دنیای فیزیک در سال ۲۰۱۴ شاهد چه تحولاتي خواهد بود

در سرن، فیزیک‌پیشگان و مهندسان همچنان به خاطر جایزه نوبل ۲۰۱۳ خوشحال خواهند بود اما آن ها سخت در تلاش خواهند بود تا برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC) و آزمایش‌های اصلی آن، ATLAS و CMS را ارتقاء دهند. این برخورددهنده که در ماه فوریه خاموش شده است، اکنون در حال باز آماده سازی است تا این امکان فراهم شود که پروتون‌ها با انرژیی حدود ۱۳ TeV، تقریباً دو برابر مقدار قبلی، بهم برخورد کنند و تا سال ۲۰۱۵ مجدداً شروع بکار خواهد کرد.

NA62آزمایش NA62 در سال ۲۰۱۴ در سرن کلید می‌خورد

 

اما فعالیت‌های بسیار جدیدی نیز در سرن وجود خواهد داشت. شتاب‌دهنده‌هایی که پروتون‌ها را به سمت LHC هدایت می‌کنند، سینکروترون پروتون (PS) و سوپرسینکروترون پروتون (SPS)، تا نیمه‌ی سال ۲۰۱۴ راه‌اندازی خواهند شد و امکان اجرای آزمایش‌های کاملاً جدیدی را در آزمایشگاه ژنو به وجود می‌آورد. یکی از پروژه‌های جدید و جذاب NA62 نام دارد و مانند سایر آزمایش‌های مهم سرن، آن نیز در جستجوی فیزیک جدید است اما در آن از رویکرد کاملاً متفاوتی استفاده می‌شود. به جای به هم‌کوباندن پروتون‌ها به یکدیگر و جستجوی دقیق از میان ذرات بسیاری که با سرعت در تمام جهات در حال حرکت هستند، NA62 در جستجوی «افت‌و‌خیزهای کوانتومی» کوچکی است که در نوع خاصی از واپاشی ذره شکل می‌گیرد.

این آزمایش شامل اندازه‌گیری‌های دقیقی است مبنی بر آنکه چند وقت یکبار، یک مزون با بار مثبت به یک مزون پی (pion) با بار مثبت و یک جفت نوترینو- آنتینوترینو واپاشی می‌کند. این واپاشی ممکن است پیچیده به نظر برسد اما در نوع خود جالب می‌باشد، زیرا شامل ذرات ناشناخته‌ای است که با مدل استاندارد فیزیک ذرات، بهترین درک حال حاضر ما از دنیای زیراتمی، پیش‌بینی نشدهاند اما می‌توانند در این فرایند نقش ایفا ‌کنند. مزون‌های K به واسطه‌ی شلیک پروتون‌ها از SPS به سمت یک هدف بریلیومی به طول ۴۰ سانتیمتر به وجود می‌آیند که آن باریکه‌ای از تقریباً ۸۰۰ میلیون ذره‌ی باردار در هر ثانیه ایجاد می‌کند. بیشتر آن‌ها مزون‌های پی و پروتون‌ها هستند اما حدود ۶% آن‌ها مزون‌های K مورد نظر می‌باشند.

چون مدل استاندارد ذرات پیش‌بینی می‌کند که دقیقاً با چه سرعتی این مزون‌های K واپاشی می‌کنند، هر گونه تفاوت بین نرخ واپاشی اندازه‌گیری شده و پیش‌بینی شده، وجود ذرات جدیدی همچون ذرات «ابرتقارنی» را که به وسیله‌ی ‌مدل‌های جایگزین فیزیک ذرات، پیش‌بینی می‌شوند، آشکار می‌سازد. تنها مانع و بزرگترین آن، این است که اندازه‌گیری این واپاشیِ نادر آسان نیست. احتمال رخداد آن تنها یک در ده میلیارد است. منتظر انتشار جزئیات بیشتر و یک ویدئو‌ی ویژه در مورد NA62 از Physics World باشید.

سرن، پیشگام در دنیای پادماده

NA62 تنها پروژه جدیدی نیست که در سال ۲۰۱۴ در سرن راه‌اندازی می‌شود؛ این سال با دو آزمایش پادماده‌ی دیگر نیز همراه خواهد بود که در هر دو از شتاب‌کاهنده‌ی پادپروتون (AD) موجود در سرن استفاده می‌شود. این وسیله پروتون‌ها را از سینکروترون PS به سمت یک بلوک فلزی شلیک می‌کند تا پادپروتون‌های پرانرژیی را تولید کند که سپس از سرعت‌شان کاسته می‌شود. پادپروتون‌ها باید دوباره از ماه آگوست در دسترس قرار گیرند و یکی از آزمایش‌های جدید AD، AEGIS است که برای اولین بار به طور ویژه‌ای طراحی شده است تا شتاب گرانشی را که پادماده با آن مواجه است، اندازه‌گیری کند. در این آزمایش فاصله‌ی عمودی باریکه‌ای از اتم‌های پادهیدروژن هنگامی که طی یک مسیر افقی خاص سقوط می‌کنند، اندازه‌گیری می‌شود. کوچکترین انحراف آن در مقایسه با چگونگی رفتار ماده معمولی، احتمالاً این راز را که چرا جهان دارای پادماده‌ی بسیار کمی است، آشکار خواهد کرد.

گام موثر دیگرِ شتاب‌کاهنده‌ی AD، BASE است که در آن یک پادپروتون با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به دام خواهد افتاد تا دقیق‌ترین اندازه‌گیری ممکن در مورد گشتاور مغناطیسی آن صورت گیرد. پژوهشگران همچنین اندازه‌گیری‌های مشابهی در مورد پروتون انجام خواهند داد؛ با هر تفاوتی که در تقارن CPT رخ دهد ورای مدل استاندارد به فیزیک نشان داده خواهد شد.

ماه، مریخ و فرای آن‌ها

در سال ۲۰۱۴ یک سری از ماموریت‌های جذاب مربوط به علوم فضایی و نجوم نیز به ثمر می‌نشیند. کاوشگر چینی Jade Rabbit که اوایل ماه دسامبر ۲۰۱۳ روی ماه فرود آمده است، سطح و منابع آن را با دقت کاوش می‌کند که شامل نحوه‌ی تشکیل خاک ماه است. در پاییز رویدادها با ماموریت کاوشگر ناسا موسوم به MAVEN که در ۲۲ سپتامبر شروع به گردش به دور سیاره‌‌ی سرخ می‌کند و کاوشگر هندی SROM که دو روز بعد از آن، به آن‌جا می‌رسد جالب‌تر می‌شوند.

ماموریت MAVEN یکی از ماموریت‌های علوم فضایی در سال ۲۰۱۴ است.

ستاره‌شناسان آمریکایی امیدوارند در ماه جولای جایگزین رصدخانه‌ی ۲۷۰ میلیون دلاری خود، OCO-2، را با موفقیت به فضا پرتاب کند. این ماموریت در سال ۲۰۰۹ با شکست مواجه شد و در نتیجه تلاش برای تهیه‌ی نقشه‌های منابع و چاه‌های کربنی زمین بی‌نتیجه ماند. چنین اطلاعاتی برای دانشمندان زیست‌محیطی جهت درک بهتر تغییرات اقلیمی ضروری است.

در سال ۲۰۱۴ آژانس فضایی اروپا (ESA) سال پرکاری را پیش رو دارد. از جمله آنکه داده‌های اولیه‌ی مربوط به ماموریت نقشه‌برداری Gaia در دسترس قرار می‌گیرد و نیز در ۲۴ نوامبر فضاپیمای Rosetta بعد از سفری که بیش از ۱۰ سال طول کشیده است، به دنباله‌دار ۶۷P/Churyumov-Gerasimenko خواهد رسید و در صورتی که ارتباط آن‌ها موفقیت‌آمیز باشد، این اولین ماموریتی خواهد بود که فضاپیمایی به دور یک دنباله‌دار می‌چرخد و روی آن فرود می‌آید.

فرای منظومه‌ی شمسی ما، انتظار می‌رود که روند کسب یافته‌های تازه‌ در مورد سیارات فراخورشیدی ادامه یابد. تا آنجا که به مطالعه‌ی کل جهان مربوط می‌شود، فیزیک‌پیشگان سال ۲۰۱۴ را به بررسی داده‌های ماموریت Planck آژانس فضایی اروپا خواهند گذراند. اگرچه به طور رسمی در ماه اکتبر رصد تابش زمینه‌ی کیهانی توسط آن متوقف شد اما مطمئناً گنج اطلاعات آن، اسرار بیشتری از نحوه‌ی شکل‌گیری جهان را آشکار خواهد کرد. منتظر مقاله‌‌ی پیتر کولز از دانشگاه ساسکس در این‌ باره در شماره ژانویه‌ی Physics World باشید.

همچنین منتظر اطلاعات بیشتری در مورد ماده‌ی تاریک به‌ واسطه‌ی آشکارساز بزرگ زیرزمینی زنون (LUX) باشید که در عمق ۱۵۰۰ متری تپه‌های سیاه داکوتای جنوبی (South Dakota) ایالات متحده واقع است. گروه LUX اولین داده‌های خود را در ماه اکتبر منتشر می‌کند. اگرچه هیچ نشانی مبنی بر وجود ماده‌ی تاریک دیده نشده است، آن‌ها سال ۲۰۱۴ را صرف بهبود آزمایش‌های خود می‌کنند تا طی ۳۰۰ روز به دنبال ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف (WIMPs) بگردند که کاندیدایی پیشرو برای ماده‌ی تاریک هستند.

گرافین تجاری می‌شود

در سال ۲۰۱۴ فیزیک‌پیشگان مانند هرسال به کارهای ملموس‌تری نیز می‌پردازند؛ از فیزیک پزشکی و اپتیک گرفته تا نانوتکنولوژی و نیمه‌رساناها. به طور خاص شاهد خواهیم بود که ورق‌ گرافینی به ضخامت یک اتم کربن، نه تنها قویترین ماده‌ای است که تاکنون کشف شده بلکه می‌تواند جریان الکتریکی را با چگالی‌ای به میزان یک میلیون برابر مس انتقال دهد. پیش‌بینی می‌شود که این ماده اولین بار در صفحه‌های لمسی گوشی‌های هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

گرافین راه خود را به سمت استفاده در گوشی‌های هوشمند پیدا می‌کند

روند دیگری که به نظر می‌رسد در سال ۲۰۱۴ شکوفا شود، استفاده از حالت‌های ریدبرگ  برای ایجاد برهمکنش بین فوتون‌ها در مجموعه‌ای از اتم‌هاست که تا دمایی نزدیک به صفر مطلق خنک شده‌اند. چنین حالت‌هایی مورد استفاده قرار گرفته‌اند تا برای اولین بار مولکول‌هایی از نور ساخته شوند. حالت ریدبرگ زمانی اتفاق می‌افتد که یک فوتون از نور لیزر با اتم‌های فوق سرد برهمکنش می‌کند تا یک الکترون برانگیخته شده و بین ۱۰ یا تعداد بیشتری اتم به اشتراک گذاشته شود.

رویاهای نوبل

چهره‌های مهم فیزیک امسال چه کسانی خواهند بود؟ حدس ما این است که جایزه نوبل به کاری در زمینه‌ی محاسبات کوانتوم اختصاص خواهد یافت و پیش‌بینی Physics World آن است که شخص مورد نظر، آنتون زیلینگر خواهد بود. هرچند این تاسف‌بار است که تاکنون فقط دو زن برنده‌ی این جایزه شده‌اند، ماری کوری در سال ۱۹۰۳ و ماری گوپرت‌میر  در سال ۱۹۶۳، اما بعید به نظر می‌رسد که سومین نفر امسال اضافه شود.

توپ‌های بلوری

در نهایت، فیزیک بدون نگاهی دوباره به شکوه گذشته فیزیک نخواهد بود. و مهمترین سالگرد در سال ۲۰۱۴، بزرگداشت بزرگترین فیزیک‌پیشه‌ی آلمانی قرن، ماکس ون لو، برنده‌ی جایزه‌ی ‌نوبل در سال ۱۹۱۴ به‌ خاطر کشف پراکندگی اشعه‌ی ایکس توسط کریستال است.

سال ۲۰۱۴، سال جهانی بلورشناسی

پراکندگی اشعه‌ی ایکس، ابزار آزمایشگاهی ارزشمندی است که پژوهشگران را قادر می‌سازد تا ساختار هزاران کریستال را روشن سازند که معروفترین آن‌ها ماهیت مارپیچی دوگانه‌ DNA است. به منظور افزایش آگاهی در این زمینه، سال ۲۰۱۴ از جانب سازمان علمی، فرهنگی و آموزشی سازمان ملل متحد (UNESCO) و اتحادیه‌ی بین‌المللی بلورشناسی، سال بین‌المللی بلورشناسی انتخاب شده است که آغاز مراسم در بیستم و بیست‌و‌یکم ژانویه در مقر یونسکو در پاریس خواهد بود.

منبع: physicsworld