في عام 2008 ، انطلق شعاع من البروتونات لأول مرة حول مصادم هادرون الكبير (LHC) ، أقوى مسرع الجسيمات في العالم. الآن ، بعد عقد من الزمن ، حان الوقت لتقييم ما تعلمناه بفضل هذا المرفق وما ينتظرنا.
تتضمن هذه المحاسبة كلاً من البحث المستقبلي الذي يمكن لـ LHC إجراؤه ومنشآت جديدة محتملة يمكن أن تصطدم بالجسيمات بطاقات تتجاوز بكثير ما يمكن لـ LHC تحقيقه. وقد تم اقتراح اثنين أو ربما ثلاثة بدائل محتملة للمصادم LHC. لذا ، دعنا نستعرض أين نحن وأين وصلنا على مدى العقد الماضي.
قصة LHC مبهجة ومضطربة ، مع أحداث تتراوح من الأضرار الكارثية للمغناطيسات الضخمة للأداة في الأيام الأولى من العمليات ، إلى ارتفاع يشبه طائر الفينيق من تلك المأساة ، يليه اكتشافات قوية ومثيرة ، بما في ذلك اكتشاف بوزون هيجز. حصل هذا الاكتشاف على جائزة نوبل لبيتر هيجز وفرانسوا إنجلرت ، حيث توقعوا الجسيم قبل أكثر من نصف قرن. من غير المعتاد أن يتابع العالم بسرعة أخبار الجسيمات الفيزيائية ، لكن الإعلان عن اكتشاف هيجز قاد نشرات الأخبار في جميع أنحاء العالم.
إيجاد فيزياء جديدة
كان الفيزيائيون أيضًا على حافة مقاعدهم ، بانتظار ما كانوا يأملون أن تكون اكتشافات غير متوقعة. منذ ما يقرب من نصف قرن ، كان لدى العلماء الفهم النظري الحالي لسلوك المادة دون الذرية. يسمى هذا الفهم النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.
يشرح النموذج السلوك المرصود لجزيئات وذرات المادة العادية وحتى لأصغر وحدات البناء المعروفة على الإطلاق. تسمى هذه الجسيمات الكواركات واللبتونات ، مع وجود الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات التي تتكون من نواة الذرة ومع الإلكترونات كونها اللبتون الأكثر شيوعًا. يشرح النموذج القياسي أيضًا سلوك جميع القوى المعروفة ، باستثناء الجاذبية. إنه حقا إنجاز علمي غير عادي.
ومع ذلك ، لا يفسر النموذج القياسي كل الأشياء في الفيزياء النظرية. لا يفسر سبب وجود الكواركات واللبتونات في ثلاثة تكوينات متميزة ، ولكنها متطابقة تقريبًا ، تسمى الأجيال. (لماذا ثلاثة؟ لماذا لا اثنان؟ أو أربعة؟ أو واحد؟ أو 20؟) هذا النموذج لا يفسر سبب كون كوننا مصنوعًا بالكامل من المادة ، في حين أن الفهم الأبسط لنظرية ألبرت أينشتاين النسبية يقول أنه يجب أن يحتوي الكون أيضًا كمية متساوية من المادة المضادة.
لا يفسر النموذج القياسي لماذا تشير دراسات الكون إلى أن المادة العادية للذرات تشكل 5 في المائة فقط من المادة والطاقة في الكون. ويعتقد أن الباقي يتكون من مادة مظلمة وطاقة مظلمة. المادة المظلمة هي شكل من أشكال المادة التي لا تواجه سوى الجاذبية ولا شيء من القوى الأساسية الأخرى ، في حين أن الطاقة المظلمة هي شكل من أشكال الجاذبية البغيضة التي تتخلل الكون.
قبل العمليات الأولى لمصادم LHC ، كان الفيزيائيون مثلي يأملون أن يساعدنا جهاز تحطيم الذرة في الإجابة على هذه الأسئلة المحيرة. كانت نظرية المرشح الأكثر شيوعًا لشرح هذه الألغاز تسمى التناظر الفائق. يقترح أن جميع الجسيمات دون الذرية المعروفة لها جسيمات نظيرة "superpartner". وهذه بدورها يمكن أن تقدم تفسيراً للمادة المظلمة وتجيب على بعض الأسئلة الأخرى. ومع ذلك ، لم يلاحظ الفيزيائيون أي تناظر فائق. علاوة على ذلك ، استبعدت بيانات المصادم LHC أبسط النظريات التي تتضمن التناظر الفائق. إذن ، ما الذي حققه المصادم LHC؟
لقد قام LHC بالكثير
حسنًا ، وبصرف النظر عن ذلك الشيء الكامل لبوزون هيجز ، فقد قامت LHC بتغذية البيانات إلى أربعة تعاونات تجريبية كبيرة ، مما أدى إلى أكثر من 2000 ورقة علمية. داخل المصادم LHC ، تم تحطيم الجسيمات في بعضها البعض عند طاقات أعلى 6.5 مرة من تلك التي حققها Fermilab Tevatron ، والتي احتفظت بلقب أقوى مسرع للجسيمات في العالم لمدة ربع قرن ، حتى أخذ LHC هذا التاج.
كانت هذه الاختبارات للنموذج القياسي مهمة للغاية. كان من الممكن أن يختلف أي من هذه القياسات مع التوقعات ، والتي كان من الممكن أن تؤدي إلى اكتشاف. ومع ذلك ، اتضح أن النموذج القياسي هو نظرية جيدة للغاية ، وأنه قدم توقعات دقيقة في طاقات تصادم LHC كما فعل بالنسبة لمستويات الطاقة في تيفاترون السابقة.
لذا ، هل هذه مشكلة؟ الجواب بالمعنى الحقيقي للغاية. بعد كل شيء ، يتعلق العلم باختبار ورفض الأفكار الجديدة الخاطئة بقدر ما يتعلق بالتحقق من صحة الأفكار الصحيحة.
من ناحية أخرى ، لا يمكن إنكار أن العلماء كانوا أكثر حماسًا للعثور على الظواهر التي لم تكن متوقعة سابقًا. تقود الاكتشافات من هذا النوع المعرفة البشرية ، وتوجت بإعادة كتابة الكتب المدرسية.
قصة LHC لم تنته بعد
لذا ، ماذا الآن؟ هل أنهى المصادم LHC روايته؟ بالكاد. في الواقع ، يتطلع الباحثون إلى إدخال تحسينات على المعدات التي ستساعدهم على دراسة الأسئلة التي لا يمكنهم تناولها باستخدام التكنولوجيا الحالية. تم إغلاق LHC في أوائل ديسمبر 2018 لمدة عامين من التجديدات والترقيات. عندما يستأنف المعجل عملياته في ربيع عام 2021 ، سيعود مع زيادة طفيفة في الطاقة ولكن مضاعفة عدد التصادمات في الثانية. مع الأخذ في الاعتبار التحسينات المخطط لها في المستقبل ، سجل علماء المصادم LHC حتى الآن 3 بالمائة فقط من البيانات المتوقعة. في حين أن فحص جميع النتائج سيستغرق سنوات عديدة ، فإن الخطة الحالية هي تسجيل بيانات أكثر بنحو 30 مرة مما تم الحصول عليه حتى الآن. مع وجود المزيد من البيانات في المستقبل ، لا يزال لدى LHC الكثير من القصة لترويها.
ومع ذلك ، في حين أن المصادم LHC سيعمل على الأرجح لمدة 20 عامًا أخرى ، فمن المعقول تمامًا أن نسأل أيضًا "ما التالي؟" يفكر فيزيائي الجسيمات في بناء مسرع جسيمات متتابع ليحل محل المصادم LHC. باتباع تقاليد المصادم LHC ، هناك احتمال واحد هو تصادم حزم من البروتونات معًا في طاقات محيرة للعقل - 100 تريليون فولت إلكترون (TeV) ، وهو أكبر بكثير من قدرة LHC الأعلى من 14 TeV. لكن تحقيق هذه الطاقات يتطلب شيئين: أولاً ، سنحتاج إلى بناء مغناطيسات أقوى مرتين من تلك التي تدفع الجسيمات حول المصادم LHC. يعتبر هذا تحديا ولكنه قابل للتحقيق. ثانيًا ، سنحتاج إلى نفق آخر ، يشبه إلى حد كبير LHC ، ولكن أكبر بثلاث مرات تقريبًا ، مع محيط ملعب يبلغ 61 ميلاً (100 كيلومتر) ، أكبر بنحو أربعة أضعاف من LHC.
ولكن أين سيتم بناء هذا النفق الكبير ، وكيف سيكون شكله حقًا؟ ما الحزم التي سوف تصطدم وبأي طاقة؟ حسنا ، هذه أسئلة جيدة. نحن لسنا بعيدين بما فيه الكفاية في عملية التصميم وصنع القرار للحصول على إجابات ، ولكن هناك مجموعتان كبيرتان جدًا ومبدعان من الفيزيائيين يفكران في القضايا ، وقد أنشأ كل منهما اقتراحًا لتسريع جديد. يتخيل أحد المقترحات ، مدفوعًا إلى حد كبير بمجموعات البحث الأوروبية ، بناء معجل إضافي كبير ، على الأرجح يقع في مختبر CERN ، خارج جنيف.
تحت فكرة واحدة ، فإن المنشأة هناك تصطدم بحزمة من الإلكترونات والإلكترونات المضادة للمادة. بسبب الاختلافات بين البروتونات المتسارعة مقارنة بالإلكترونات - تفقد شعاع الإلكترون طاقة حول الهيكل الدائري أكثر من شعاع البروتون - ستستخدم هذه الحزمة النفق الذي يبلغ طوله 61 ميلًا ولكنه يعمل بطاقة أقل مما لو كانت بروتونات. اقتراح آخر سيستخدم نفس المعجل بطول 61 ميلًا لتصادم حزم البروتونات. اقتراح أكثر تواضعا سيعيد استخدام نفق LHC الحالي ولكن بمغناطيس أكثر قوة. سيؤدي هذا الخيار إلى مضاعفة طاقة التصادم فقط فوق ما يمكن لـ LHC القيام به الآن ، ولكنه بديل أقل تكلفة. اقتراح آخر ، إلى حد كبير من قبل الباحثين الصينيين ، يتصور منشأة جديدة بالكامل ، يفترض أنها بنيت في الصين. سيكون هذا المعجل أيضًا حوالي 61 ميلًا ، وسيصطدم بالإلكترونات والإلكترونات المضادة للمادة معًا ، قبل التحول إلى تصادمات البروتون-البروتون في حوالي عام 2040.
لا يزال هذان المشروعان المحتملان في مراحل الحديث. في نهاية المطاف ، سيتعين على العلماء الذين يقدمون هذه الاقتراحات إيجاد حكومة أو مجموعة من الحكومات على استعداد لدفع الفاتورة. ولكن قبل أن يحدث ذلك ، يحتاج العلماء إلى تحديد القدرات والتقنيات اللازمة لجعل هذه المرافق الجديدة ممكنة. أصدرت المجموعتان مؤخرًا وثائق شاملة ودقيقة حول تصميماتهما. هذا ليس كافيًا لبناء مرافقهم المقترحة ، ولكنه جيد بما يكفي لمقارنة الأداء المتوقع للمختبرات المستقبلية والبدء في وضع توقعات موثوقة للتكاليف.
إن التحقيق في حدود المعرفة هو مسعى صعب ، ويمكن أن يستغرق عدة عقود من الأحلام الأولى لبناء منشأة بهذا الحجم ، من خلال العمليات إلى إغلاق المنشأة. بينما نحتفل بالذكرى السنوية العاشرة للحزمة الأولى في المصادم LHC ، يجدر تقييم ما أنجزته المنشأة وما سيحمله المستقبل. يبدو لي أنه ستكون هناك بيانات مثيرة للجيل القادم من العلماء للدراسة. وربما ، ربما فقط ، سنتعلم المزيد من أسرار الطبيعة الرائعة.
دون لينكولن باحث في الفيزياء في فيرميلاب. هو مؤلف "مصادم هادرون الكبير: القصة الاستثنائية لبوز هيجز وغيره من الأشياء التي ستفجر عقلك"(مطبعة جامعة جونز هوبكنز ، 2014) ، وهو ينتج سلسلة من تعليم العلوم أشرطة فيديو. اتبعه في الفيس بوك. الآراء الواردة في هذا التعليق هي آراءه.
ساهم دون لينكولن في هذا المقال في Live Science's أصوات الخبراء: Op-Ed & Insights.
