مصادم هادرون الكبير وحدود الفيزياء

ال علم فيزياء الجسيمات ينظر إلى اللبنات الأساسية للمادة - الذرات والجسيمات التي تشكل الكثير من المواد في الكون. إنه علم معقد يتطلب قياسات مضنية للجسيمات التي تتحرك بسرعات عالية. حصل هذا العلم على دفعة كبيرة عندما بدأ مصادم الهادرون الكبير (LHC) عملياته في سبتمبر 2008. يبدو اسمها "خيال علمي" للغاية ولكن كلمة "مصادم" تفسر بالضبط ما تفعله: إرسال شعاعين من الجسيمات عالية الطاقة بسرعة الضوء تقريبًا حول 27 كيلومترًا تحت الأرض حلقة. في الوقت المناسب ، تضطر الحزم إلى "الاصطدام". ثم تتحطم البروتونات في الحزم معًا ، وإذا سارت الأمور على ما يرام ، يتم إنشاء أجزاء وقطع أصغر - تسمى الجسيمات دون الذرية - للحظات قصيرة في الوقت المناسب. يتم تسجيل أفعالهم ووجودهم. من هذا النشاط ، يتعلم الفيزيائيون المزيد عن المكونات الأساسية للمادة.

تم بناء المصادم LHC للإجابة على بعض الأسئلة المهمة للغاية في الفيزياء ، والتعمق في مصدر الكتلة ، ولماذا يتكون الكون من المادة بدلاً من "الأشياء" المعاكسة لها تسمى المادة المضادة ، وما يمكن أن تكون "الأشياء" الغامضة المعروفة باسم المادة المظلمة. يمكن أن يوفر أيضًا أدلة جديدة مهمة حول الظروف في الكون المبكر جدًا عند الجاذبية تم الجمع بين القوى الكهرومغناطيسية مع القوى الضعيفة والقوية في واحدة شاملة فرض. حدث ذلك فقط لفترة قصيرة في الكون المبكر ، ويريد الفيزيائيون معرفة السبب وكيف تغير.

علم فيزياء الجسيمات هو في الأساس البحث عنه اللبنات الأساسية للمادة. نحن نعرف عن الذرات والجزيئات التي تشكل كل ما نراه ونشعر به. تتكون الذرات نفسها من مكونات أصغر: النواة والإلكترونات. النواة نفسها تتكون من البروتونات والنيوترونات. لكن هذه ليست نهاية الخط. تتكون النيوترونات من جسيمات دون ذرية تسمى الكواركات.

هل هناك جزيئات أصغر؟ هذا ما تم تصميم مسرعات الجسيمات لاكتشافه. الطريقة التي يفعلون بها ذلك هي خلق ظروف مماثلة لما كانت عليه بعد ذلك بقليل الانفجار الكبير - الحدث الذي بدأ الكون. في ذلك الوقت ، منذ حوالي 13.7 مليار سنة ، كان الكون مصنوعًا من الجسيمات فقط. كانوا مشتتين بحرية من خلال الكون الرضيع ويتجولون باستمرار. وتشمل هذه الميزونات ، الأسود ، الباريونات ، والهادرونات (التي يسمى مسرعها).

يشتبه فيزيائيو الجسيمات (الأشخاص الذين يدرسون هذه الجسيمات) في أن المادة تتكون من اثني عشر نوعًا على الأقل من الجسيمات الأساسية. وهي مقسمة إلى كواركات (المذكورة أعلاه) ولبتونات. هناك ستة من كل نوع. وهذا يفسر فقط بعض الجسيمات الأساسية في الطبيعة. يتم إنشاء الباقي في تصادمات فائقة الطاقة (إما في الانفجار الكبير أو في المسرعات مثل LHC). داخل تلك التصادمات ، يحصل فيزيائيو الجسيمات على لمحة سريعة جدًا عن الظروف التي كانت عليها في الانفجار الكبير ، عندما تم إنشاء الجسيمات الأساسية لأول مرة.

LHC هو أكبر معجل للجسيمات في العالم ، وأخت كبيرة لفيرميلاب في إلينوي ومسرعات أخرى أصغر. يقع LHC بالقرب من جنيف ، سويسرا ، تم بناؤه وتشغيله من قبل المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية ، ويستخدمه أكثر من 10000 عالم من جميع أنحاء العالم. على طول الحلقة ، قام الفيزيائيون والفنيون بتركيب مغناطيس قوي للغاية فائق التبريد يوجه ويشكل أشعة الجسيمات من خلال أنبوب شعاع). بمجرد أن تتحرك الحزم بسرعة كافية ، توجهها المغناطيسات المتخصصة إلى المواضع الصحيحة حيث تحدث التصادمات. تسجل الكواشف المتخصصة التصادمات والجسيمات ودرجات الحرارة والظروف الأخرى في ذلك الوقت من التصادم ، وإجراءات الجسيمات في المليارات من الثانية التي تستغرقها عمليات التحطيم مكان.

عندما خطط فيزيائي الجسيمات وبنى المصادم LHC ، كان هناك شيء واحد كانوا يأملون في العثور على دليل عليه هيجز بوسون. إنه جسيم سمي بعد بيتر هيجز ، الذي تنبأ بوجودها. في عام 2012 ، أعلن اتحاد LHC أن التجارب كشفت عن وجود بوزون يطابق المعايير المتوقعة لـ Higgs Boson. بالإضافة إلى البحث المستمر عن هيجز ، ابتكر العلماء الذين يستخدمون المصادم LHC ما يسمى ب "بلازما الكوارك - غلوون" ، وهي المادة الأكثر كثافة التي يعتقد أنها موجودة خارج الثقب الأسود. تساعد تجارب الجسيمات الأخرى الفيزيائيين على فهم التناظر الفائق ، وهو تناظر الزمكان الذي ينطوي على نوعين متصلين من الجسيمات: البوزونات والفرميونات. يُعتقد أن كل مجموعة من الجسيمات لها جسيم شريك فائق مرتبط بها في الأخرى. إن فهم هذا التناظر الفائق من شأنه أن يمنح العلماء مزيدًا من التبصر فيما يسمى "النموذج القياسي". إنها نظرية تفسر ما هو العالم ، وما يجمع مادته ، والقوى والجسيمات المشاركة.

تضمنت العمليات في المصادم LHC عمليتي مراقبة رئيسيتين. بين كل واحد ، يتم تجديد النظام وترقيته لتحسين أدواته وأجهزة الكشف. ستشمل التحديثات التالية (المقرر لعام 2018 وما بعده) زيادة في سرعات التصادم ، وفرصة لزيادة لمعان الجهاز. ما يعنيه ذلك هو أن المصادم LHC سيكون قادرًا على رؤية عمليات أكثر ندرة وسريعة حدوث الجسيمات من تسارع وتصادم الجسيمات. كلما زادت سرعة حدوث التصادمات ، كلما تم إطلاق المزيد من الطاقة نظرًا لوجود جسيمات أصغر وأصغر لا يمكن اكتشافها. سيعطي هذا فيزيائي الجسيمات نظرة أفضل على لبنات البناء للمادة التي تشكل النجوم والمجرات والكواكب والحياة.