يمثل الإطلاق الجديد لمسرع الهادرونات في جنيف مرور عقد من الزمان منذ اكتشاف هيجز، ويفتح عقدًا جديدًا من الأبحاث الرائعة بنفس القدر. وفي هذا المقال سنستعرض ما اكتشفناه وما هي الأسئلة التي تظل مفتوحة.
منذ حوالي عقد من الزمن، في الرابع من يوليو عام 2012، احتفل العلماء في جميع أنحاء العالم باكتشاف هيغز، وهو جسيم البوزون الذي كان يعتبر آنذاك العنصر المفقود في النموذج القياسي. تم التنبؤ بالجسيم الأولي في سلسلة من الأبحاث في الستينيات وتم اكتشافه بعد أربعة عقود في مصادم الهادرونات الكبير في تجربتين متوازيتين - ATLAS وCMS. ويعد هذا الاكتشاف قمة النجاح للمركز الأوروبي لأبحاث الجسيمات، الذي كان يضم إسرائيل في ذلك الوقت أيضًا كدولة مراقبة (اليوم كعضو كامل في المنظمة).
ورغم النجاحات، وبينما يبدأ المسرع الجولة الثالثة (من أصل خمسة أشواط)، تسمع أصوات في الأوساط العلمية مفادها أن هذا الحدث يدل على نهايته. السبب؟ في العقد الأخير، لم يتم الإعلان عن أي اكتشاف ينحرف عن النموذج القياسي (يجب أن نشير إلى أنه تم نشر بعض الاكتشافات المثيرة للاهتمام في السنوات الأخيرة، لكنها لم تستوف المعايير التي تحدد "الاكتشاف" في فيزياء الجسيمات، أي خمسة سيجما). بالتاكيد). للتذكير، النموذج الذي تم تطويره في الخمسينيات واكتمل في السبعينيات لا يشمل الجاذبية الكمومية والمادة المظلمة والطاقة المظلمة، ولا يفسر عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة وتذبذبات النيوترينو.
ترجع التوقعات العالية من المسرع إلى الميل الطبيعي لإضافة جسيمات جديدة لتفسير الانحرافات عن النموذج القياسي - بل إن بعضها يقع في نطاق طاقة المسرعات الموجودة، لكن لم يتم ملاحظتها بعد. ونظرًا لعدم وجود أدلة تجريبية، يرى النقاد أنه لا يوجد سبب لإهدار مليارات الدولارات من الأموال العامة على الاستكشاف الأعمى دون هدف واضح. بالطبع هذا انتقاد مفهوم، ولكن في نفس الوقت يجب أن نتذكر أن فيزياء الجسيمات لا تركز فقط على اكتشاف جسيمات جديدة، ولكن أيضًا على دراسة سلوك الجسيمات الموجودة، بما في ذلك بوزون هيغز. منذ اكتشافه في عام 2012، ناقش الفيزيائيون ما إذا كان الجسيم الجديد يتوافق مع توقعات النموذج القياسي. إن الاحتفالات بعقد اكتشاف جسيم هيجز تتيح لنا فرصة جيدة لتلخيص الاكتشافات الخمسة الرئيسية في هذا المجال والأسئلة الخمسة التي لا تزال مفتوحة.
كتلة هيغز هي 125 مليار إلكترون فولت
توقع الفيزيائيون العثور على هيغز عاجلاً أم آجلاً، لكنهم لم يعرفوا متى بالضبط. في ستينيات القرن العشرين، افترض الباحثون أن مجال هيغز يمكن أن يفسر سبب عدم امتلاك الفوتون (جسيم الضوء) كتلة أو سبب ثقل بوزونات W وZ، التي تتوسط القوة الضعيفة. وعلى الرغم من أن النظرية المقترحة تتنبأ بكتلة البوزونات، إلا أنها غير قادرة على تفسير كتلة هيغز. ولهذا السبب لم يكن الفيزيائيون متأكدين من مكان اختباء جسيم هيجز. لمفاجأة الكثيرين، ظهر هيغز في وقت أبكر مما كان متوقعًا - بالفعل في الجولة الأولى في عام 2009، بدأت الأدلة على الجسيم بعيد المنال في التراكم وبعد ثلاث سنوات تم الإعلان عنه كاكتشاف. إن السرعة التي تم بها الإعلان عن هيغز ترجع بشكل أساسي إلى حساسية المسرع لمدى الطاقة الذي يوجد فيه الجسيم وقدرة المعجل على اكتشاف اضمحلالاته العديدة.
هيغز تدور صفر
إن هيغز هو أول جسيم أولي يتم اكتشافه بدون دوران، وهو في الحقيقة الجسيم الوحيد. أما باقي الجسيمات في الطبيعة فلها دوران نصفي أو دوران واحد. الدوران هو خاصية كمومية ليس لها نظير كلاسيكي. في الغالب يتم تشبيه الجسيمات ذات الدوران النصفي بالمغناطيسات الصغيرة ولكن بالطبع التشابه بين الاثنين ليس دقيقًا ولا يمكن تعميمه على الجسيمات ذات الدوران الكامل. بالنسبة لنا، يمكن اعتبار الدوران بمثابة "شحنة" مثل الشحنة الكهربائية التي يمكن لأي جسيم أن يحملها. تؤثر الشحنات في الطبيعة على التفاعلات بين الجزيئات والمنتجات التي يمكن أن تتشكل من تشتتها. في وقت اكتشافه في عام 2012، لم يتم التحقق من دوران هيغز وظل لغزا. في عام 2013، قام الباحثون بفحص توزيع الفوتونات المنبعثة من اضمحلال جسيم هيغز وأكدوا بدرجة عالية من اليقين أن البوزون الجديد لديه دوران صفري. قبل التحقق من الدوران، تردد الباحثون في تسمية الجسيم الجديد بوزون هيغز لأن الآلية النظرية تتطلب جسيمًا ذو دوران صفري.
رفض هيجز النظريات التي توسع النموذج القياسي
بعض النظريات التي حاولت تفسير عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة لم تكن متسقة مع كتلة هيغز. في الواقع، هناك عدد لا بأس به من النظريات التي تقول بأن كتلة هيغز تضعها في المنطقة الرمادية. لهذه الأسباب، من الصعب دحض أو إثبات أي النظريات توسع النموذج القياسي وأي النظريات تتعارض مع الطبيعة بناءً على كتلة الجسيم وحده.
يتفاعل هيغز مع الجسيمات الأخرى وفقا للنموذج القياسي
وبناء على معدل الاضمحلال يمكن تقدير قوة تفاعل هيجز مع بقية جزيئات الطبيعة. بمعنى آخر، قام الفيزيائيون بإحصاء عدد المرات التي يتحلل فيها الهيغز إلى جسيم أو آخر، ومن التوزيع استنتجوا أن الهيغز يضمحل إلى جسيمات أثقل بشكل متكرر. أي أن الكتلة تتناسب طرديا مع قوة التفاعل بين الجزيئات، تماما كما تنبأ النموذج القياسي منذ حوالي 60 عاما.
الكون مستقر، أكثر أو أقل
وأظهرت الحسابات التي أجريت في الماضي أن حقل هيغز ليس بالضرورة عند الحد الأدنى لقيمته العالمية. أي أنه من الممكن في المستقبل المجهول أن يصبح مجال هيغز نشيطًا ويغير بنية الكون. والسبب في ذلك هو أن قيمته الدنيا تحدد كتلة الجسيمات وتفاعلها مع مجال هيغز. قد يؤدي التغير في قوة التفاعل أو كتلة الجزيئات إلى حدوث تفاعل متسلسل كارثي. يشار إلى هذه الحالة في الأدبيات العلمية باسم "اضمحلال الفراغ". لا يحدث الانحلال على الفور، بل ينتشر مثل الفقاعة بسرعة هائلة. ولحسن الحظ بالنسبة لنا، لكي يحدث مثل هذا التغيير بشكل فوري، نحتاج إلى طاقة هائلة، واحتمال نشوئها في الكون هو صفر بأي مقياس.
ما هي الأسئلة التي لا تزال مفتوحة؟
هل يمكننا قياس هيغز بدقة أعلى؟
أظهرت التجارب الأخيرة تطابقًا بنسبة 90% تقريبًا في خصائص هيجز مقارنة بالنموذج القياسي. وعلى الرغم من أنها دقة عالية، إلا أن الخطأ بنسبة 10 بالمائة لا يمكن إهماله ولا يعتبر حساسًا لتصحيحات النموذج. يجب أن تؤدي عمليات التشغيل الجديدة إلى زيادة عدد الاصطدامات وبالتالي زيادة دقة القياسات. حتى الآن، لم يجمع المسرّع سوى خمسة بالمئة من البيانات التي من المتوقع أن يجمعها طوال حياته، لذا من المتوقع أن تتحسن الدقة بشكل كبير في السنوات القادمة. يدعي باحثو سارين أن الفيزياء الجديدة من المرجح أن يتم اكتشافها من خلال قياسات دقيقة أكثر من اكتشافها من خلال جسيم جديد تم العثور عليه في التجربة.
هل يتفاعل هيغز مع جزيئات الضوء؟
لقد لاحظنا حتى الآن تفاعلات هيغز مع الجسيمات الثقيلة، على سبيل المثال اضمحلال هيغز إلى كوارك ثقيل. يعتقد الفيزيائيون أن هيغز يجب أن يضمحل بشكل مشابه للكواركات الأخف. في عام 2020 أُعلن أن المسرع اكتشف اضمحلالًا نادرًا نسبيًا لجسيم هيغز إلى ميونات، وهو ابن عم الإلكترون، مشابه في الخصائص ولكنه أثقل. وعلى الرغم من أن التجربة تؤكد العلاقة بين كتلة الجسيم وقوة التفاعل مع مجال هيغز، إلا أن حالة عدم اليقين لا تزال كبيرة.
هل يتفاعل هيغز مع نفسه؟
وبما أن كتلة هيغز تختلف عن الصفر، فيجب أن يتفاعل الجسيم مع نفسه. إن اضمحلال جسيمات هيغز النشطة إلى جسيمات هيغز الأقل نشاطًا نادر للغاية ويصعب اكتشافه. في الوقت الحالي، لا نتوقع رؤية مثل هذه التفاعلات، ربما في الجولة الرابعة في عام 2026 بعد إجراء مزيد من الترقية في تجارب ATLAS وCMS. التفاعلات الذاتية مهمة جدًا لبنية الكون - من المعدل الذي يتفاعل به هيغز مع نفسه، يمكن للفيزيائيين استنتاج كيف تتغير الطاقة الكامنة لهيغز عند أدنى نقطة حيث تكون. قد يفسر هذا الاكتشاف ديناميكيات الكون المبكر وربما أيضًا عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة.
عمر بوزون هيغز
يهتم الفيزيائيون بعمر الهيغز، أي المدة التي يستغرقها في المتوسط اضمحلال الهيغز منذ لحظة تكوينه. السبب الذي يجعل هذه المعلمة مثيرة للاهتمام هو أن الانحراف عن قيمتها المتوقعة قد يشير إلى وجود جسيمات جديدة. وتأخذ طريقة حساب مدة الحياة بعين الاعتبار توزيع طاقة هيغز في جميع التصادمات التي تحدث في المعجل، حيث يتناسب عرض توزيع الطاقة مع مدة حياة الجسيم. في العام الماضي، كانت مدة الحياة المحسوبة هي 2.1 أعشار من المليار من المليار من المليار من الثانية. والنتيجة التي تم اكتشافها تتوافق مع النموذج القياسي، لكن ربما في المستقبل القريب سيتم اكتشاف انحرافات عن هذه النتيجة قد تشير إلى جسيمات لا يمكن اكتشافها بشكل مباشر، مثل المادة المظلمة.
نبوءات غريبة
سبق أن اقترح المنظرون المشاركون في توسيع النموذج القياسي عدة تصحيحات على هيغز - حيث يفترض البعض أن هيغز ليس جسيمًا أوليًا ولكنه يتكون من أجسام أصغر، تمامًا كما يتكون البروتون من الكواركات. ويدعي آخرون أن هناك جسيمات أخرى مشابهة لجسيم هيغز ولكن مع دوران مختلف أو شحنة كهربائية. وفي المحاضرات التالية سوف يدرس المعجل الكبير هذه الفرضيات وأيضا التفككات الموازية المحرمة حسب النموذج القياسي.
تعمل الترقية الأخيرة على تسريع عملية استكشاف هيغز إلى مناطق جديدة. وكما ذكرت سابقًا، فإن فيزياء الجسيمات لا تعتمد فقط على الاكتشاف المباشر لجسيمات جديدة، ولكنها أيضًا مهمة جدًا.
المقال مبني على مقال منشور في الطبيعة
هل لديك سؤال أو موضوع تود أن أكتب عنه؟ اتصل بي على noamphysics@gmail.com
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 3
من المحزن أن الإجازة انتهت، والعودة إلى المؤسسة.
لقد وصلت فيزياء الجسيمات إلى نهاية الطريق.
ولكي تجد فيزياء جديدة عليك أن توافق على أن المادة النيوتونية - وهي كمية ولها جاذبية - لا وجود لها في الواقع.
المادة ليست مفهومًا كميًا، ولا يمكن الحديث عن مادة كثيرة، أو القليل من المادة.
المادة هي شكل مادي مبني من مجموع كميات "شيئين كميين مستمرين"
لا يوجد سوى 5 أشياء كمية متصلة في العالم، وهي الطول والمساحة والحجم والوقت والطاقة.
فالزمن له جانب سلبي غير معروف للعلم، وهذا الجانب يشارك في خلق المادة.
يتم إنشاء المادة من مزيج من كميات الوقت والطاقة السلبية، وبالتالي فإن المادة هي شكل مادي.
http://img2.timg.co.il/forums/3/c8659042-cdd9-4060-b7fd-a3872d542a4b.pdf
هل قام أحد بمراجعة أو تحرير هذا المقال؟!
الكتابة لا تقل أهمية عن المحتوى.