ماذا لو كان من الممكن ملاحظة اللبنات الأساسية التي يقوم عليها الكون؟ لا مشكلة! كل ما تحتاجه هو معجل جسيمات ضخم ، منشأة تحت الأرض كبيرة بما يكفي لعبور الحدود بين بلدين ، والقدرة على تسريع الجسيمات إلى النقطة التي تقضي فيها على بعضها البعض - لإطلاق الطاقة والكتلة التي يمكنك ملاحظتها بعد ذلك بسلسلة من الشاشات الخاصة.
حسنًا ، لحسن الحظ ، مثل هذا المرفق موجود بالفعل ، ويُعرف باسم مصادم CERN الكبير هاردرون (LHC) ، المعروف أيضًا باسم CERN Particle Accelerator. يبلغ محيطه حوالي 27 كيلومترًا ويقع على عمق عميق تحت السطح بالقرب من جنيف بسويسرا ، وهو أكبر مسرع للجسيمات في العالم. ومنذ أن قلبت CERN المفتاح ، ألقى LHC بعض الضوء الجاد على بعض الألغاز الأعمق في الكون.
غرض:
المصادمات ، بحكم التعريف ، هي نوع من مسرعات الجسيمات التي تعتمد على حزمتين موجهتين من الجسيمات. يتم تسريع الجسيمات في هذه الأدوات إلى طاقات حركية عالية جدًا ثم تصطدم مع بعضها البعض. ثم يتم تحليل النتائج الثانوية لهذه الاصطدامات من قبل العلماء للتأكد من بنية العالم دون الذري والقوانين التي تحكمه.
مصادم الهادرونات الكبير هو أقوى مسرع للجسيمات في العالم. الائتمان: سيرن
الغرض من المصادمات هو محاكاة نوع التصادمات عالية الطاقة لإنتاج منتجات ثانوية للجسيمات التي لولاها ما كانت لتوجد في الطبيعة. علاوة على ذلك ، تتحلل هذه الأنواع من المنتجات الثانوية للجسيمات بعد فترة زمنية قصيرة جدًا ، ومن ثم يصعب أو يكاد يكون من المستحيل دراستها في ظل الظروف العادية.
يشير مصطلح هادرون إلى جسيمات مركبة تتكون من كواركات مرتبطة ببعضها البعض بواسطة القوة النووية القوية ، وهي إحدى القوى الأربع التي تحكم تفاعل الجسيمات (القوى الأخرى هي القوة النووية الضعيفة والكهرومغناطيسية والجاذبية). وأشهر الهادرونات هي الباريونات - البروتونات والنيوترونات - ولكنها تشمل أيضًا الميزونات والجسيمات غير المستقرة المكونة من كوارك واحد وكوارك مضاد واحد.
تصميم:
يعمل المصادم LHC عن طريق تسريع حزمتين من 'الهادرونات' - إما بروتونات أو أيونات الرصاص - في اتجاهين متعاكسين حول أجهزته الدائرية. ثم تصطدم الهادرونات بعد أن تصل إلى مستويات عالية جدًا من الطاقة ، ويتم تحليل الجسيمات الناتجة ودراستها. إنه أكبر مسرع عالي الطاقة في العالم ، حيث يبلغ محيطه 27 كيلومترًا (17 ميلًا) وعلى عمق 50 إلى 175 مترًا (164 إلى 574 قدمًا).
يبلغ عرض النفق الذي يضم المصادم 3.8 مترًا (12 قدمًا) ، وكان يستخدم سابقًا لإيواء مصادم إلكترون بوزيترون كبير (التي عملت بين 1989 و 2000). يحتوي هذا النفق على خطي أشعة متوازيين متجاورين يتقاطعان عند أربع نقاط ، كل منها يحتوي على حزمة تنتقل في اتجاهين متعاكسين حول الحلقة. يتم التحكم في الحزمة بواسطة 1232 مغناطيس ثنائي القطب بينما يتم استخدام 392 مغناطيس رباعي الأقطاب للحفاظ على تركيز الحزم.
تُستخدم مغناطيسات كهربائية رباعية التوصيل فائقة التوصيل لتوجيه الحزم إلى أربع نقاط تقاطع ، حيث ستحدث التفاعلات بين البروتونات المتسارعة.
يتم استخدام حوالي 10000 مغناطيس فائق التوصيل إجمالاً ، والتي يتم الاحتفاظ بها في درجة حرارة تشغيلية تبلغ -271.25 درجة مئوية (-456.25 درجة فهرنهايت) - وهي خجولة تمامًا من الصفر المطلق - بحوالي 96 طنًا من الهيليوم السائل -4. وهذا أيضًا يجعل من مصادم الهدرونات الكبير (LHC) أكبر منشأة مبردة في العالم.
عند إجراء تصادم البروتون ، تبدأ العملية بمسرع الجسيمات الخطي ( ليناك 2 ). بعد أن يزيد LINAC 2 من طاقة البروتونات ، يتم بعد ذلك حقن هذه الجسيمات في معزز البروتون السنكروترون (PSB) ، مما يزيد من سرعتها إلى سرعات عالية.
ثم يتم حقنها في بروتون السنكروترون (PS) ، ثم إلى ملف سوبر بروتون سينكرترون (SPS) ، حيث يتم تسريعها بشكل أكبر قبل حقنها في المسرع الرئيسي. بمجرد الوصول إلى هناك ، تتراكم حزم البروتونات وتتسارع إلى ذروة طاقتها خلال فترة 20 دقيقة. أخيرًا ، يتم توزيعها لمدة 5 إلى 24 ساعة ، وخلال هذه الفترة تحدث التصادمات عند نقاط التقاطع الأربعة.
خلال فترات التشغيل الأقصر ، يتم تضمين تصادمات الأيونات الثقيلة (عادةً أيونات الرصاص) في البرنامج. يتم تسريع أيونات الرصاص أولاً بواسطة المسرع الخطي ليناك 3 ، و ال حلقة أيون منخفضة الطاقة (LEIR) يستخدم كوحدة تخزين ومبرد أيون. ثم يتم تسريع الأيونات بشكل أكبر بواسطة PS و SPS قبل حقنها في حلقة LHC.
أثناء اصطدام البروتونات وأيونات الرصاص ، يتم استخدام سبعة كاشفات للبحث عن منتجاتها الثانوية. وتشمل هذه جهاز حلقي LHC (أطلس) تجربة و ضغط الملف اللولبي Muon (CMS) ، وكلاهما كاشفات للأغراض العامة مصممة لرؤية العديد من الأنواع المختلفة من الجسيمات دون الذرية.
ثم هناك ما هو أكثر تحديدا تجربة مصادم أيوني كبير (أليس) و مصادم هادرون كبير الجمال (LHCb) أجهزة الكشف. في حين أن ALICE عبارة عن كاشف للأيونات الثقيلة يدرس المواد شديدة التفاعل عند كثافة الطاقة القصوى ، يسجل LHCb تحلل الجسيمات ويحاول تصفية الكواركات b و Anti-b من نواتج اضمحلالها.
ثم هناك ثلاثة أجهزة كشف صغيرة ومتخصصة للغاية - و إجمالي قياس المقطع العرضي المرن والانحراف (TOTEM) تجربة ، والتي تقيس المقطع العرضي الكلي والانتثار المرن والعمليات الانكسارية ؛ ال كاشف أحادي و غريب (MoEDAL) ، الذي يبحث عن أحادي القطب المغناطيسي أو الجزيئات المشحونة الضخمة (الزائفة) ؛ و ال مصادم هادرون كبير للأمام (LHCf) التي ترصد الجسيمات النجمية (المعروفة أيضًا باسم الأشعة الكونية).
تاريخ العملية:
CERN ، والتي تعني المجلس الأوروبي للأبحاث النووية (أو المجلس الأوروبي للبحوث النووية باللغة الإنجليزية) تم تأسيسه في 29 سبتمبر 1954 من قبل اثنتي عشرة دولة موقعة من أوروبا الغربية. كان الهدف الرئيسي للمجلس هو الإشراف على إنشاء معمل لفيزياء الجسيمات في جنيف حيث سيتم إجراء الدراسات النووية.
رسم توضيحي يوضح المنتجات الثانوية لتصادم أيونات الرصاص ، كما تمت مراقبته بواسطة كاشف ATLAS. الائتمان: سيرن
بعد وقت قصير من إنشائه ، تجاوز المختبر هذا وبدأ في إجراء أبحاث فيزياء الطاقة العالية أيضًا. وقد نمت أيضًا لتشمل عشرين دولة عضوًا أوروبية: فرنسا ، سويسرا ، ألمانيا ، بلجيكا ، هولندا ، الدنمارك ، النرويج ، السويد ، فنلندا ، إسبانيا ، البرتغال ، اليونان ، إيطاليا ، المملكة المتحدة ، بولندا ، المجر ، جمهورية التشيك ، سلوفاكيا وبلغاريا وإسرائيل.
تمت الموافقة على بناء المصادم LHC في عام 1995 وكان من المقرر في البداية أن يكتمل بحلول عام 2005. ومع ذلك ، أدت تجاوزات التكاليف ، وخفض الميزانية ، والصعوبات الهندسية المختلفة إلى دفع تاريخ الانتهاء إلى أبريل من عام 2007. بدأ المصادم LHC عبر الإنترنت لأول مرة في 10 سبتمبر 2008 ، لكن الاختبار الأولي تأخر لمدة 14 شهرًا بعد حادث تسبب في أضرار جسيمة للعديد من المكونات الرئيسية للمصادم (مثل المغناطيسات فائقة التوصيل).
في العشرين من تشرين الثاني (نوفمبر) 2009 ، تمت إعادة تشغيل المصادم LHC من جديد وتشغيله الأول من 2010 إلى 2013. وخلال هذا السباق ، اصطدم بحزمتين من الجسيمات المتعارضة من البروتونات ونواة الرصاص عند طاقات 4 تيرا إلكترون فولت (4 تيرا إلكترون فولت) و 2.76 إلكترون فولت لكل nucleon ، على التوالي. الغرض الرئيسي من المصادم LHC هو إعادة تهيئة الظروف بعد الانفجار العظيم مباشرة عندما كانت تحدث تصادمات بين جسيمات عالية الطاقة.
الاكتشافات الرئيسية:
خلال أول تشغيل لها ، تضمنت اكتشافات مصادم الهدرونات الكبير جسيمًا يُعتقد أنه جسيم هيغز بوسون الذي طال انتظاره ، والذي تم الإعلان عنه في 4 يوليو 2012 . هذا الجسيم ، الذي يعطي الجسيمات الأخرى كتلة ، هو جزء أساسي من النموذج القياسي للفيزياء. نظرًا لكتلته العالية وطبيعته المراوغة ، كان وجود هذا الجسيم مبنيًا على النظرية فقط ولم يتم ملاحظته من قبل.
كما سمح اكتشاف Higgs Boson والتشغيل المستمر للمصادم LHC للباحثين بالتحقيق في الفيزياء بما يتجاوز النموذج القياسي. وقد اشتمل هذا على الاختبارات المتعلقة نظرية التناظر الفائق . تظهر النتائج أن أنواعًا معينة من تحلل الجسيمات أقل شيوعًا من بعض أشكال التناظر الفائق ، ولكنها لا تزال تتطابق مع تنبؤات الإصدارات الأخرى من نظرية التناظر الفائق.
في مايو 2011 ، تم الإبلاغ عن تكوين بلازما كوارك-غلوون (نظريًا ، المادة الأكثر كثافة إلى جانب الثقوب السوداء) في مصادم الهدرونات الكبير. في 19 نوفمبر 2014 ، أعلنت تجربة LHCb عن اكتشاف اثنين من الجسيمات دون الذرية الثقيلة الجديدة ، وكلاهما عبارة عن باريونات مكونة من كوارك قاع وواحد لأسفل وكوارك غريب واحد. ال تعاون LHCb لاحظ أيضًا وجود العديد من الهادرونات الغريبة خلال الجولة الأولى ، من المحتمل أن تكون خماسية أو رباعي الكواركات.
منذ عام 2015 ، يجري المصادم LHC جولته الثانية. في ذلك الوقت ، تم تخصيصه لتأكيد اكتشاف Higgs Boson ، وإجراء مزيد من التحقيقات في نظرية التناظر الفائق ووجود جسيمات غريبة عند مستويات طاقة أعلى.
كاشف ATLAS ، أحد كاشفين للأغراض العامة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC). الائتمان: سيرن
في السنوات القادمة ، من المقرر إجراء سلسلة من الترقيات للمصادم LHC لضمان عدم معاناته من تراجع العوائد. في 2017-2018 ، من المقرر أن يخضع LHC لعملية ترقية من شأنها زيادة طاقة الاصطدام إلى 14 TeV. بالإضافة إلى ذلك ، بعد عام 2022 ، سيتلقى كاشف ATLAS ترقية مصممة لزيادة احتمالية اكتشافه للعمليات النادرة ، والمعروفة باسم LHC عالي اللمعان .
جهد البحث التعاوني المعروف باسم برنامج أبحاث مسرع المصادم LHC تُجري (LARP) حاليًا بحثًا حول كيفية تحديث المصادم LHC بشكل أكبر. من بين هذه العوامل الزيادات في تيار الحزمة وتعديل منطقتي التفاعل عالي السطوع ، وكاشفات ATLAS و CMS.
من يدري ما الذي سيكتشفه المصادم LHC من الآن وحتى اليوم الذي يتم فيه إيقاف تشغيل الطاقة في النهاية؟ مع الحظ ، سيلقي مزيدًا من الضوء على الألغاز الأعمق للكون ، والتي يمكن أن تشمل البنية العميقة للمكان والزمان ، وتقاطع ميكانيكا الكم والنسبية العامة ، والعلاقة بين المادة والمادة المضادة ، ووجود 'المادة المظلمة' '.
لقد كتبنا العديد من المقالات حول CERN و LHC لـ Universe Today. هنا ما هو بوزون هيجز؟ و تنكمش آلة الضجيج بعد أن تُظهر بيانات CERN عدم وجود جزيئات جديدة و BICEP2 من جديد؟ يضع الباحثون اكتشاف بوزون هيجز موضع شك و العثور على اثنين من الجسيمات دون الذرية الجديدة و هل جسيم جديد على وشك الإعلان؟ و ربما ، ربما ، يؤكد الفيزيائيون الاكتشاف المحتمل للقوة الخامسة للطبيعة .
إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول مصادم الهادرون الكبير ، فراجع ملف الصفحة الرئيسية للمصادم LHC ، وهنا رابط إلى موقع CERN .
لدى Astronomy Cast أيضًا بعض الحلقات حول هذا الموضوع. استمع هنا، الحلقة 69: مصادم هادرون الكبير والبحث عن بوزون هيغز و الحلقة: 392 .
مصادر:
