قد يتمكن المسرع المقترح بناؤه في اليابان من حل الألغاز التي عجز مصادم الهادرونات الكبير في جنيف عن حلها
كان اكتشاف بوزون هيغز في "مصادم الهادرونات الكبير" (LHC) التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، بالقرب من جنيف، في عام 2012، بمثابة تأكيد مذهل للنموذج القياسي للفيزياء - وهو إطار نظري يصف كل شيء. الجسيمات والقوى المعروفة حتى الآن في الفيزياء. وكان بوزون هيغز، الذي تم التنبؤ بوجوده لأول مرة في الستينيات، آخر قطعة مفقودة من المجموعة. لكن منذ ذلك الحين، ظل الفيزيائيون عالقين. لقد خاب أمل العلماء في اكتشاف الجسيمات "الشركاء الفائقين" من خلال LHC، والتي سيساعد اكتشافها في حل مشاكل النموذج القياسي المعروف منذ فترة طويلة، ولم يتم اكتشاف هذه الجسيمات.
لقد تحدث الفيزيائيون منذ عقود عن مسرع يمكنه العثور على هذه الجسيمات المفقودة. قبل ثلاث سنوات، أكمل فريق دولي من الفيزيائيين والمهندسين تصميمه. وفقا للخطة، في المسرع المعروف باسم "المعجل الخطي الدولي" (ILC) وهو نفق بطول 31 كيلومترا تحت الجبال في المنطقة كيتاكامي في شمال اليابان، سوف تتصادم الإلكترونات مع جسيماتها المضادة، البوزيترونات. ستؤدي هذه الاصطدامات إلى تأين المادة والمادة المضادة لإطلاق طاقة تصل إلى 250 مليار إلكترون فولت. (ستؤدي الترقية اللاحقة إلى مضاعفة إنتاج الطاقة في ILC.) وفي وقت كتابة هذا العمود، من المتوقع أن تقرر وزارة التعليم والثقافة والرياضة اليابانية (MEXT) ما إذا كانت ستستمر في مشروع ILC أم لا. نعتقد أنه يجب عليك ذلك.
كان النموذج القياسي يحتوي على ثقب يملأه بوزون هيغز كتلته 125 مليار إلكترون فولت بالضبط. وهذا بالفعل ما اكتشفه العلماء في LHC. نقطة التحول في الحبكة هي أن الفيزيائيين لا يعرفون كيف يفسرون سبب كتلته. (عادةً ما يقيس الفيزيائيون كتلة الجسيمات بالإلكترون فولت، وهي وحدات طاقة، لأن الطاقة والكتلة متساويان). في الواقع، لقد عرفوا منذ أوائل الثمانينيات أن التأثيرات الكمومية الافتراضية يجب أن تجعل بوزون هيغز أكبر بملايين المرات. ضخمة أو المليارات.
نظرية التناظر الفائق, سوزي، يقدم الحل. ويفترض وجود علاقة أساسية بين جسيمات المادة، مثل الكواركات واللبتونات، وبين الجسيمات الحاملة للقوة مثل الفوتونات والغلوونات وجسيمات W وZ. كما أنها تتنبأ بمجموعة من الجسيمات الجديدة المتوافقة ذات الأسماء الغريبة مثل الكواركات (المتوافقة للغاية مع الكواركات) وهيجسينوس (المتوافقة للغاية مع بوزون هيجز). تتفاعل هذه الجسيمات المتوافقة مع جسيمات النموذج القياسي بطريقة تلغي التأثيرات الكمومية الافتراضية، بحيث يتم الحصول على الكتل التي تنبأ بها النموذج القياسي والتي تم رصدها في LHC.
كان الفيزيائيون يأملون في العثور على هذه المتطابقات الفائقة منذ 25 عامًا عندما بدأ مصادم البوزيترون الكبير الذي سبق مصادم الهادرونات الكبير بالعمل. لم يجدوا. ولكن عندما لم تظهر المطابقات الفائقة في مصادم الهادرون الكبير (LHC) الأكبر والأقوى بكثير، شعر بعض الفيزيائيين بالقلق.
ولكن هناك أمل. تشير الدراسات النظرية الحديثة إلى أنه من الممكن بالفعل إنشاء جسيمات هيغسينو في LHC، لكن العلماء لم يجدوها في مزيج الجسيمات المنبعثة من الاصطدامات بين البروتونات والبروتونات المضادة التي تحدث هناك.
وفي هذا المجال، ينبغي لـ ILC أن تتفوق. تتم الاصطدامات فيه بطاقة أقل بكثير مما كانت عليه في LHC، لكن ميزته الكبرى هي أنه على عكس ابن عمه الأوروبي، فإن الإلكترونات سوف تصطدم بالبوزيترونات. على عكس البروتونات والبروتونات المضادة، التي تتكون من جسيمات أولية وجسيمات مضادة، والكواركات والكواركات المضادة، فإن الإلكترونات والبوزيترونات هي في حد ذاتها جسيمات أولية. تكون اصطداماتها أنظف بكثير، وبالتالي، سيكون من الأسهل اكتشاف جسيمات الهيجسينو التي ستظهر في أعقابها.
ستبلغ تكلفة بناء المصادم العملي الدولي 10 مليارات دولار على الأقل، أي ما يقرب من ضعف تكلفة بناء المصادم LHC. ولا شك أن هذا ثمن باهظ بالنسبة لأي بلد بمفرده. ولذلك فإن التعاون الدولي ضروري. وسوف تؤتي ثمارها أيضا.
وفقًا للنظرية، يجب أن تنتج ILC جسيمات هيغزينو، وسليبتونات (المراسلات الفائقة لليبتون) وغيرها من المتراسلات الفائقة بكميات كبيرة. إذا كان الأمر كذلك، فستكون ILC قادرة على تأكيد التناظر الفائق والتحقق من نموذج الجسيمات دون الذرية الذي طالما اشتبه الفيزيائيون في صحته. ونظرًا لأن جسيمات هايجيسينو قد تكون جزءًا من المادة المظلمة الموجودة في جميع أنحاء الكون، فقد تساعد أيضًا في حل أحد ألغاز الفيزياء الفلكية التي لم يتم حلها. وإذا لم يتم اكتشاف تطابقات فائقة فيها بعد، فحتى ذلك الحين سوف يتقدم العلم، حيث سيضطر منظرو الطاقات العالية إلى تركيز جهودهم على نظريات أخرى. وفي كلتا الحالتين، فإن الأفكار التي سنستخلصها يمكن أن تعمق فهمنا لقوانين الطبيعة، وتأثيراتها على أصل الكون وتطوره.
تعليقات 14
"لإنقاذ الفيزياء"... وكأن الفيزياء ستضيع بدون إنقاذها... يا له من عنوان مشوش. كل شيء، فقط للعمل على القارئ حتى يضغط على المقال ويمكن للمحرر أن يقول "120 ألف زيارة شهريا"...
بالمناسبة، لا يمكن إنقاذ الفيزياء أو تدميرها. من الممكن فقط معرفة مدى شرعيتها (لجميع "الفيزيائيين" الذين يراوغون).
حاييم ف,
لا حاجة لوضع الكلمات في فم أي شخص. لقد كتبت في ردك أن هناك ادعاءً في المقالة أو في العنوان بأن "شيئًا ما سوف يدحض الفيزياء"، وقد تلقيت شرحًا مفصلاً إلى حد ما عن سبب عدم ذكر ذلك، ولماذا كان مقصودًا. إن عبارة "لإنقاذ الفيزياء" هي عبارة هزلية وتضفي طابعًا إنسانيًا على الفيزياء (فبعد كل شيء، لا يوجد معنى لـ "إنقاذ" المجال العلمي). لقد شرحت لك أنا وشموليك ما هو المقصود - ما هو التهديد أو المشكلة التي تواجهها الفيزياء حاليًا ولماذا يمكن للمسرع الجديد حل الوضع أو تحسينه. لم يكتب أحد منا أن العنوان دقيق. فهي في النهاية، كما يحاول شموليك أن يقول، مجرد تعبير. إن حاجتك إلى التركيز على تلك الكلمات الثلاث بدلاً من الرسالة الموجودة في المقالة أمر محير للغاية.
لقد أجبت لتوضيح مقصد المقال لأنك تدخل في موضوع تفنيد الفيزياء ولم يكن هذا هو قصد المقال إطلاقا.
أما بالنسبة للعنوان، حسنا... التدفق
شموليك وألفانتسو
أفهم من كلامك أن عنوان "إنقاذ الفيزياء" صحيح ودقيق.
حاييم ف,
ولم أرى في المقال ادعاءً بأن شيئاً ما "سيبطل الفيزياء" كما تقول. معنى "إنقاذ الفيزياء" ذو شقين:
1. كما هو مكتوب في العنوان الفرعي (وتم شرحه بتفاصيل كافية في المقالة نفسها)، هناك عدد كبير من المشكلات في الفيزياء النظرية التي يتم حلها بطريقة بسيطة وأنيقة ومتسقة بمساعدة التناظر الفائق. إذا فشلنا في اكتشاف الجسيمات فائقة التناظر وأصبحنا مقتنعين بعدم وجودها، فسوف نواجه الكثير من المشاكل التي لا يمكن الإجابة عليها. إن العثور على دليل على التناظر الفائق سيحول الحلول النظرية الحالية لهذه المشاكل إلى حلول عملية.
2. من أجل التقدم في الفيزياء (أو في أي مجال علمي آخر)، تحتاج إلى أدلة تجريبية - أي نتائج التجارب التي ستوجه المنظرين في الاتجاه الذي ينبغي عليهم اتباعه، لأن مساحة الاحتمالات النظرية (بدون قيود) التي تأتي من التجربة) لا نهاية لها. كان المصادم LHC بمثابة خيبة أمل كبيرة للعديد من المنظرين لأنه أكد إحدى النظريات الكامنة وراء النموذج القياسي، لكنه لم يقدم أي معلومات إضافية. في حين أن هذه النظرية مهمة جدًا، وجميلة جدًا، وقد أكسبت هوجيا جائزة نوبل، إلا أن المصادم LHC لم يقدم أي تلميح عن ماهية الفيزياء الموجودة خارج النموذج القياسي. بمعنى آخر، نحن بحاجة إلى تجربة من شأنها أن تفتح نافذة على أشياء ما زلنا لا نفهمها، وهذا هو المكان الذي فشل فيه مصادم الهادرون الكبير (ليس بمعنى أن الفيزيائيين والمهندسين الذين بنوه وعملوا عليه فشلوا لأنهم فعلوا ذلك) عمل سيء، ولكن بمعنى الفشل في تحقيق النتائج).
بشكل عام، القصد من العنوان والمقال هو أن الفيزيائيين بحاجة إلى نتائج تجريبية، لا تستطيع المسرعات الحالية تقديمها، من أجل توجيه النظريات في الاتجاه الصحيح. إن بناء مثل هذا الوحش مكلف للغاية، ويفضل السياسيون، في شدتهم الشديدة، توجيه أموالنا إلى أماكن أخرى، ولكن بدون مسرعات إضافية، وخاصة المسرعات الخطية، ربما لن نتمكن من اختراقها. ومن هنا جاء استخدام كلمة "الإنقاذ".
ما الذي جعلك ثقيلا جدا؟
رأس أصفر لمدونة علمية. لا يناسب الموقع العلمي وبالتأكيد ليس مناسبًا لموقع Scientific American.
الفيزياء مجرد مهنة، فرع علمي. ولن يتم دحضه لأنه لا يوجد ما يمكن دحضه. فقط النظريات الفيزيائية يمكن دحضها.
كان من الممكن أن يكون العنوان أقل طنانة. “المسرع الذي يمكنه حفظ النموذج القياسي (النظرية)”. ولكن حتى هذا البيان سيكون غير دقيق. يمكن للتجربة أن تدحض النظرية، لكنها لا تستطيع إنقاذها. الحد الأقصى - تأكيده (الدعم).
شموليك،
لم تكن مخطئًا على الإطلاق، وهذا ملخص جيد جدًا للموضوع. تنتج المعجلات الدائرية المزيد من الإشعاع (بسبب التسارع الدائري، أي الطاقة اللازمة لتغيير اتجاه الجسيم المتسارع وليس فقط زيادة سرعته) وبالتالي لا يمكن أن تصل إلى أعلى الطاقات إلا عند تسريع الجسيمات الثقيلة (التي يؤدي فقدانها إلى الطاقة للإشعاع أقل أهمية). بالطبع لديهم ميزة أن طولهم الفعال أكبر لأنه يمكن تسريع الجسيم عبر العديد من الثورات.
أردت أن أسأل ألبنتازو لماذا يكون مصادم الهادرونات الكبير دائريا مقارنة بالمعجل الخطي الذي يجري التخطيط له حاليا، وما إذا كان هناك احتمال أن يستخدم مصادم الهادرونات الكبير الإلكترونات بدلا من البروتونات. لقد أجريت بحثًا تمهيديًا قصيرًا على Google، وتبين أن هناك إشعاع bremsstrahlung (بالاسم الألماني الرائع: Bramsterlung) ينبعث عند تسارع الجسيم المشع. عندما يشع الجسيم، فإنه يفقد سرعته ويجب أن يعوض فقدان سرعة الإشعاع. يفقد الإلكترون سرعته بشكل أسرع بكثير من البروتون، لأنه أخف منه بكثير. سوف يشع الإلكترون بأقصى سرعته قبل إكمال دورة واحدة. من الممكن، بل ومن الإلزامي، التعويض عن فقدان السرعة في البروتونات، لكن كمية الطاقة المطلوبة في الإلكترونات ستكلف الكثير من المال.
وهذا ما يفسر لماذا سيكون معجل الإلكترون خطيًا ولماذا لا يوجد أي فائدة في إطلاق الإلكترونات في LHC.
ألبانتيزو، هل كنت مخطئًا كثيرًا؟ حاولت تلخيص الروابط المرفقة.
http://physics.stackexchange.com/questions/112483/why-doesnt-the-lhc-accelerate-electrons
https://www.quora.com/Why-are-protons-rather-than-electrons-used-in-the-Large-Hadron-Collider
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung#/languages
أ. بن نير،
ليس كل الشركاء الفائقين لديهم نصف عمر قصير. من الناحية النظرية، هناك أيضًا جسيمات مستقرة فائقة التناظر، مثل الأخ الفرميوني للبوزونات المعيارية (بوتينوس، جرافيتينو، وما إلى ذلك).
ليس من الواضح كيف يمكن للجسيمات فائقة التناظر، التي يكون عمرها الافتراضي قصير جدًا، أن تشكل الكتلة المظلمة التي يتوقع علماء الفلك وعلماء الكون العثور عليها.
موشيه ،
كيف تعتقد أنه يمكن القيام بذلك؟ في المسرعات التي نعرف كيف نبنيها اليوم، هناك علاقة مباشرة بين الحجم (طول مسار التسارع، سواء كان محيط مسرع دائري أو طول مسرع خطي) والطاقة التي يمكن توليدها تم الوصول إليه، وهو هدف المسرع: الوصول إلى أعلى طاقة ممكنة (من حيث المبدأ بالطبع، في بعض الأحيان تكون هناك أهداف ثانوية مثل كمية الإشعاع التي يتم إنتاجها وغيرها).
إذا كانت لديك فكرة لمسرع يصل إلى طاقات عالية، من الدرجة الحجمية التي تتم دراستها حاليًا (أي من الدرجة العشرة تيرا إلكترون فولت وما فوق) وتكون صغيرة الحجم، فيرجى مشاركة هذه الفكرة مع المجتمع العلمي . يمكنك الحصول على براءة اختراع أولاً وكسب الكثير من المال.
لا أفهم ماذا يعني عنوان المقال "مسرع الجسيمات الذي يمكن أن ينقذ الفيزياء" فالفيزياء تواجه باستمرار اختبار التفنيد. الاسم الأكثر ملاءمة للمقالة يمكن أن يكون "مسرع الجسيمات الذي يمكنه ترقية الفيزياء". وهذا ما سيحدث إذا تم اكتشاف المزيد من الجزيئات في عالم الجزيئات. لا يوجد إنقاذ هنا. هناك ترقية هنا.
يهودا
لا أفهم حقًا سبب بناء المعززات بهذا الحجم الكبير. في رأيي، من الممكن تقليلها بشكل كبير والحصول على نتائج أقل جودة (وربما أكثر).