يركز البروفيسور يائيل شادمي من كلية الفيزياء في التخنيون على دراسة الجسيمات الأولية بما في ذلك الإلكترونات والكواركات والفوتونات والغلوونات، والتفاعلات أو القوى التي تعمل فيما بينها. ويحاول اكتشاف المزيد من الجسيمات الأولية والتفاعلات، بما يتجاوز تلك الموصوفة في "النموذج القياسي" لفيزياء الجسيمات
ما هي المواد، لبنات البناء الأساسية، التي يتكون منها الكون؟ يستخدم علماء الفيزياء النظرية الذين يتعاملون مع هذا السؤال الأدوات النظرية والرياضية لوصف الأنظمة الفيزيائية الطبيعية والتنبؤ بسلوكها. هذه هي الطريقة التي يحاولون بها تفسير الواقع المادي - الذي تمت ملاحظته والذي لم يتم ملاحظته بعد - وتقديم تنبؤات يمكن اختبارها من خلال التجارب والملاحظات.
يركز البروفيسور يائيل شادمي من كلية الفيزياء في التخنيون على دراسة الجسيمات الأولية - الوحدات البنائية للمادة (التي لا تتكون من جسيمات أخرى) - بما في ذلك الإلكترونات والكواركات والفوتونات والجلونات، والتفاعلات أو القوى ، أن التصرف بينهما. ويحاول اكتشاف المزيد من الجسيمات الأولية والتفاعلات، بما يتجاوز تلك الموصوفة في "النموذج القياسي" لفيزياء الجسيمات.
يقول البروفيسور شادامي: «إن النموذج القياسي ليس اسمًا جيدًا لأنه نظرية منهجية، مبنية على بعض المبادئ الأساسية، وتصف بدقة مذهلة مجموعة الظواهر التي نراها ونقيسها. تصف هذه النظرية جميع القوى المعروفة تقريبًا: القوة القوية، والقوة الضعيفة، والقوة الكهرومغناطيسية. لكنه يفشل في وصف الجاذبية. تشكل الجسيمات الأولية وتفاعلاتها كل شيء من حولنا، لكننا نعلم أن هذه ليست نهاية القصة. على سبيل المثال، لا يوجد جسيم في النموذج القياسي يمكنه تكوين المادة المظلمة في الكون. يتنبأ النموذج القياسي بأن النيوترينوات عديمة الكتلة، لكن التجارب أظهرت أن كتلتها صغيرة. لذا فمن المحتمل أن تكون هناك جسيمات وتفاعلات وأشكال للمادة لا نعرفها بعد. هدفنا هو فضحهم".
أحد الأماكن الرئيسية التي يتم فيها البحث عن جسيمات جديدة هي مسرعات الجسيمات. يتم تسريع شعاعين من الجسيمات، البروتونات على سبيل المثال، إلى طاقات عالية وتوجيهها بحيث تتصادم - وجهاً لوجه - مع بعضها البعض. في التصادم، يمكن إنشاء جسيمات من جميع الأنواع، بشرط الحفاظ على الطاقة والزخم والشحنة العامة قبل وبعد الاصطدام. توجد أجهزة كشف متقدمة حول منطقة الاصطدام. في معظم الحالات، الجسيمات المثيرة للاهتمام التي يتم إنشاؤها موجودة فقط لجزء من الثانية، وتتلاشى إلى جسيمات مألوفة مثل الإلكترونات، والميونات، والفوتونات، والبيونات، وأكثر من ذلك. تترك هذه الجسيمات آثارًا مميزة في الكاشف، وبالتالي يمكن تحديد الجسيمات التي تشكلت في الاصطدام.
وفي دراستهم الأخيرة، التي حصلت على منحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية، سعت البروفيسور شادامي وفريقها إلى فحص تفاعلات جديدة وغير مألوفة بين جسيم هيغز والجسيمات الأولية الأخرى. جسيم هيغز هو مصدر كتلة جميع الجسيمات الأولية وتم اكتشافه في عام 2012 في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) - أكبر معجل للجسيمات في العالم الواقع في المجمع الأوروبي لدراسة فيزياء الجسيمات، على الحدود السويسرية الفرنسية.
يقول البروفيسور شادامي: "ربما يكون اكتشاف هيغز أهم اكتشاف في الفيزياء خلال الخمسين عامًا الماضية، فمن ناحية، يعد هذا نجاحًا آخر للنموذج القياسي الذي يتنبأ بوجود هيغز. ومن ناحية أخرى، فهو أول جسيم أولي من نوعه نعرفه. لم يعد هناك جسيم أولي ذو دوران صفري (إذا كان أوليًا بالفعل). وعلى هذا النحو، فإنه يطرح أسئلة نظرية جديدة كبرى. وينبغي أن يكون مفهوما أن اكتشاف مثل هذا الجسيم ليس سوى البداية. وما زلنا في طور فهم وقياس جميع معالمه. وتفاعلاتها، خاصة مع أثقل الجسيمات الأولية (مثل الكوارك العلوي)، هي الأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة لنا. كلما كان الجسيم أثقل، كان تفاعله مع جسيم هيغز أقوى. إذا كنت تريد أن تفهم كيف تتشكل كتلة الجسيمات الأولية - بما في ذلك هيغز نفسه - فأنت بحاجة إلى فحص أثقل الجسيمات.
ومن أجل اكتشاف تفاعلات جديدة وغير معروفة بين جسيم هيغز والجسيمات الأولية الأخرى، قام الباحثون في مجموعة البروفيسور شادامي بتطوير أدوات نظرية جديدة لحساب العمليات الفيزيائية. تعتمد الأساليب الموجودة في هذا المجال على مخططات فاينمان، التي لها تعقيد متأصل، لأن الحساب لا يعتمد على الجسيمات، بل على الحقول، وفي هذا الوصف هناك الكثير من التكرار. ويقول البروفيسور شادامي: "إن هدفنا هو معالجة المشكلة بالطريقة الأكثر عمومية، دون افتراضات نظرية جديدة. ولتحقيق هذه الغاية، قمنا بتطوير نهج من خلال ما يسمى "السعات" حيث نعمل فقط مع درجات الحرية المادية: الجسيمات نفسها. "وهكذا نأمل أن نرسم كل الاحتمالات للنظريات التي تكمل الأجزاء المفقودة في فهم جسيم هيغز."
وفي وقت لاحق، سيتمكن الفيزيائيون التجريبيون من فحص الظواهر والنتائج المختلفة في معجل الجسيمات. يقول البروفيسور شادامي: «باستخدام الأدوات النظرية التي طورناها، فإننا نقوم بفحص مجموعة من الجسيمات ونبحث عن جميع التفاعلات الممكنة بينها، بما يتجاوز التفاعلات المعروفة. هذه في الواقع مرحلة نظرية حيث نقوم بتحليل العمليات الفيزيائية التي يمكن أن تحدث في المسرع - وفي المرحلة التالية سنقوم بقياسها في التجارب. وبهذه الطريقة قد نتمكن من اكتشاف تفاعلات أساسية جديدة، مثل الاصطدامات بين الجزيئات والجسيمات وكمية الطاقة التي تنشأ منها. ومع ذلك، فإننا لا نتوقع اكتشاف العديد من التفاعلات الأساسية الجديدة. سنشعر بالرضا حتى لو ظهر شيء صغير، والذي سيكشف عن بعض المعلومات الإضافية حول البنية الأساسية للمادة في الكون".
الحياة نفسها:
تعيش البروفيسور يائيل شادمي في حيفا، حيث انتقلت إليها عندما بدأت العمل في التخنيون. واليوم تعتقد أنها مدينة رائعة: جميلة ومتنوعة ومثيرة للاهتمام ومليئة بالزوايا المدهشة. إنها تحب السفر والكتب والموسيقى والفن، ولكنها في الواقع تقسم كل وقتها تقريبًا بين حبيها العظيمين حقًا: الفيزياء وعائلتها.
