هل سينقذ مسرع الميون فيزياء الجسيمات؟

في السنوات الأخيرة، ناقش الفيزيائيون من جميع أنحاء العالم بناء مسرع الميون بدلاً من المسرعات التقليدية الأخرى المعتمدة على البروتونات أو الإلكترونات. يتمتع مثل هذا المسرع بمزايا واضحة في اكتشاف فيزياء جديدة، لكن بناءه يصاحبه العديد من التحديات التكنولوجية. وفي هذا المقال سأستعرض كلام البروفيسور نعمة أركاني حامد من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون حول الحاجة إلى بناء مثل هذا المسرع

تعتمد فيزياء الجسيمات في الغالب على تجارب المسرعات التي توفر لمحة مباشرة عن الطبيعة عند الطاقات العالية، أو بدلا من ذلك، على مسافات قصيرة. يعمل المسرع الشهير في سارن على تسريع البروتونات، وهي جسيمات موجبة الشحنة تتكون من الكواركات والجلونات. تأتي المسرعات بشكل أساسي في شكلين: مسرع خطي يطلق الجسيمات نحو هدف في مسار مستقيم، أو مسرع دائري يطلق حزم الجسيمات التي تتحرك في مسار دائري ومعاكس حتى الاصطدام. وبطبيعة الحال، البروتونات ليست هي الجسيمات الوحيدة التي يمكن تسريعها. تعتمد المسرعات الأقل شهرة على الإلكترونات والأيونات الثقيلة (نسبيًا) والبوزيترونات. في السنوات الأخيرة، تم طرح العديد من المقترحات لبناء معجل أيوني، لكن المناقشة لا تزال "منخفضة الحرارة". وفي الآونة الأخيرة، اكتسبت المناقشة زخما، وفي الأسابيع القليلة الماضية تقرر تخصيص مؤتمر لهذا الموضوع في معهد كابالي لأبحاث الفيزياء النظرية في سانتا باربرا. وفي إطار الحدث، عرض البروفيسور نعمة أركاني حامد من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، أحد المنظرين المشهورين في المجتمع، موقفه من الحاجة إلى مثل هذا المسرع. وفي هذا المقال سأستعرض أجزاء من خطاباته التي ألقيت ضمن فعاليات المؤتمر.

نظرًا لأن الميون أقل شهرة لدى عامة الناس، فمن المستحسن أن نتعرض له بشكل مناسب. لنبدأ بالتفاصيل العامة:

الميون هو جسيم أولي من عائلة لبتون (الجسيمات الضوئية). تمامًا مثل "أخيه" الإلكترون، يمتلك الميون شحنة كهربائية سالبة، لكنه أثقل منه بـ 200 مرة، وبالأرقام تبلغ كتلته 105 ميجا إلكترون فولت (في الوحدات التي يتم فيها تسوية سرعة الضوء إلى واحد) أو، بالوحدات المعروفة، حوالي جزء من مليون من تريليون من تريليون من الجرام. الميون هو جسيم غير مستقر، مما يعني أنه يضمحل إلى جسيمات أخف في وقت قصير نسبيا. في حالة السكون، يبلغ عمر النصف حوالي جزء من المليون من الثانية، وفي عملية الاضمحلال ينقسم إلى نيوترينو أيوني وبوزون W الذي يضمحل بدوره إلى إلكترون وإلكترون مضاد للنيوترينو. وفي الوقت نفسه، الميون شائع جدًا في الطبيعة. في كل لحظة، يمر عبرنا حوالي 200 ميون في كل متر مربع.

على مسرع الميون

إذا كان عمر النصف هو جزء من المليون من الثانية، فكيف يمكن تسريع وتدمير الميونات في المسرعات؟ الزمن نسبي، وبحسب النظرية النسبية الخاصة فإن الفترة الزمنية التي تمر في جسم يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء تختلف عن الفترة الزمنية التي تمر في جسم ساكن. في الواقع، عندما يتم تسريع الجسيمات إلى سرعات عالية، فإن متوسط ​​وقت الاضمحلال يزيد بشكل كبير، وهو ما يكفي لإجراء تجارب عليها.
ما هي هذه السرعات؟ حوالي 99.99999999 بالمئة من سرعة الضوء. والطاقة التي سيتم إطلاقها من اصطدام الميونات التي تتحرك بهذه السرعة تقترب من 10 تيرا إلكترون فولت. تبلغ الطاقة المنطلقة أثناء الاصطدام في معجل المحور حوالي 14 تيرا إلكترون فولت، فلماذا يعتبر معجل الميون أفضل؟ الجواب على هذا السؤال مخفي في حقيقة أن البروتون ليس جسيمًا أوليًا. تنقسم الطاقة المستهلكة في تسريع البروتونات بين الكواركات والجلونات التي تشكلها. وهكذا، يقوم المعجل المحوري باختبار النموذج القياسي على مقياس طاقة يبلغ 1 تيرا إلكترون فولت (أو عن طريق القياس مع الفيزياء التي تحدث على مسافات جزء من مليار من مليار من المتر). في المقابل، يقوم مسرع الميون بإنشاء تصادمات بين الجسيمات الأولية، بحيث يتم ترجمة كل الطاقة إلى تصادم واحد. في العقد الماضي، تم تقديم مقترحات لبناء مسرع بروتون أكبر، والذي سينتج طاقة قدرها 100 تيرا إلكترون فولت من كل تصادم. من المفترض أن يكون المعجل المعني ضخمًا، حيث يبلغ محيطه حوالي مائة كيلومتر، ومن الناحية العملية سيمكن من إجراء أبحاث في الفيزياء حول 10 تيرا إلكترون فولت. في المقابل، يجب أن يكون مسرع الميون أصغر بكثير (محيطه حوالي 10 كيلومترات)، نظرًا لأن الطاقة المستهلكة في التسارع أقل بكثير من مسرع البروتون. كما يوفر معجل الميون الطاقة بشكل غير مباشر لأن إشعاع السنكروترون المنبعث من تسارع الميون أصغر بكثير من الإشعاع المنبعث من تسارع البروتون. وعندما ينبعث هذا الإشعاع، تقل الطاقة التي يحملها الجسيم. ولسوء الحظ، هذه عملية لا يستهان بها، ولكننا سنرى لاحقا أن هذا العيب سيتحول إلى ميزة في مسرعات الميون.

هل ماتت فيزياء الجسيمات؟

المسرعات هي الوسيلة الأكثر مباشرة لفحص وجود الجسيمات في الطبيعة. وعلى الرغم من وجود أدلة غير مباشرة على وجود جسيمات افتراضية مثل المادة المظلمة (جسيم افتراضي لا يتلامس مع الجسيمات المعروفة إلا عن طريق الجاذبية)، إلا أنه لا يوجد خلاف على أنه لا يوجد بديل للقياس المباشر للجسيمات في المختبر. لا بد أن القراء المقربين الذين بنيناهم يتساءلون هل ماتت فيزياء الجسيمات؟ هذا سؤال مشروع يجب أن نطرحه! بعد كل شيء، كان آخر اكتشاف مهم قبل عقد من الزمن، عندما تم تحديد موقع بوزون هيغز (المقدر قبل خمسين عاما) في سارن وأكمل بناء النموذج القياسي. أبعد من ذلك، لم تتحقق الوعود بوجود أبعاد إضافية و"جسيمات فائقة" وثقوب سوداء مجهرية. كل تجربة تم إجراؤها في العقود القليلة الماضية أعادت تأكيد النموذج القياسي، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فقد لفتت انتباه وسائل الإعلام الشعبية بسرعة كبيرة لأنه بعد فترة وجيزة، تم الكشف عن أنها شذوذ في التجربة التي تقاربت إلى نتيجة تتفق مع النظرية. 

يجيب نيما على هذا السؤال بالنفي، ففيزياء الجسيمات لم تمت بعد. والسبب في ذلك هو أن جسيم هيغز نفسه يصف فيزياء جديدة، وهي الفيزياء التي لا يقدرها الناس بما فيه الكفاية. وفي الواقع، فإن حقيقة أنه في العقد الماضي تم اكتشاف جسيم هيغز فقط ولا شيء أبعد من ذلك يشكل تحديًا نظريًا في حد ذاته. ولهذا السبب من الضروري بناء المزيد من التجارب للعثور على النظرية الصحيحة لجسيم هيغز وخصائصه. ويعتبر الجسيم، وهو بوزون ذو دوران صفري، جسيمًا خاصًا، لأنه لا يوجد شيء مثله في الطبيعة. إنه جسيم بسيط للغاية، وبصرف النظر عن الكتلة، ليس له أي خصائص أخرى. وينبع تفرده أيضًا من حقيقة أنه يمنح الجسيمات الأخرى تكافؤها بفضل تفاعلها معها. في الواقع، سؤال لماذا الجسيمات مثل الإلكترونات والكيروسين الضخمة يترجم إلى سؤال آخر، وهو - ما هو مصدر كتلة هيغز؟ ولماذا يتم تحديد قيمتها بهذه الطريقة؟

وماذا عن الجسيمات غير الضخمة، هل يمكننا أن نفسر سبب كونها عديمة الكتلة؟ وبشكل أكثر عمومية، هل هناك أي جسيمات نعرف كيفية تفسيرها من المبادئ الأساسية (التي لا تنشأ من التفاعلات مع الجسيمات الأخرى)؟ الجواب على ذلك هو نعم. يمكننا الإجابة، على سبيل المثال، على سؤال لماذا لا يكتسب الفوتون كتلة عندما يتلامس مع جسيمات أخرى. والسبب في ذلك معقد بعض الشيء وينبع من البنية الرياضية التي تصف الفوتون. في الواقع، فإن عدد درجات الحرية، أي عدد الاتجاهات المحتملة التي يمكن أن يهتز بها الفوتون بالنسبة لاتجاه حركته، يجبره على أن يكون عديم الكتلة. لا تمتلك الجسيمات الأولية الأخرى قيودًا مماثلة لتلك التي يمتلكها الفوتون، وبالتالي فإنها تكتسب كتلة عند ملامستها للجسيمات الأخرى.

ولهذا السبب يعتبر جسيم هيغز فريدا من نوعه، لأنه وفقا للنموذج القياسي لا يمكن استخلاص كتلته من مصدر آخر. في الواقع، لتحديد كتلته يجب علينا إجراء تجارب في المسرعات. بالنسبة للفيزيائيين النظريين، تعتبر هذه الحقيقة كارثة. بالنسبة لهم، لا توجد قيمة عددية في الطبيعة لا يمكن التنبؤ بها من خلال الحسابات. سيقول البعض بالقوة، والبعض سيقول بالصدفة والأناقة، طور الفيزيائيون نماذج يمكن من خلالها إجراء الحسابات وتحديد كتلة هيغز بدقة. ولسوء الحظ، فإن هذه النماذج لا تخلو من الآثار الجانبية. على سبيل المثال، يتنبأ نموذج التناظر الفائق بوجود عدد أكبر من الجسيمات في الطبيعة. لو كانت هذه العناصر موجودة، لكان من المفترض أن نراها بالفعل في المسرعات، لكن لم يتم ملاحظتها مطلقًا. وهذه مفاجأة نظرية مثيرة للاهتمام، تجبر المنظرين على التفكير بعمق أكبر للعثور على المصدر الحقيقي لكتلة هيغز. 

الحل الآخر الذي اقترحه الباحثون يفترض أن هيغز ليس جسيمًا أوليًا، ولكنه يتكون من جسيمات أولية أخرى، مثل البروتون على سبيل المثال. حتى الآن، يشير الحل التجريبي إلى أن جسيم هيغز هو جسيم أولي، لكن هذا السؤال لا يزال مفتوحا. كم تبعد بقع هيغز؟ هل لها بنية داخلية؟ لست متأكدًا مما إذا كنا سنحصل على إجابة لا لبس فيها على هذا السؤال، لكن المسرعات المستقبلية ستكون قادرة على تحسين تقديراتها عشرة أضعاف. لحسن الحظ، كل إجابة مثيرة للاهتمام في حد ذاتها، وسوف تجبرنا على استنتاج فيزياء جديدة منها.

فوائد بناء مسرع أيوني

ما هي مميزات مسرع الميون في أبحاث هيجز؟ أولاً، كما سبق أن ذكرت أعلاه، فإن الميونات هي جسيمات أولية، لذا فإن كل الطاقة المستثمرة فيها تنتقل مباشرة إلى تصادم واحد، على عكس معجل البروتون الذي تتوزع طاقته بين مكوناته المختلفة. علاوة على ذلك، يصدر الميون إشعاعًا كهروضعيفًا أثناء التسارع. على مقياس الطاقة المعني، لا يمكن التمييز بين الإشعاع الكهرومغناطيسي والإشعاع الضعيف المنبعث من تسارع الميونات. عندما تصطدم الإشعاعات الكهربائية الضعيفة ببعضها البعض، فإنها تكوّن جسيمات هيغز ذات احتمالية عالية نسبيًا. تتحدث التقديرات عن عشرات الملايين من جسيمات هيغز في كل مرة. ومن هذه الاصطدامات يمكننا استنتاج حجم هيغز بدقة تبلغ واحدا في المئة، مقارنة بالمسرعات النظرية المعتمدة على الإلكترونات والبوزيترونات على سبيل المثال، والتي ستقدر حجم هيغز بدقة تبلغ عشرة في المئة.

ماذا عن الفيزياء غير المرتبطة بهيغز؟ هل يمكن أن تظهر جسيمات جديدة في المسرعات؟ حسنًا، يحاول الفيزيائيون ويخشون التنبؤ بوجود جسيمات جديدة، لكن لا يمكن القول إنهم لا يحاولون. تُسمع أحيانًا ادعاءات مفادها أننا لم نتوقع وجود أي جسيم بمقياس طاقة أعلى بعشر مرات من ذلك الذي ينتجه سارن، لكن هذا الادعاء يمكن دحضه بسهولة. نموذج الضعيف للمادة المظلمة هو مثال على ذلك. ويتنبأ النموذج الأساسي الذي تم تطويره في الثمانينات بوجود هذه الجسيمات في مسرعات البروتونات التي ستصل إلى طاقات تصل إلى 10 تيرا إلكترون فولت.

التحديات في بناء مسرع أيون

حسنًا، ما هي التحديات التي تواجه بناء مسرع الميون؟

أولاً، لتكوين الميونات، يتم تسريع الجسيمات المشحونة التي تصطدم بسطح الجرافيت. ينبعث من الاصطدام جسيمات باي التي تتحلل على الفور إلى ميونات. ومن الممكن في مثل هذه العملية إنشاء حوالي تريليون ميون بطاقة 200 ميجا إلكترون فولت. الحجم الذي تشغله في الفضاء عند إطلاقها من الجرافيت هو تقريبًا حجم بالون منتفخ. والخطوة التالية هي تقليل درجة تشتت الميونات في الفضاء إلى ميليكوف. للقيام بذلك، يجب تبريد الجزيئات. تعتمد الطريقة التقليدية لتبريد الجزيئات على الحشية باستخدام الاصطدام بأسطح مصنوعة من مواد خاصة. يتم بعد ذلك تسريع الميونات إلى السرعات المطلوبة ووضعها في مسار تصادمي، كل ذلك قبل أن تتحلل. وهذا تحدٍ ضخم لم يتم إثباته من قبل، فهل هو جنون؟ في رأي نعمة، فمن الممكن تماما. بالنسبة له، هذا معجل جديد، يعتمد على تقنية جديدة لم يتم تجربتها من قبل وهذا سبب وجيه بما فيه الكفاية لبناء المسرع، لأنه لن يكون مجرد "نفس المسرع ولكن أكبر".

هل لديك سؤال في الفيزياء أو فكرة لموضوع يجب أن أكتب عنه؟ اتصل بي على عنوان البريد الإلكتروني - noamphysics@gmail.com

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• تعلن تجارب CERN عن دليل أولي على اضمحلال بوزون هيغز النادر إلى ميونات 
• تستمر الميونات في تحدي النموذج القياسي
• عقد من هيغز: ماذا اكتشفنا، وما هو مخفي، ولماذا لم تمت فيزياء الجسيمات؟
• ولأول مرة، تميز بوزون هيغز بتحلله إلى زوج من الكواركات "السحرية".
• ولأول مرة، لوحظ عدم التماثل المعتمد على الزمن بين المادة والمادة المضادة