرانی در CERN
دانشمندان ایرانی نقش قابل‌توجهی در پروژه‌های سرن ایفا کرده‌اند، اگرچه اطلاعات دقیق درباره تعداد و هویت آن‌ها به دلیل محرمانگی محدود است. ایران به‌عنوان یکی از کشورهای ناظر در سرن حضور دارد و محققان ایرانی در آزمایش‌هایی مانند CMS و ATLAS مشارکت داشته‌اند. به‌عنوان مثال، دکتر مجتبی محمدی، فیزیکدان ایرانی، در تحلیل داده‌های CMS برای مطالعه بوزون هیگز نقش داشته است. دانشگاه‌های ایرانی مانند دانشگاه تهران و مؤسسه فیزیک نظری (IPM) با سرن همکاری دارند و دانشجویان دکتری ایرانی در برنامه‌های آموزشی سرن شرکت می‌کنند. این مشارکت‌ها به توسعه فیزیک ذرات در ایران کمک کرده و فرصت‌هایی برای تبادل دانش فراهم آورده است. با این حال، محدودیت‌های سیاسی و مالی گاهی همکاری‌ها را چالش‌برانگیز کرده است.
تونل 27 کیلومتری سرن چگونه ساخته شده است؟
تونل 27 کیلومتری سرن، که ابتدا برای برخورددهنده الکترون-پوزیترون بزرگ (LEP) و سپس برای LHC ساخته شد، یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های مهندسی عمران اروپا بود. ساخت این تونل در دهه 1980 آغاز شد و در عمق متوسط 100 متری زیر زمین، در منطقه‌ای بین کوه‌های ژورا و آلپ، حفر شد. تونل با استفاده از ماشین‌های حفاری عظیم (TBM) و روش‌های انفجاری ساخته شد و با دقت بی‌نظیری طراحی شد تا دو انتهای آن تنها با خطای 1 سانتی‌متر به هم متصل شوند. بیش از 1.3 میلیون مترمکعب خاک و سنگ Excavated شد و تونل با بتن مقاوم پوشانده شد تا در برابر فشارهای زمین‌شناختی و تابش ذرات مقاومت کند. این پروژه، که قبل از تونل کانال مانش بزرگ‌ترین پروژه عمرانی اروپا بود، در سال 1988 تکمیل شد و امکان نصب آهن‌رباهای ابررسانا و آشکارسازها را فراهم کرد.
تأثیر بر فناوری و جامعه
سرن فراتر از فیزیک ذرات، تأثیرات عمیقی بر فناوری و جامعه داشته است. فناوری‌های توسعه‌یافته در سرن، مانند آشکارسازهای ذرات، در تصویربرداری پزشکی مانند پت اسکن و تشخیص سرطان کاربرد دارند. شبکه محاسباتی جهانی سرن (WLCG) به پیشرفت فناوری‌های ابری کمک کرده است. اختراع شبکه جهانی وب ارتباطات جهانی را متحول کرد و اقتصاد دیجیتال را شکل داد. آزمایشگاه سرن همچنین با گردهم‌آوردن دانشمندان از کشورهای مختلف، همکاری بین‌المللی را تقویت کرده و به صلح و دیپلماسی علمی کمک کرده است. بودجه سالانه سرن، حدود 1.1 میلیارد یورو، سرمایه‌گذاری در علم بنیادی را توجیه می‌کند، همان‌طور که فابیولا جیانوتی، مدیرکل سرن، آن را با استعاره «اختراع لامپ به‌جای شمع» مقایسه می‌کند.
منبع: ابرار صنعتی
