الجسيم الذي كان الجميع ينتظره

أجرت مجلة المعهد مقابلة احتفالية مع الباحثين من معهد وايزمان الذين شاركوا في اكتشاف جسيم هيغز

يبدو أن رحلة طويلة ومعقدة لاكتشاف جسيم "هيغز"، بدأت بخطوة واحدة قبل نحو 25 عاما، قد وصلت مؤخرا إلى خط المرمى. صرح بذلك علماء مسرع الجسيمات LHC في المختبر الأوروبي لدراسة فيزياء الجسيمات، ساران، بالقرب من جنيف.

و"هيجز" هو آخر لبنة بناء كانت مفقودة في نظرية "النموذج القياسي" التي تصف بنية المادة في الكون. إنه يجعل من الممكن توحيد قوتين من قوى الطبيعة وإظهار أنهما في الواقع وجهان مختلفان لقوة أساسية أخرى. وبالإضافة إلى ذلك، فهو مسؤول عن وجود كتل الجسيمات الأولية.

لقد لعب علماء معهد وايزمان للعلوم دورًا مركزيًا في رحلة البحث هذه طوال سنواتها. لسنوات عديدة، ترأس البروفيسور جيورا ميكنبرج المجموعة البحثية التي قامت بالبحث عن "هيجز" في تجربة "أوبال" في ساران. ثم ترأس المجموعة البحثية التي قامت ببناء كاشف الميونات في تجربة أطلس، وهي إحدى التجربتين اللتين تم فيهما اكتشاف الجسيم في النهاية. يقود البروفيسور إيهود دوشوفني مجموعة العلماء من معهد وايزمان للعلوم، ويرأس حاليًا فريق بحث يقوم بفحص الأسئلة المركزية الأخرى في البحث. يقوم البروفيسور إيلام جروس حاليًا بتنسيق مجموعة الفيزياء التي تبحث عن جسيمات هيجز في تجربة أطلس. هذه أيضًا قصة عن "الجد والأب والابن" العلمي: البروفيسور ميكنبرج هو مدرس البروفيسور دوشوفني، وكلاهما كانا مدرسين للبروفيسور جروس. عمل معهم البروفيسور فلاديمير سماختين والدكتور دانييل ليلوتشي والدكتورة لورين ليفينسون. وترأس الجهاز الفني مئير شوا.

البروفيسور إيلام جروس: "هذا هو أعظم يوم في حياتي. منذ أن كنت طالبًا، في الثمانينيات، كنت أبحث عن "هيغز". لا يزال من الصعب تصديق كيف تم تلخيص 80 عامًا في اكتشاف جاء مفاجئًا. لا يهم ما تسميه - من الآن فصاعدا لم نعد نبحث عن "هيجز" - بل نقوم بقياس خصائصه. هذا هو أسعد يوم في حياتي - هذا ما كنت أتوقعه، ولم أتوقع أنه عندما يحدث ذلك سأكون في مثل هذا المنصب الرفيع في فريق البحث العالمي."

بالنسبة لعدد غير قليل من الناس، فإن العالم المعقد الذي نعيش فيه هو عالم رائع. لكن الفيزيائيين بيننا غير راضين عن الواقع المرئي. إنهم يسعون جاهدين للوصول إلى جذور هذا الواقع، والتحقق مما إذا كان يعتمد حقًا على البساطة المطلقة المفقودة للكون القديم. إنهم يسعون جاهدين لرؤية جسيمات المادة العديدة على أنها "أوجه مختلفة" أو "كتركيبات مختلفة" لعدد قليل من الجسيمات الأساسية. إنهم يسعون جاهدين لرؤية القوى الأربع المؤثرة بين هذه الجسيمات (القوة الضعيفة، المسؤولة عن ظاهرة النشاط الإشعاعي؛ القوة الكهرومغناطيسية؛ القوة القوية، المسؤولة عن وجود البروتونات والنيوترونات؛ والجاذبية) باعتبارها "جوانب مختلفة" لواحد وواحد. نفس القوة الأساسية للطبيعة (عندما "يستسلم" جسيمان من المادة بينهما في شكل "كرة"، نقول أن هناك قوة تؤثر بينهما، وأن "الكرة" هي جسيم يحمل هذه القوة).

اكتملت الخطوة الأولى في رحلة توحيد القوى بالاكتشاف شبه المؤكد لجسيم "هيغز"، وهو توحيد قوتين: القوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة، في قوة أكثر أساسية وأقدم، تسمى القوة الكهربائية. قوة ضعيفة. الجسيم الذي يحمل القوة الكهرومغناطيسية هو الفوتون. وتحمل القوة الضعيفة جسيمات "W" و"Z" التي لها كتلة محددة بدقة في تجربة شارك فيها علماء معهد وايزمان للعلوم. يتم إعطاء الكتل "W" و"Z" لهم بواسطة "Higgs"، الذي سمي على اسم الفيزيائي الاسكتلندي Peter Higgs.

أكبر آلة في العالم
وفي محاولة لاكتشاف "هيغز"، وتوحيد القوى وفهم مصدر الكتلة في الكون، قام العلماء ببناء أكبر آلة في العالم: معجل الجسيمات الذي تم بناؤه في نفق دائري يبلغ طوله 27 كيلومترا، و وقد تم حفرها على عمق حوالي 100 متر تحت الأرض، في المنطقة الحدودية بين فرنسا وسويسرا، في المختبر الأوروبي لدراسة فيزياء الجسيمات، الأب، بالقرب من جنيف.

يقوم هذا المسرع، المسمى LHC (اختصار لمصادم الهادرونات الكبير)، بتسريع حزم البروتونات إلى سرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء (99.999998% من سرعة الضوء)، بحيث تزداد كتلتها، وفقًا للنظرية النسبية. ما يصل إلى 7,500 مرة كتلتها الطبيعية في حالة الراحة. فهو يوجه الحزم ضد بعضها البعض، ويسبب تصادمات طاقة هائلة تحطم الجزيئات وتخلق، في غمضة عين، نظامًا نشيطًا للغاية، مشابهًا للوضع الذي كان موجودًا في الأجزاء الأولى من الثانية بعد الانفجار الأعظم. ونتيجة لذلك تتحول جزيئات المادة إلى طاقة، بحسب معادلة ألبرت أينشتاين الشهيرة التي تصف المساواة بين المادة والطاقة: E=Mc2. وبعد ذلك تنتشر الطاقة في الفضاء ويبرد النظام. ونتيجة لذلك تعود الطاقة وتتحول إلى جسيمات من المادة، تمر وتعيد إنتاج نفس العملية المتعددة المراحل، حتى تخلق جسيمات قادرة على الوجود في الواقع الذي نعرفه.

ونواتج الاصطدامات عبارة عن جسيمات نشطة، بعضها موجود لفترات زمنية قصيرة جداً (كسور من الثانية)، لذا لكي نلاحظ وجودها لا بد من التعرف على الآثار التي تتركها وراءها. ولهذا الغرض، تم تطوير مجموعة من أجهزة كشف الجسيمات، وتم تكييف كل منها لالتقاط جسيمات معينة.

إحصائيات
المشكلة هي أن فرصة الحصول على جسيم "هيجز" في تصادم واحد تساوي فرصة انتزاع خلية حية واحدة من ورقة معينة من نبات ينمو على سطح الأرض عن طريق مد يد عشوائية. للتعامل مع هذه المهمة، قام علماء معهد وايزمان للعلوم، بقيادة البروفيسور ميكنبرج، بتطوير أجهزة كشف فريدة للجسيمات، والتي تم إنتاجها في المعهد في اليابان والصين. وتم تكييف هذه الكواشف للكشف عن جسيمات الميون، التي تنشأ نتيجة اضمحلال جسيم "هيغز"، أي أن الكشوفات هي دليل ظرفي على وجود سابق لجسيمات "هيغز".

وقام العلماء بتحليل البيانات التي تم الحصول عليها من اصطدام ألف تريليون بروتون، والتي يتم فيها إنشاء جسيمات هيغز، إلى جانب العديد من الجسيمات الأخرى المماثلة. البحث عن العلامات المحتملة لوجود "هيغز" يتم من خلال إيجاد التناقضات في البيانات الإحصائية (مقارنة بالبيانات المتوقع الحصول عليها في حالة عدم وجود الجسيم). يتركز هذا البحث في نطاق الكتلة المقدرة للجسيم: 126 تريليون إلكترون فولت (GeV). عندما يتمكن العلماء من العثور على مثل هذه التناقضات، يجب عليهم استبعاد احتمال أن يكون ذلك انحرافًا إحصائيًا.

أظهرت الحسابات التي أجراها العلماء في الأسابيع القليلة الماضية، والتي لعب فيها البروفيسور جروس دورًا مركزيًا، بدقة كبيرة أنه في المكان الذي كان من المتوقع أن يوجد فيه جسيم "هيغز" بالضبط، تم العثور على جسيم جديد مماثل في الكتلة لجسيم "هيغز". الكتلة المتوقعة لـ"هيجز". تهدف هذه الصياغة الدقيقة إلى ترك مجال لاحتمال العثور على جسيم جديد غير "هيغز" في هذا النطاق الكتلي على وجه التحديد. من الواضح أن فرصة حدوث ذلك ليست كبيرة. ومع ذلك، يقول العديد من الفيزيائيين إنه إذا تبين أن هذا هو وجه الأشياء حقًا، فسيكون الأمر "مثيرًا للاهتمام حقًا".

CERN

قدم علماء ساران مساهمة كبيرة في تطوير لغات الكمبيوتر والمفاهيم الأساسية التي كانت فيما بعد بمثابة الأساس لإنشاء الإنترنت. وفي الواقع، تم تفعيل الخادم الأول لـ "شبكة الويب العالمية" في مدينة ساران من أجل خلق تواصل جيد بين العلماء من جميع أنحاء العالم الذين يشاركون في التجارب التي تجرى هناك. كما كانت المنظمة بمثابة نموذج لإنشاء الاتحاد الأوروبي، ويذكرنا تأثيرها على التكنولوجيا والاقتصاد إلى حد ما ببرنامج الفضاء الأمريكي.

يعتمد مسرع LHC على مغناطيسات كهربائية فائقة التوصيل، تعمل في درجات حرارة منخفضة للغاية: أقل من درجتين فوق الصفر المطلق (ناقص 271 درجة مئوية)، وينتج حوالي مليار تصادم جسيمات في الثانية. إن الحاجة إلى حساب وتحليل المعلومات من كل هذه التصادمات تعادل محاولة فهم ما يقوله جميع سكان العالم، عندما يجري كل منهم 20 مكالمة هاتفية في نفس الوقت.

ويتضمن هذا النظام التجريبي أكبر مغناطيس كهربائي فائق التوصيل في العالم، تم بناؤه بمشاركة شركات إسرائيلية.

ويضم الهيكل بأكمله 10,000 آلاف كاشف إشعاعي، يقع بدقة مليمتر واحد في مساحة تبلغ مساحتها 25,000 ألف متر مكعب، ويتضمن مليونًا ونصف المليون قناة إلكترونية. معظم أجهزة كشف الميونات في هذا الهيكل الميكانيكي الكبير مبنية من مكونات مصنعة في إسرائيل. يقوم نظام ليزر فريد بتتبع الموقع الدقيق للكاشفات بدقة تصل إلى 25 ميكرون (نصف سمك شعرة الإنسان).