وفي الأسابيع المقبلة، سيتم طرح المناقصات الأولى لتطوير مسرع الجسيمات. وقال مدير العمليات الدولية لـ Techtime: "هناك العديد من التقنيات التي نحتاجها في إسرائيل".
بقلم روني ليبشيتز، تم نشر هذه المقالة في الأصل على موقع TechTime الإلكتروني
معهد البحوث الأوروبي CERNالتي تعمل بالقرب من جنيف في سويسرا أكبر معجل للجسيمات في العالم، وتبحث عن تقنيات إسرائيلية للمرحلة التالية من تطويرها. تم تعلم ذلك بواسطة Techtime خلال جولة في مسرع الجسيمات العملاق الأسبوع الماضي.
انضمت دولة إسرائيل إلى CERN في عام 2014. وحتى ذلك الحين كانت عضوًا مراقبًا يتمتع بحقوق جزئية. اعتبارًا من عام 2014، أصبحت شريكًا كاملاً في هيئة البحث، وهو الوضع الذي يمنحها الحق في التصويت، والوصول إلى جميع النتائج العلمية، والملكية الفكرية في جميع المجالات التي تم تطويرها في سارين وقدر كبير من الفرص في التنافس على مناقصات سارين. وهنا في جنيف، نشعر بنقص إسرائيل.
"لقد تم تطوير التقنيات في إسرائيل والتي تم استخدامها في بناء أكبر كاشف للجسيمات في العالم، أطلس"، أوضح مدير قسم التنسيق بين جميع الدول الأعضاء في CERN، الدكتورة بيبا ويلز. ويشمل ذلك تقنيات التحكم وجمع البيانات التي طورتها مؤسسات الأبحاث الإسرائيلية. على سبيل المثال، تم تطوير نظام التحكم (DCS) الخاص بنا والبرنامج الذي يجعل من الممكن إعادة بناء مسار الجزيئات وفقًا للمعلومات الواردة من ملايين أجهزة الاستشعار المختلفة وتوزيع المعلومات في شبكة كمبيوتر سريعة (GRID). في إسرائيل.
"مقارنة بعدد الإسرائيليين المشاركين في نشاطنا، يعد هذا إنجازا كبيرا للغاية. يوجد في إسرائيل أيضًا عدد كبير جدًا من علماء الفيزياء النظرية الذين كانوا مسؤولين عن أطلس في وقت اكتشاف جسيم هيغز في عام 2012 (المزيد عن ذلك لاحقًا)".
إلكترونيات فائقة السرعة
"لقد توصلنا إلى نتيجة مفادها أننا نريد المزيد من الإسرائيليين في ساران. نريدهم أن يتنافسوا أيضًا على الوظائف الفنية التي ليست وظائف علمية. نريد فنيين ومهندسين إلكترونيات إسرائيليين. نحن نبني البنى التحتية التكنولوجية الأكثر تقدمًا في العالم، لذلك هناك فرص هائلة هنا في مجالات مثل المعدات الإلكترونية الخاصة، والمواد الخاصة، والموصلات الفائقة، وأجهزة الاستشعار المعقدة والخاصة للغاية، والإلكترونيات عالية الطاقة للغاية لاتخاذ القرارات في الوقت الفعلي و الأنظمة الإلكترونية التي تعمل بسرعات غير عادية."
وقال بيبا إن CERN تطلب من التقنيين الإسرائيليين أن يكونوا على علم بعروض العمل المنشورة على العنوان jobs.web.cern.ch. التوقيت فريد من نوعه: "إننا ندخل مرحلة جديدة في تاريخ مسرع الجسيمات: ستبدأ قريبًا أعمال ترقية مهمة جدًا. هدفنا هو زيادة عدد تصادمات الجسيمات دون الذرية بمقدار 10 أضعاف.
"في الأسابيع المقبلة، سيبدأ نشر المناقصات لتلقي العروض من شركات التكنولوجيا في أوروبا، حتى نتمكن من تشغيلها بالشكل الجديد في عام 2025. في صناعة التكنولوجيا الفائقة الإسرائيلية هناك العديد من التقنيات التي يمكن أن تساعد ساران لذلك نريد من الصناعة الإسرائيلية أن تهتم بالمطبوعات وتستجيب للمناقصات وتتنافس عليها".
الرائد في العلوم العالمية
يعد معهد سيرين هيئة غير عادية: فقد بدأ كمختبر فرنسي لدراسة الجسيمات الأولية، وفي عام 1954 أصبح معهد أبحاث تابعًا للاتحاد الأوروبي. وهي اليوم مملوكة لـ 22 دولة (بما في ذلك إسرائيل منذ عام 2014) تديرها بشكل مشترك. ومن نواحٍ عديدة، يعد هذا بمثابة يوتوبيا علمية تعاونية. واليوم يقوم سيرن بتشغيل أكبر معجل للجسيمات في العالم، وهو ما يمكن العلماء في الدول الأعضاء من دراسة أهم المواضيع في الفيزياء الحديثة.
يتم تشغيل مختبر الفيزياء الواسع هذا من قبل فريق عمل محترف يضم 2,300 مهندس وفني وعالم. يتم إجراء الدراسات من قبل 12,800 عالم في جميع أنحاء العالم. حاليًا، يشارك ما يقرب من 80 عالمًا من التخنيون وجامعة تل أبيب ومعهد وايزمان للعلوم في الأبحاث في ساران.
يتمحور جوهر النشاط حول مسرع الجسيمات. يقوم المسرع بتحريك مجموعتين من البروتونات في مدار دائري بسرعة عالية جدًا تقترب من سرعة الضوء وفي اتجاهين متعاكسين. وبعد أن يكتسبوا السرعة اللازمة، وتكون لديهم طاقة عالية جدًا، يتم توجيههم إلى مسار تصادمي ضمن أجهزة الكشف الموجودة في أربع نقاط حول مسار التسارع.
في عدد قليل جدًا من الحالات، يتم توجيه بروتونين يتحركان في مسارات متعاكسة. هذا هو الجسم الذي يتم قياسه: يطلق الاصطدام كميات هائلة من الطاقة، والتي تتجلى في العديد من الظواهر الفيزيائية، مثل الإشعاع بأنواعه المختلفة، وظهور جسيمات أولية جديدة، والمزيد.
ويتم التسارع في فراغ شديد في مدار دائري يبلغ قطره 27 كيلومترا ويمر على عمق 100 متر تحت سطح الأرض في أراضي سويسرا وفرنسا. تعمل الملفات الكهرومغناطيسية المصنوعة من الموصلات الفائقة المبردة إلى درجة حرارة واحدة كلفن، على تسريع مجموعات من البروتونات (الخارجة من خزان هيليوم صغير) وإيصالها إلى سرعة هائلة، لإنتاج تصادم عالي الطاقة.
المهمة الحاسمة لمكونات FPGA
الكاشفات عبارة عن تركيبات تشتمل على عدة ملايين من أجهزة الاستشعار بتقنيات مختلفة. وهي موجودة حول موقع التصادم بهدف التقاط جميع منتجات التصادم وتوثيقها وتوصيفها وإرسال المعلومات إلى مزرعة خوادم CER الكبيرة. ومن هناك يتم توزيعها على جميع العلماء في العالم المشاركين في أبحاث المعهد.
عندما يعمل المسرع، فإنه ينفذ 100 مليون تصادم في الثانية. يتم جمع البيانات من كل تصادم، وتخضع للتحليل الأولي باستخدام مجموعة من عدة آلاف من مكونات FPGA. تعمل هذه المكونات على تشغيل خوارزمية في الوقت الفعلي تقوم بفحص جميع أجهزة الاستشعار وتعيد بناء مسارات الجسيمات التي تم إنشاؤها في الاصطدام. وفي الوقت نفسه، تتحقق الخوارزمية أيضًا مما إذا كان الحدث ذا أهمية علمية. إذا كان الأمر كذلك، فسيتم نقل المعلومات إلى قاعدة بيانات ساران في شبكة اتصالات بصرية عالية السرعة، حيث تخضع لتحليل أكثر تعمقًا. إذا تم تعريف الحدث على أنه غير مثير للاهتمام، فسيتم حذف المعلومات، حتى لا يتم تحميل شبكة الاتصال ومزرعة الخوادم بشكل زائد عن الحاجة.
التكنولوجيا المتطرفة في خدمة العلم المتطرف
يستكشف البحث المادي الذي يتم إجراؤه في الموقع حدود المعرفة، وبالتالي يعمل في ظل ظروف قاسية فريدة من نوعها. يتم تبريد البروتونات إلى درجة حرارة تبلغ 0.1 درجة كلفن فقط.
يتم استخدام الملف الكهرومغناطيسي الموجود في أجهزة الكشف CMS وATLAS لقياس سرعة الجسيمات عن طريق ثني مسارها. وهو أكبر ملف في العالم مصنوع من موصل فائق: يزن 105 طن، ويتم غمره في خزان من الهيليوم السائل للحفاظ على درجة حرارة ثابتة تبلغ 2 درجة كلفن. أثناء تشغيل المسرع، ينتج الملف تيارًا بقوة 18,000 أمبير ومجالًا مغناطيسيًا بقوة 3.8 تسلا. وفي الواقع، فإن مجاله المغناطيسي قوي جدًا لدرجة أنه يشوه هيكل الكاشف، مما يتطلب الضبط المستمر لـ 16,000 جزء ميكانيكي متحرك في المنشأة.
ويحتوي الكاشف بأكمله على نحو 18 مليون جهاز استشعار من مختلف الأنواع، منظمة حول موقع الاصطدام داخل أسطوانة معدنية ضخمة يبلغ قطرها 25 مترا وطولها 46 مترا. فقط بنية تحتية متطرفة من هذا النوع سمحت لعلماء ساران بتحقيق أهم اكتشاف للمعهد حتى الآن: اكتشاف جسيم هيغز.
وجسيم هيغز هو جسيم ذو عمر قصير جدا، وتكمن أهميته في أنه يثبت وجود مجال به إشعاع هيغز، وهو حسب النظرية مسؤول عن كتلة الجسيمات الأولية. تم اكتشاف الجسيم في كاشفين مركزيين لسارن (CMS، ATLAS) عام 2012. وقد أعطى هذا الاكتشاف دليلا عمليا على نظرية وجود مجال هيغز.
كان العنصر الأساسي في الدليل هو القدرة على اكتشاف الميونات، وهي جسيمات تنشأ عندما تصطدم البروتونات. إحدى الركائز الأساسية لكاشف ATLAS هي مجموعة من أجهزة الكشف للكشف عن الميونات التي تم تطويرها وبناؤها في إسرائيل في جامعة تل أبيب والتخنيون ومعهد وايزمان للعلوم. لعبت أجهزة الكشف الإسرائيلية دورًا حيويًا في اكتشاف جسيم هيجز.
أين تختبئ المادة المضادة؟
اليوم، يتم إجراء تجارب لا تقل غرابة في سيرين. كجزء من مشروع ELENA، يقوم العلماء حاليًا بإنتاج البروتونات المضادة. هذه مسألة غامضة: وفقًا للنظرية الحالية لبنية المادة (وتسمى "النموذج القياسي")، يوجد لكل جسيم جسيم مضاد، له خصائص متطابقة ولكن له شحنة معاكسة. لكن خلافًا للنظرية، من الصعب جدًا العثور على المادة المضادة في الطبيعة. وتمكن الباحثون من إنتاج ذرات الهيدروجين المضادة واحتجازها في مصائد مغناطيسية.
وهم الآن مشغولون ببناء معجل جديد كجزء من مشروع إيلينا: وهو معجل صغير يبلغ قطره 188 مترًا، وسيسمح بتسريع مجموعات مكونة من 10 ملايين بروتون مضاد كل 10 ثوانٍ. سيتم الانتهاء من بناء المسرع بحلول عام 2019، ومن ثم ستبدأ سلسلة من الدراسات التي ستركز على سؤالين مركزيين: الأول هو فحص كيفية تفاعل المادة المضادة مع الجاذبية وما إذا كانت تؤثر عليها بشكل مختلف عن المادة المألوفة. وسيحاولون أيضًا العثور على إجابة للسؤال الأكثر إثارة للاهتمام: لماذا يصعب العثور على المادة المضادة في الطبيعة؟ لماذا لا توجد نجوم وكواكب وعناقيد كاملة مصنوعة من المادة المضادة؟
الإشعاع الكوني ينتج المطر
ماذا تفعل عندما ينتهي البحث في مسرع الجسيمات الذي عفا عليه الزمن من الستينيات؟ ويستخدمه مشروع CLOUD لدراسة الغلاف الجوي. ربما تكون هذه واحدة من أكثر التجارب إثارة للدهشة التي يتم إجراؤها حاليًا في CERN. خلال الزيارة، التقى موقع Techtime بالبروفيسور جاسبر كيربي، الذي نجح في تحقيق المستحيل: إقناع إدارة المعهد بإجراء أبحاث في مجالات الغلاف الجوي. الهدف هو دراسة تأثير الإشعاع الكوني والإشعاع الشمسي على تكون السحب، وذلك لتحسين القدرة على التنبؤ بالتغيرات المناخية.
وفي إطار التجربة، تم بناء غرفة محكمة الإغلاق بقطر 3 أمتار وارتفاع 4.5 متر، قام فيها الباحثون بإعادة إنشاء وإنتاج نموذج مختبري للغلاف الجوي، وقصفه بالبروتونات التي تنتج إشعاعات مؤينة مماثلة للإشعاع المؤين. الإشعاع الكوني الذي يؤثر على الغلاف الجوي. وفي الوقت نفسه، تمثل مصادر الأشعة فوق البنفسجية القوية الإشعاع الشمسي. كاربي: "منذ أن بدأنا البحث في عام 2009، تم اكتشاف العديد من الظواهر. وتمكنا من إظهار كيفية تأثير الإشعاع الكوني على الجزيئات العضوية القادمة من الأرض، مما يجعلها تلتصق ببعضها البعض وتصل إلى حجم حرج يحولها إلى نوى التكاثف التي تنتج السحب الممطرة.
"لقد تمكنا من إنتاج نموذج لإنتاج السحابة قبل الثورة الصناعية، مما سيسمح لنا بفهم كيفية تأثير التصنيع على ظاهرة الاحتباس الحراري. نعتقد اليوم أن الأحداث الكبيرة التي تحدث في الفضاء الخارجي لها تأثير على مناخنا. ونحن الآن نتحقق مما إذا كانت أحداث مثل انفجار نجم (المستعر الأعظم) تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض على المدى القصير".
وحتى بعد تجربة الأرصاد الجوية الوحيدة التي أجريت في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، يمكن العثور على تكنولوجيا إسرائيلية خاصة. كاربي: "لدينا جهاز خاص تم تطويره في إسرائيل، يسمح لنا بإنتاج الماء من الأكسجين والهيدروجين من خلال عملية احتراق فريدة من نوعها. وبدونه لم نكن لنتمكن من إجراء البحث، لأننا بحاجة إلى السيطرة الكاملة على جميع عناصر التجربة".
