أكبر مصادم الهدرونات في فيزياء الكم

هدف المصادم الكبير LHC يساعد الفيزيائيين على أن يدرسوا صحة تنبؤات النظريات المختلفة لفيزياء الجسيمات؛ بما في ذلك قياس ميزات بوزون هيغز، والبحث عن عائلة كبيرة من الجسيمات الجديدة التي تنبأت بها نظريات التناظر الفائق، وغيرها من الاستفسارات التي لم يتم حلها في فيزياء الجسيمات.

اكتشاف وتاريخ هادرون الكبير

جاءت أكبر لحظة للمصادم LHC في عام 2012 مع اكتشاف بوزون هيغز؛ وعلى الرغم من الإشارة إليه على نطاق واسع باسم جسيم الله، إلا أنه ليس رائعًا في حد ذاته كما قد يوحي هذا الاسم، وجاءت أهميته الكبيرة من حقيقة أنه كان آخر توقع للنموذج القياسي لم يتم إثباته بعد، لكن بوزون هيغز بعيد كل البعد عن كونه الاكتشاف الوحيد لمصادم الهادرونات الكبير.

وفقًا لمجلة الفيزياء CERN Courier؛ وجد LHC أيضًا حوالي 60 هادرونًا غير معروف سابقًا، وهي جسيمات معقدة تتكون من مجموعات مختلفة من الكواركات، ومع ذلك لا تزال كل تلك الجسيمات الجديدة تقع ضمن حدود النموذج القياسي، والذي كافح LHC لتجاوزه، والأمر الذي أثار خيبة أمل العديد من العلماء الذين أمضوا حياتهم المهنية في العمل على نظريات بديلة.

كيف يعمل مصادم الهادرونات الكبير

• يتم تحطيم الجسيمات معًا بمثل هذه الطاقات الهائلة بحيث تخلق الاصطدامات سلسلة من الجسيمات الجديدة؛ تكون معظمها قصير العمر للغاية، إذ أن الشيء المهم بالنسبة للعلماء هو معرفة ماهية كل هذه الجسيمات وهذه ليست مهمة سهلة.

• يحتوي LHC على مجموعة من أجهزة الكشف عن الجسيمات المتطورة لهذا الغرض؛ يتكون كل منها من طبقات من أجهزة الكشف الفرعية المصممة لقياس خصائص جسيمات معينة أو للبحث عن أنواع معينة من الجسيمات، على سبيل المثال  تقيس المسعرات طاقة الجسيم؛ بينما يكشف المسار المنحني للجسيم في المجال المغناطيسي عن معلومات حول شحنته الكهربائية وزخمه.

• اثنتان من نقاط الاصطدام الأربع حول محيط المصادم LHC تحتلها كاشفات كبيرة للأغراض العامة، وتشمل هذه الملفات الملف اللولبي المضغوط Muon (CMS)، والتي يمكن اعتبارها كاميرا عملاقة ثلاثية الأبعاد، تلتقط صورًا للجزيئات تصل إلى 40 مليون مرة في الثانية.

• يتم التحكم في مسارات الجسيمات داخل الكاشف بواسطة مغناطيس كهربائي عملاق يسمى الملف اللولبي، وعلى الرغم من وزنه 12500 طن متري  إلا أنه مضغوط تمامًا كما يوحي اسم الكاشف، وتشير هذه الكلمة الوسطى (muon) إلى جسيم بعيد المنال مشابه للإلكترون ولكنه أكبر بكثير، مما يتطلب مجموعة من الكاشفات الفرعية ملفوفة حول الملف اللولبي.

تجارب مصادم هادرون الكبير

استخدم العديد من التجارب الأكثر أهمية لمصادم الهادرونات الكبير؛ بما في ذلك اكتشاف بوزون هيغز، كاشفات الأغراض العامة ATLAS و CMS؛ ولكن لديها أيضًا العديد من أجهزة الكشف الأخرى الأكثر تخصصًا والتي يمكن استخدامها في أنواع محددة من التجارب.

كاشف LHC الأمامي (LHCf)، بالقرب من نقطة تفاعل ATLAS، يستخدم الجسيمات التي يتم طرحها للأمام في الاصطدامات كوسيلة لمحاكاة الأشعة الكونية في ظروف المختبر؛ وعلاوة على ذلك على طول مسار الشعاع توجد تجربة البحث المتقدم (FASER) مصمم للبحث عن الضوء؛ حيث تكون الجسيمات ضعيفة التفاعل التي من المحتمل أن تراوغ الكواشف الأكبر.

التجربة الثالثة المُحسَّنة للاتجاه الأمامي هي قياس المقطع العرضي الإجمالي المرن والانحراف (TOTEM)، بالقرب من نقطة تفاعل CMS، والتي تركز على فيزياء البروتونات عالية الطاقة نفسها.

وبعيدًا عن (ATLAS و CMS) يحتوي LHC على نقطتي تفاعل أخريين؛ أحدهما مشغول بتجربة مصادم الأيونات الكبير (ALICE)  وهو كاشف متخصص لفيزياء الأيونات الثقيلة، ونقطة التفاعل الأخيرة هي موطن لتجربتين على طليعة الفيزياء LHCb مكرس لفيزياء كوارك الجمال الغريبة و MoEDAL الكاشف الأحادي والغريب في LHC.

مخاطر مصادم الهادرونات الكبير

لأسباب مختلفة على مر السنين، تكهن الناس بأن التجارب في CERN قد تشكل خطرًا على الجمهور، ولحسن الحظ وجد أن لا أساس لهذه المخاوف؛ على سبيل المثال N in CERN، والتي تعني نووي، وفقًا لـ (UK Research and Innovation)؛ حيث أن هذا لا علاقة له بالتفاعلات التي تحدث داخل الأسلحة النووية، والتي تتضمن مبادلة البروتونات والنيوترونات داخل النوى.

يقع بحث CERN على مستوى أقل من ذلك في مكونات البروتونات والنيوترونات نفسها؛ ويشار إليها أحيانًا بفيزياء  الطاقة العالية، لكن الطاقات تكون عالية فقط عند عرضها على نطاق دون ذري، فعلى سبيل المثال، تمتلك الجزيئات الموجودة داخل مصادم الهدرونات الكبير طاقة بعوضة فقط، وفقًا لمجموعة تقييم السلامة في مصادم الهدرونات الكبير.

يشعر الناس بالقلق أيضًا من أن المصادم (LHC) قد ينتج ثقبًا أسودًا صغيرًا، ولكن حتى لو حدث هذا وهو أمر غير مرجح فسيكون صغيرًا بشكل لا يصدق وغير مستقر لدرجة أنه سيتلاشى في غضون جزء من الثانية وفقًا لتقرير السلامة.

بعد مرور أكثر من 12 عامًا على دخوله الخدمة، لا يزال LHC أكبر وأقوى مسرع للجسيمات في العالم، لكنها لن تحتفظ بهذا الرقم القياسي إلى الأبد، فلدى العديد من الدول خطط للمضي قدمًا؛ بما في ذلك مصادم الإلكترون البوزيتروني الدائري الصيني والمصادم الخطي الدولي في اليابان.

يستخدم مصادم الهادرونات الكبير، والذي سوف يستخدمه كحاقن للجسيمات؛ مما يحقق في نهاية المطاف طاقات أكبر بسبع مرات من سابقتها.