لا أحد يعبث مع مصادم الهادرونات الكبير. إنه أكبر محطم للجسيمات في العصر الحديث، ولا شيء يضاهي طاقته وقدراته في دراسة حدود الفيزياء ولغز بوزون هيجز. لكن المجد زائل، ولا شيء يصمد إلى الأبد. في نهاية الأمر ستنطفئ الأنوار في حلقة الطاقة هذه التي تمتد بطول 27 كيلومترًا، وسيكون ذلك في عام 2035، لكن ما لذي سيأتي بعد ذلك؟
تتسابق المجموعات العلمية حول العالم من أجل ضمان الدعم المالي للمصادم القادم. إذ ورد تصميم جديد في مجلة arXiv في يوم 13 أغسطس من العام الحالي (2019) وأُطلق عليه اسم المصادم الخطي المضغوط Compact Linear Collider أو CLIC اختصارًا، يتصدر الريلغان دون الذري الجديد المشهد.
ما هي حقيقة بوزون هيجز؟ وما هي علاقته بالكوارك القمي؟ هل يمكننا الحصول على إشارات فيزيائية تتجاوز النموذج المعياري؟ قد يتمكن «كليك» من الإجابة على تلك الأسئلة. يتطلب الأمر مصادم جسيمات أكبر من منهاتن فحسب.
سباقات دون ذرية:
يسحق مصادم الهادرونات الكبير LHC ما يمكن اعتباره جسيمات ثقيلة تسمى بالهادرونات؛ ومنه يأتي اسم المنشأة. لديك حزمة من الهادرونات داخل جسمك، وتمثل النيوترونات والبروتونات معظم تلك الجماعة المجهرية.
تجري الهادرونات في المصادم الكبير دورةً بعد دورة، حتى تصل إلى سرعة تقارب سرعة الضوء لتبدأ بالتصادم. رغم عظمته -إذ يصل LHC إلى طاقات لا مثيل لها لأي جهاز آخر على الأرض– يبقى الأمر برمته فوضويًا. فالهادرونات جسيمات مختلطة، إذ تعتبر مجرد تجمعات لأشياء جوهرية أصغر، وعند تصادمها تنتشر تلك المكونات الأصغر في كل مكان، ما يجعل التحليل معقدًا.
في المقابل، صُمم مصادم كليك ليكون أبسط وأنظف وأكفأ. سيسرع كليك الإلكترونات والبوزيترونات -المادة المضادة للإلكترون- بدلًا من الهادرونات، وهما من الجسيمات الجوهرية للضوء.
وسيسرع هذا المحطم الجسيمات في خط مستقيم يمتد ما بين 11 إلى 50 كيلومترًا، إذ يعتمد ذلك على التصميم النهائي.
لن تحدث كل تلك الروعة مرةً واحدةً. ي
توقع التصميم الحالي عمل مصادم كليك بطاقة أقل بحلول سنة 2035، تمامًا عند وضع مصادم الهادرونات الكبير خارج الخدمة. سيعمل الجيل الأول من كليك بطاقة 380 جيجا-إلكترون-فولت (GeV)، أقل من واحد على ثلاثين مقارنةً بطاقة مصادم الهادرونات الكبير.
في الحقيقة، ستكون الطاقة القصوى لكليك في حدود 3 تيرا-إلكترون-فولت (TeV)، وذلك أقل من ثلث الطاقة التي يصل إليها مصادم الهادرونات الكبير حاليًا.
إذن، إذا لم يتمكن مصادم الجسيمات من الجيل الجديد من مجابهة ما يمكننا فعله الآن، ما لجدوى من ذلك؟
البحث عن هيجز:
جواب كليك هو أن نعمل بذكاء، وليس بقوة. كان من بين أبرز أهداف مصادم الهادرونات الكبير إيجاد بوزون هيجز، الجسيم الذي تُخيل منذ زمن والذي يمنح للجسيمات كتلتها.
في ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي، حين كان مصادم الهادرونات الكبير في مكاتب التصميم، لم نكن متأكدين من وجود هيجز، ولم تكن لدينا أدنى فكرة عن كتلته وخصائصه الأخرى. لذلك اضطررنا لبناء جهاز مع غاية عامة يمكنه البحث في التفاعلات المختلفة التي ستقود نظريًا إلى الكشف عن بوزون هيجز. وها قد حققنا ذلك!
لكن الآن وبعلمنا بوجود بوزون هيجز، بإمكاننا ضبط مصادماتنا للنظر في مجموعة أضيق من التفاعلات. بفعل ذلك سنعمل على صنع أكبر عدد ممكن من بوزونات هيجز، ثم جمع العديد من البيانات المفيدة لخوض دراسة أعمق لهذا الجسيم الغريب والأساسي.
وربما هنا نأتي لذكر إحدى أغرب المصطلحات الفيزيائية التي قد تقابلها هذا الأسبوع: هيجز-شتغالون Higgsstrahlung؛ كلمة مركبة من Higgs وStrahlung التي تعني إشعاع بالألمانية، نعم لقد قرأت ذلك بشكل صحيح.
هناك عملية في فيزياء الجسيمات يطلق عليها اسم أشعة انكباح bremsstrahlung، وهو نوع فريد من الإشعاعات تنتجه مجموعة من الجسيمات الساخنة المتراصة داخل صندوق صغير.
بشكل مماثل، عندما تضرب الإلكترونات بقوة نحو موقع عالي الطاقة، ستدمر بعضها البعض منتجةً وابلًا من الطاقة وجسيمات جديدة، نجد من بينها Z بوزون والهيجز بوزون. وهو ما يُسمى بإشعاع هيجز Higgsstrahlung. في حدود طاقة تصل إلى 380 GeV سيكون مصادم كليك بمثابة مصنع هائل لإشعاع هيجز.
ما وراء الكوارك القمي:
نشر الفيزيائي ألكسندر فيليب زارنيسكي Aleksander Filip Zarnecki من جامعة وارسو في بولندا، والعضو في تنسيقية كليك، ورقةً بحثية جديدة يشرح فيه الوضعية الحالية لتصميم المنشأة معتمدًا على محاكاة متطورة للمكشافات ومصادم الجسيمات.
يكمن أملنا مع كليك بإنتاج عدد كافٍ من بوزونات هيجز في البيئات سهلة الدراسة وأكثر نظافةً، بإمكاننا معرفة أشياء أكثر عن الجسيم. هل يوجد أكثر من هيجز واحد؟ هل تتخاطب تلك الهيجزات مع بعضها البعض؟ بأي قوة تتفاعل الهيجزات مع الجسيمات الأخرى من النموذج المعياري، النظرية الأساسية للفيزياء دون الذرية؟
ستطبق نفس الفلسفة على الكوارك القمي، أكثر الكواركات ندرةً وأقلها فهمًا من طرفنا. من المرجح عدم سماعك بالكوارك القمي لأنه وحيد بنوعه؛ كان آخر كوارك مكتشف ولم نره إلا نادرًا.
حتى خلال مرحلة الانطلاق، سيصنع كليك حوالي مليون كوارك قمي، ما سيمكننا من توفير قوة إحصائية غير معهودة في حقبة مصادم الهادرونات الكبير والمصادمات المعاصرة الأخرى. يأمل الفريق العامل وراء مشروع كليك بدراسة كيفية اضمحلال جسيمات الكوارك القمي، ويحدث ذلك نادرًا. لكن بوجود مليون فرد منهم، قد نحصل على فرصة أكبر للتعلم.
لكن هذا ليس كل شيء. من المؤكد أن حل لغز بوزون هيجز والكوارك القمي يعتبر مهمةً جوهرية، لكن تصميم مصادم كليك يسمح له بدفع الفيزياء خارج حدود النموذج المعياري. حتى الآن، يخرج مصادم الهادرونات الكبير خالي اليدين في أبحاثه حول جسيمات جديدة والفيزياء الجديدة. ورغم بقاء بضع سنوات للمصادم الكبير لمفاجأتنا، يتضاءل الأمل بمرور الزمن.
من خلال إنتاجه لعدد لا يحصى من بوزونات هيجز والكواركات القمية، يمكن لكليك أن يبحث عن إشارات لفيزياء جديدة. إذا كان هناك جسيم غريب يتفاعل في الأرجاء، فقد يؤثر على سلوكيات وتفاعلات وإضمحلالات هذين الجسيمين.
قد يتمكن كليك حتى من إنتاج الجسيم المسؤول عن المادة المظلمة، تلك المادة الغريبة وغير المرئية التي تغير مسار السماوات. لن تتمكن المنشأة من رؤية المادة المظلمة مباشرةً، لأنها مظلمة دون شك، لكن بإمكان الفيزياء ملاحظة غياب الطاقة أو الزخم خلال أحداث التصادم، تلك الإشارة القاطعة بحدوث شيء ما.
من يعلم ما قد يكتشفه كليك! لكن مهما كان الأمر، علينا الذهاب أبعد من مصادم الهادرونات الكبير إذا ما أردنا فرصةً أفضل لفهم الجسيمات المعروفة لكوننا واكتشاف بعض الجسيمات الأخرى.
اقرأ أيضًا:
ضربة حظ قد تكون تاريخية: مصادم الهادرونات الكبير يكتشف بوزون هيجز مرة أخرى
تجربة ATLAS تظهر أن بوزون هيجز يتحلل إلى فرميونات
ترجمة: وليد سايس
تدقيق: محمد سعد السيد
مراجعة: آية فحماوي
