جاهز ، ثابت ، انطلق: السباق لاكتشاف فيزياء جديدة يعود اليوم حيث يتم إعادة إشعال مصادم الهادرون الكبير (LHC) ، حيث يطلق جزيئات الأيونات الثقيلة على بعضها البعض بسرعة 99.99٪ من سرعة الضوء لإعادة إنشاء حالة من المادة البدائية التي لم نشاهدها منذ ذلك الحين مباشرة بعد الانفجار العظيم.
ال مصادم هادرون كبير هو أطول وأقوى مسرع للجسيمات في العالم ، يطلق حزمًا من الجسيمات دون الذرية حول حلقة طولها 17 ميلاً (27 كيلومترًا) تحت الأرض بالقرب من جنيف ، على الحدود الفرنسية السويسرية. منذ أن ظهر المصادم LHC على الإنترنت في الأصل في عام 2010 ، أنتجت تجاربه 3000 ورقة علمية ، مع مجموعة من النتائج بما في ذلك أكثرها شهرة: اكتشاف هيغز بوزون.
قال كريس باركس ، المتحدث باسم تجربة LHCb ، في مؤتمر صحفي في نهاية يونيو: “من الصحيح حقًا أن نقول إننا نجري اكتشافات على أساس أسبوعي”.
تكنولوجيا جديدة
أمضى مسرع الجسيمات السنوات الثلاث والنصف الماضية في تلقي ترقيات تكنولوجية حيوية ستمكنه من تحطيم حزم من الجسيمات بطاقة قياسية تبلغ 6.8 تريليون إلكترون فولت (TeV) في الاصطدامات التي سيكون مجموعها غير مسبوق 13.6 TeV. وهذا أعلى بنسبة 4.6٪ من النقطة التي توقفت عندها في أكتوبر 2018.
إن زيادة معدل تصادمات الجسيمات ، وتحسين القدرة على جمع المزيد من البيانات أكثر من أي وقت مضى ، والتجارب الجديدة تمامًا ستمهد الطريق للباحثين لإجراء العلوم خارج بوزون هيغز ، وربما حتى ما بعد التيار الحالي. النموذج القياسي فيزياء الجسيمات.
في عام 2020 ، تم تركيب جهاز جديد ، المسرع الخطي (Linac) 4 ، في مصادم الهادرونات الكبير. بدلاً من حقن البروتونات في النظام كما كان من قبل ، سيعزز Linac 4 أيونات الهيدروجين سالبة الشحنة ، وهي عبارة عن بروتونات مصحوبة باثنين الإلكترونات. عندما تتحرك الأيونات عبر Linac 4 ، يتم تجريد الإلكترونات لتترك البروتونات فقط ، ويسمح تشابك هذه الأيونات بتشكيل مجموعات أكثر إحكامًا من البروتونات. ينتج عن هذا إطلاق حزم أضيق من البروتونات عبر المصادم ، مما يزيد من معدل الاصطدامات.
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
ربما يكون أهم تحديث تكنولوجي ، مع ذلك ، هو النظام الذي يطلق التجارب في LHC لبدء جمع البيانات.
نظرًا لأن البحث العلمي الآن في عصر البيانات الضخمة ، فإن كيفية تمييز البيانات التي تستحق التسجيل والتحليل تصبح مشكلة أكبر. قال باركس: “لدينا 14 مليون نقطة عبور ضوئية في الثانية”. يرى كل تقاطع شعاع حزم من الجسيمات تصطدم ببعضها البعض.
في السابق ، كان انتقاء المعلومات المفيدة من كل تلك الاصطدامات متروكًا للأجهزة التقليدية وحدس الباحثين البشريين ، مما أدى إلى تسجيل 10٪ فقط من الاصطدامات داخل المصادم LHC. يستخدم نظام التشغيل الجديد التعلم الآلي لتحليل الموقف بسرعة أكبر ويكون أكثر كفاءة فيما يتعلق بالبيانات التي يجب جمعها لتحليلها لاحقًا. ستشهد هذه الترقية ، على سبيل المثال ، أن يضاعف LHCb معدل أخذ العينات بمقدار ثلاثة أضعاف ، بينما ستزيد أداة ALICE (تجربة مصادم أيوني كبير) من عدد الأحداث المسجلة بمعامل 50.
وقال لوتشيانو موسى ، المتحدث باسم ALICE ، في المؤتمر الصحفي: “من الواضح أن هذه صفقة كبيرة”.
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
تجارب جديدة
بينما لا يزال هناك عمل يتعين القيام به للتعرف على بوزون هيغز ، فإن المصادم LHC مجهز للقيام بالمزيد إلى جانب ذلك.
قال جيان جويدس ، رئيس قسم الفيزياء النظرية في CERN ، خلال المؤتمر الصحفي: “لدينا هذا الطموح في وضع بوزون هيغز في سياق أوسع ، وهذا ببساطة لا يمكن تلخيصه في سؤال أو سؤالين”. “لذلك لدينا برنامج واسع للغاية يعالج العديد من الأسئلة في فيزياء الجسيمات.”
تم تثبيت كاشفين جديدين أثناء الإغلاق الأخير لمصادم الهادرونات الكبير ، وهما FASER ، وتجربة البحث المتقدم ، و SND ، وكاشف التشتت والنيوترينو. سيبحث FASER عن الضوء والجسيمات ضعيفة التفاعل ، بما في ذلك النيوترينوات والممكنة المادة المظلمة، بينما ستركز SND على النيوترينوات حصريًا.
النيوترينوات هي جزيئات شبيهة بالأشباح بعيدة المنال بالكاد تتفاعل مع أي شيء آخر من حولها – شريط من الرصاص سنة ضوئية سميكة ستوقف فقط نصف النيوترينوات التي تمر عبرها – ويمر تريليونات منها عبر جسمك بشكل غير ضار في كل ثانية. بالنظر إلى ذلك ، وعلى الرغم من معرفة العلماء بأن الاصطدامات داخل LHC يجب أن تنتج نيوترينوات بانتظام ، لم يتم اكتشاف أي نيوترينو تم إنشاؤه في مسرّع الجسيمات (النيوترينوات التي رصدتها أجهزة الكشف السابقة للنيوترينو تأتي في الغالب من الشمس). ومع ذلك ، من المقرر أن يتغير هذا ، حيث من المتوقع أن يكتشف FASER و SND ما يقرب من 7000 حدث نيوترينو بينهما على مدار السنوات الأربع القادمة.
في ظاهر الأمر ، لا يبدو FASER و SND مثل كاشفات النيوترينو. تميل هذه إلى أن تكون ضخمة ، مثل خزان الفولاذ المقاوم للصدأ لكاشف Super Kamiokande في اليابان الذي يحتوي على 50000 طن متري من المياه النقية ، أو مرصد نيوترينو آيس كيوب في القطب الجنوبي ، حيث توجد أجهزة استشعار موضوعة في 0.6 ميل مكعب (كيلومتر مكعب واحد) من الجليد تحت السطح. بدلاً من ذلك ، يبلغ طول FASER 5 أقدام (1.5 متر) فقط ، بينما يكون SND أكبر قليلاً عند 8 أقدام (2.4 متر). فبدلاً من وجود كميات هائلة من السوائل أو الجليد ، فإنها تتميز بأجهزة كشف تنجستن بسيطة وأفلام من المستحلب ، لا تختلف عن أفلام التصوير الفوتوغرافي القديمة.
يمكن لـ FASER و SND الابتعاد عن كونهما صغيرين جدًا لأن “LHC ينتج عددًا كبيرًا من النيوترينوات ، لذلك تحتاج إلى كتلة أقل في الكاشف لجعل بعضها يتفاعل ، والنيوترينوات المنتجة في تصادمات LHC عالية للغاية قال جيمي بويد ، المتحدث باسم FASER ، لـ ProfoundSpace.org ، إن الطاقة ، واحتمال التفاعل يرتفع مع الطاقة.
يقع FASER على بعد 1500 قدم (480 متر) المصب لتجربة أطلس، في الأنفاق المهجورة التي كانت ذات يوم جزءًا من سلف مصادم الهادرونات الكبير ، مصادم الإلكترون-البوزيترون الكبير. تعد تجارب FASER و SND مكملتين – حيث يكون FASER ضجيجًا على خط الشعاع ، بينما يكون SND بزاوية. بهذه الطريقة ، يكونون قادرين على اكتشاف النيوترينوات ذات الطاقات المختلفة القادمة من تصادمات الجسيمات المختلفة. ستمر معظم النيوترينوات دون أن يلاحظها أحد من خلال التجربتين ، لكن عددًا صغيرًا سيتفاعل مع الذرات في طبقات التنغستن الكثيفة ، مما يتسبب في تحلل النيوترينوات وإنتاج جسيمات ابنة تترك آثارًا في المستحلب تسمى القمم التي تشير إلى موضع التفاعل. تتم إزالة طبقة المستحلب كل ثلاثة أو أربعة أشهر وإرسالها إلى مختبر في اليابان للفحص. بالفعل ، تم اكتشاف نموذج أولي صغير المرشحين النيوترينو، لكن النموذج الأولي كان أصغر من أن يتمكن من تأكيد القياسات.
وقال بويد “النتيجة الرئيسية التي نبحث عنها هي ما نسميه المقطع العرضي”. “يصف هذا كيف ، كدالة لطاقتهم ، تتفاعل الأنواع الثلاثة من النيوترينو – الإلكترون ، والميون ، ونيوترينوات تاو”.
هذه الأنواع المختلفة ، أو “النكهات” ، من النيوترينو ، قادرة على التأرجح مع بعضها البعض أثناء انتقالها عبر مسافات كبيرة. على سبيل المثال ، قد يبدأ النيوترينو كنيوترينو الميون قبل أن يتأرجح في نيوترينو إلكتروني. في المصادم LHC ، المسافة بين أجهزة الكشف عن النيوترينو ومصدر الاصطدامات في المصادم LHC صغيرة جدًا بحيث لا يمكن توقع حدوث أي تذبذبات ما لم يكن هناك جسيم جديد متورط.
“إذا رأينا عددًا أكبر من النيوترينوات الإلكترونية وعددًا أقل من نيوترينوات الميون مما نتوقع ، فقد يشير ذلك إلى وجود نوع إضافي من النيوترينو ، يسمى نيوترينو معقمقال بويد إن هذا يتسبب في حدوث هذه التذبذبات. “في الوقت الحالي ، تظل النيوترينوات العقيمة افتراضية ، وسيكون العثور على دليل عليها اكتشافًا كبيرًا.
نظريات جديدة
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
بالحديث عن الاكتشافات ، بينما تم إيقاف تشغيل LHC بسبب أحدث ترقياته ، أظهر تحليل البيانات من مسرّع الجسيمات Tevatron القديم في Fermilab في الولايات المتحدة والذي تم إغلاقه في عام 2011 تلميحًا محيرًا للفيزياء التي تعمل خارج النموذج القياسي. على وجه التحديد ، وجد Tevatron دليلًا على أن جسيم W boson ، الذي يشارك في التوسط في القوة الضعيفة التي تحكم النشاط الإشعاعي ، يمكن أن يكون أكبر مما يتوقعه النموذج القياسي. وفي الوقت نفسه ، كانت هناك قراءات غريبة من LHC و Tevatron لسلوك الإلكترونات و الميون هذا ، إذا كان صحيحًا ، يمكن أن يتحدى تنبؤات النموذج القياسي. يقع العبء الآن على LHC لإجراء مزيد من التحقيق.
ومع ذلك ، فإن العلماء في LHC ليسوا مستعدين للقفز إلى استنتاجات حول هذا أو أي تناقض آخر من النموذج القياسي. بدلاً من ذلك ، يفضلون أن يظلوا حياديين عندما يتعلق الأمر بنظريات مختلفة حول ما يلاحظه المصادم LHC ، لتجنب تحيز النتائج.
وقالت فابيولا جيانوتي ، المديرة العامة لـ CERN ، في المؤتمر الصحفي: “نحن لا نلاحق النظرية”. “أعتقد أن هدفنا هو فهم كيفية عمل الطبيعة على المستوى الأساسي. هدفنا ليس البحث عن نظريات معينة.”
كريس باركس متفائل بأن المصادم LHC يمكنه الوصول إلى حقيقة هذه التناقضات ، بطريقة أو بأخرى. وقال: “نتوقع بشدة أنه من خلال البيانات الجديدة التي نجمعها ، يمكننا حقًا التحقق من هذه التلميحات المثيرة للاهتمام التي لدينا ، ومعرفة ما إذا كانت تظهر أي انتهاكات للنموذج القياسي”.
ليس هناك اندفاع. بعد هذه المراقبة الجديدة التي مدتها أربع سنوات والتي يديرها LHC ، سيكون هناك إغلاق آخر لمزيد من الترقيات التي ستؤدي إلى ما يشار إليه باسم High Luminosity LHC. سيبدأ هذا العمل في حوالي عام 2029 ، ويكتشف أكثر من 15 مليون بوزون هيجز سنويًا من طاقات تصادم تبلغ 14 تيرا بايت. بعيدًا عن LHC ، هناك خطط على قدم وساق لمُسرع جديد تمامًا في CERN يُدعى Future Circular Collider (FCC) ، والذي سيكون قويًا بما يكفي للوصول إلى طاقات تبلغ 100 تيرا إلكترون فولت عندما يبدأ العمل في حوالي عام 2040. سيكون FCC أكبر بكثير من LHC ، مع نفق يبلغ طوله 62 ميلاً (100 كيلومتر) ، على الرغم من أن المفهوم أثار جدلاً مؤخرًا مع بعض علماء الفيزياء الذين يزعمون أن سعره المحتمل البالغ 100 مليار دولار لن يستحق فوائد بنائه وأن الأموال يمكن إنفاقها بشكل أكثر حكمة على أصغر ، مشاريع أكثر تركيزًا.
هذا كل شيء لا يزال في المستقبل. في الوقت الحاضر ، لا يزال لدى مصادم الهادرونات الكبير بوزونات هيغز لتكوينها ، ونيوترينوات لاكتشافها ، وجزيئات جديدة يمكن العثور عليها ونظريات يجب اختبارها. ما هي الاكتشافات الجديدة التي سنتحدث عنها في غضون أربع سنوات؟
تابع كيث كوبر على تويتر @ 21stCenturySETI. تابعنا على تويتر تضمين التغريدة (يفتح في علامة تبويب جديدة) و على فيسبوك (يفتح في علامة تبويب جديدة).
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”
/cloudfront-us-east-2.images.arcpublishing.com/reuters/SXM3S2GP7BMAVIOOIYLTFZUBYU.jpg)