ماذا لو كان من الممكن ملاحظة لبنات البناء الأساسية التي يقوم عليها الكون؟ لا مشكلة! كل ما قد تحتاجه هو معجل ضخم للجسيمات ، مرفق تحت الأرض كبير بما يكفي لعبور الحدود بين بلدين ، والقدرة على تسريع الجسيمات إلى النقطة التي تبيد فيها بعضها البعض - إطلاق الطاقة والكتلة التي يمكنك بعد ذلك ملاحظتها بسلسلة من المراقبين الخاصين.
حسنًا ، مثلما كان الحظ محظوظًا ، فإن هذا المرفق موجود بالفعل ، وهو معروف باسم CERN Large Hardron Collider (LHC) ، والمعروف أيضًا باسم CERN Particle Accelerator. يبلغ طول محيطها حوالي 27 كيلومترًا وتقع عميقًا تحت السطح بالقرب من جنيف ، سويسرا ، وهي أكبر معجل للجسيمات في العالم. ومنذ أن قلب CERN المفتاح ، ألقى LHC بعض الضوء الجاد على بعض الألغاز العميقة للكون.
هدف:
المصادمات ، بحكم تعريفها ، هي نوع من معجل الجسيمات يعتمد على شعاعين موجهين من الجسيمات. يتم تسريع الجسيمات في هذه الأدوات إلى طاقات حركية عالية جدًا ثم يتم تصادمها مع بعضها البعض. ثم يقوم العلماء بتحليل المنتجات الثانوية لهذه التصادمات من أجل التأكد من هيكل العالم دون الذري والقوانين التي تحكمه.
الغرض من المصادمات هو محاكاة نوع التصادمات عالية الطاقة لإنتاج منتجات ثانوية للجسيمات التي لولاها لما كانت موجودة في الطبيعة. علاوة على ذلك ، تتحلل هذه الأنواع من المنتجات الثانوية للجسيمات بعد فترة زمنية قصيرة جدًا ، وهي صعبة الدراسة أو تكاد تكون مستحيلة الدراسة في الظروف العادية.
يشير مصطلح هادرون إلى الجسيمات المركبة المكونة من الكواركات التي يتم تجميعها معًا بواسطة القوة النووية القوية ، واحدة من القوى الأربع التي تحكم تفاعل الجسيمات (الأخرى هي القوة النووية الضعيفة ، الكهرومغناطيسية والجاذبية). أشهر أنواع الهادرونات هي الباريونات - البروتونات والنيوترونات - ولكنها تشمل أيضًا الميزونات والجزيئات غير المستقرة التي تتكون من كوارك واحد وواحد قديم.
التصميم:
يعمل المصادم LHC عن طريق تسريع حزمتين من "الهدرونات" - سواء البروتونات أو أيونات الرصاص - في اتجاهين متعاكسين حول أجهزته الدائرية. ثم تصطدم الهدرونات بعد أن تحقق مستويات عالية جدًا من الطاقة ، ويتم تحليل ودراسة الجسيمات الناتجة. وهو أكبر مسرع عالي الطاقة في العالم ، ويبلغ محيطه 27 كم (17 ميل) وعلى عمق 50 إلى 175 م (164 إلى 574 قدمًا).
يبلغ عرض النفق الذي يضم المصادم 3.8 متر (12 قدمًا) ، وكان يُستخدم سابقًا لإيواء مصادم إلكترون-بوزيترون الكبير (الذي كان يعمل بين عامي 1989 و 2000). يحتوي هذا النفق على خطين شعاعين متوازيين متجاورين يتقاطعان عند أربع نقاط ، يحتوي كل منهما على حزمة تسير في اتجاهين متعاكسين حول الحلقة. يتم التحكم في الشعاع عن طريق 1232 مغناطيس ثنائي القطب بينما يتم استخدام 392 مغناطيس رباعي القطب للحفاظ على تركيز الحزم.
يتم استخدام حوالي 10000 مغناطيس فائق التوصيل في المجموع ، والتي يتم الاحتفاظ بها في درجة حرارة تشغيلية -271.25 درجة مئوية (-456.25 درجة فهرنهايت) - وهي خجولة من الصفر المطلق - بنسبة 96 طنًا تقريبًا من الهليوم 4 السائل. وهذا يجعل أيضًا LHC أكبر منشأة مبردة في العالم.
عند إجراء تصادمات البروتون ، تبدأ العملية بمسرع الجسيمات الخطي (LINAC 2). بعد أن يزيد LINAC 2 من طاقة البروتونات ، يتم بعد ذلك حقن هذه الجسيمات في Proton Synchrotron Booster (PSB) ، مما يسرعها إلى سرعات عالية.
ثم يتم حقنها في Proton Synchrotron (PS) ، ثم على Super Proton Synchrtron (SPS) ، حيث يتم تسريعها بشكل أكبر قبل حقنها في المسرع الرئيسي. بمجرد الوصول إلى هناك ، يتم تجميع حزم البروتون وتسريعها إلى ذروة طاقتها على مدى 20 دقيقة. أخيرًا ، يتم تداولها لمدة تتراوح من 5 إلى 24 ساعة ، تحدث خلالها اصطدامات عند نقاط التقاطع الأربعة.
خلال فترات التشغيل القصيرة ، يتم تضمين تصادمات الأيونات الثقيلة (عادة أيونات الرصاص) في البرنامج. يتم تسريع أيونات الرصاص أولاً عن طريق المعجل الخطي LINAC 3 ، ويتم استخدام حلقة أيون منخفضة الطاقة (LEIR) كوحدة تخزين أيوني وبرودة. ثم يتم تسريع الأيونات عن طريق PS و SPS قبل حقنها في حلقة LHC.
أثناء اصطدام البروتونات وأيونات الرصاص ، يتم استخدام سبعة مكشافات لمسح منتجاتها الثانوية. وتشمل هذه تجربة A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) وتجربة الملف اللولبي Muon Solenoid (CMS) ، وكلاهما كاشفات للأغراض العامة مصممة لرؤية العديد من الأنواع المختلفة من الجسيمات دون الذرية.
ثم هناك أكثر أجهزة الكشف عن المصادم الأيوني الكبيرة (ALICE) وكاشفات مصادم الجمال (LHCb). في حين أن ALICE عبارة عن كاشف أيون ثقيل يدرس المواد شديدة التفاعل في كثافات الطاقة القصوى ، يسجل LHCb انحلال الجسيمات ويحاول تصفية الكواركات b و anti-b من منتجات تحللها.
ثم هناك ثلاثة مكشافات صغيرة ومتخصصة للغاية - تجربة قياس المقطع العرضي المرن والانعراج TOTal (TOTEM) ، والتي تقيس المقطع العرضي الكلي والتشتت المرن والعمليات الانكسارية ؛ كاشف Monopole & Exotic (MoEDAL) ، الذي يبحث في أحادية القطب المغناطيسية أو الجسيمات المشحونة المستقرة الضخمة (الزائفة) ؛ والمصادم الهادروني الكبير (LHCf) الذي يراقب الجسيمات النجمية (المعروفة أيضًا باسم الأشعة الكونية).
تاريخ العملية:
تم إنشاء CERN ، وهو اختصار لـ Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (أو المجلس الأوروبي للأبحاث النووية باللغة الإنجليزية) في 29 سبتمبر 1954 ، من قبل اثني عشر دولة من دول أوروبا الغربية الموقعة. كان الهدف الرئيسي للمجلس هو الإشراف على إنشاء مختبر فيزياء الجسيمات في جنيف حيث سيتم إجراء الدراسات النووية.
بعد فترة وجيزة من إنشائه ، تجاوز المختبر هذا وبدأ في إجراء أبحاث فيزياء الطاقة العالية أيضًا. كما نمت لتشمل عشرين دولة أوروبية: فرنسا ، سويسرا ، ألمانيا ، بلجيكا ، هولندا ، الدنمارك ، النرويج ، السويد ، فنلندا ، إسبانيا ، البرتغال ، اليونان ، إيطاليا ، المملكة المتحدة ، بولندا ، المجر ، جمهورية التشيك ، سلوفاكيا وبلغاريا وإسرائيل.
تمت الموافقة على بناء المصادم LHC في عام 1995 وكان من المقرر أن يكتمل في البداية بحلول عام 2005. ومع ذلك ، فإن تجاوزات التكاليف ، وتخفيضات الميزانية ، والصعوبات الهندسية المختلفة دفعت تاريخ الانتهاء إلى أبريل 2007. تم إطلاق المصادم LHC لأول مرة في 10 سبتمبر 2008 لكن الاختبار الأولي تأخر لمدة 14 شهرًا بعد حادث تسبب في أضرار جسيمة للعديد من المكونات الرئيسية للمصادم (مثل مغناطيس التوصيل الفائق).
في 20 نوفمبر 2009 ، تمت إعادة LHC إلى الإنترنت وتشغيلها لأول مرة في الفترة من 2010 إلى 2013. وخلال هذا المدى ، اصطدم حزمتان جسيمتان متعارضتان من البروتونات ونواة الرصاص في طاقات 4 تيرا إلكترون فولت (4 تي في) و 2.76 تي في لكل النواة ، على التوالي. الغرض الرئيسي من LHC هو إعادة الظروف مباشرة بعد الانفجار الكبير عندما كان يحدث تصادم بين الجسيمات عالية الطاقة.
الاكتشافات الرئيسية:
خلال جولة التشغيل الأولى ، تضمنت اكتشافات LHCs جسيمًا يُعتقد أنه Higgs Boson الذي طال انتظاره ، والذي تم الإعلان عنه في 4 يوليو 2012. هذا الجسيم ، الذي يعطي كتلة جزيئات أخرى ، هو جزء رئيسي من النموذج القياسي للفيزياء . نظرًا لكتلته العالية وطبيعة مراوغه ، فإن وجود هذا الجسيم كان قائمًا نظريًا فقط ولم يسبق ملاحظته من قبل.
كما سمح اكتشاف Higgs Boson والتشغيل المستمر لـ LHC للباحثين بالتحقيق في الفيزياء خارج النموذج القياسي. وقد شمل ذلك اختبارات تتعلق بنظرية التناظر الفائق. تظهر النتائج أن أنواعًا معينة من انحلال الجسيمات أقل شيوعًا من تنبؤ بعض أشكال التناظر الفائق ، ولكن لا يزال من الممكن أن تتطابق مع تنبؤات الإصدارات الأخرى من نظرية التناظر الفائق.
في مايو 2011 ، تم الإبلاغ عن أن بلازما الكوارك - جلون (نظريًا ، تم إنشاء المادة الأكثر كثافة إلى جانب الثقوب السوداء) في LHC. في 19 نوفمبر 2014 ، أعلنت تجربة LHCb اكتشاف جزيئين دون ذريين جديدين ثقيلين ، وكلاهما عبارة عن باريونات تتكون من قاع واحد ، وواحد لأسفل ، وكوارك غريب. لاحظ تعاون LHCb أيضًا العديد من الهدرونات الغريبة خلال الجولة الأولى ، ربما خماسيات أو tetraquarks.
منذ عام 2015 ، تجري المصادم LHC جولته الثانية. في ذلك الوقت ، تم تخصيصها لتأكيد الكشف عن هيجز بوسون ، وإجراء مزيد من التحقيقات في نظرية التناظر الفائق ووجود جسيمات غريبة على مستويات طاقة أعلى.
في السنوات القادمة ، تمت جدولة المصادم LHC لسلسلة من التحسينات للتأكد من أنه لا يعاني من تناقص العوائد. في 2017-2018 ، من المقرر أن تخضع LHC لترقية ستزيد من طاقة التصادم إلى 14 TeV. بالإضافة إلى ذلك ، بعد عام 2022 ، سيتلقى كاشف ATLAS ترقية مصممة لزيادة احتمال اكتشافه للعمليات النادرة ، والمعروفة باسم Luminosity LHC العالي.
تجري جهود البحث التعاوني المعروفة باسم LHC Accelerator Research Program (LARP) حاليًا بحثًا حول كيفية ترقية LHC بشكل أكبر. ومن أهم هذه الزيادات في تيار الشعاع وتعديل منطقتي التفاعل عالي اللمعان وكاشفات ATLAS و CMS.
من يدري ما الذي سيكتشفه المصادم LHC من الآن وحتى اليوم الذي يقطعون فيه الكهرباء في النهاية؟ بالتوفيق ، سيلقي المزيد من الضوء على أسرار الكون الأعمق ، والتي يمكن أن تشمل البنية العميقة للمكان والزمان ، وتقاطع ميكانيكا الكم والنسبية العامة ، والعلاقة بين المادة والمادة المضادة ، ووجود "المادة المظلمة ".
لقد كتبنا العديد من المقالات حول CERN و LHC for Space Magazine. إليك ما هو Higgs Boson ؟، آلة Hype تنكمش بعد أن تظهر بيانات CERN عدم وجود جسيمات جديدة ، BICEP2 في كل مرة أخرى؟ الباحثون يضعون اكتشاف هيجز بوسون في موضع شك ، تم العثور على جزيئين دون ذريين جديدين ، هل يوجد جسيم جديد على وشك الإعلان عنه؟ ، ربما الفيزيائيون ، ربما فقط ، يؤكدون الاكتشاف المحتمل للقوة الخامسة للطبيعة.
إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول مصادم Hadron الكبير ، فراجع صفحة LHC الرئيسية ، وهنا رابط إلى موقع CERN الإلكتروني.
يلقي علم الفلك أيضًا بعض الحلقات حول هذا الموضوع. استمع هنا ، الحلقة 69: مصادم هادرون الكبير والبحث عن هيجز بوسون والحلقة 392: النموذج القياسي - مقدمة.
مصادر:
- ويكيبيديا - سيرن
- ويكيبيديا - مصادم هادرون الكبير
- سيرن - مجمع المعجل
- سيرن - مصادم الهادرون الكبير
