طاقة التصادم

في السحابة الباردة TMC-1، حيث لا تتجاوز درجة الحرارة عشر درجات فوق الصفر المطلق، نادرًا ما تلتقي الجزيئات ببعضها البعض. لكن من وقت لآخر، يمر عبرها ذرة هيليوم، وتلك اللمسة القصيرة كافية لتغيير دوران الجزيء. هذه الاصطدامات هي التي تحدد الإشعاع الذي نراه من الأرض. السيكلوبنتاديين هو حلقة خماسية من خمس ذرات كربون تحتوي على رابطتين مزدوجتين.

تبدو بلورة أكسيد النحاس كحصاة حمراء داكنة. لكن عندما يصطدم بها نبض ليزري قصير، تتولد بداخلها أزواج: إلكترون و«ثقب» — مكان ينقصه إلكترون. يُسمى هذا الزوج إكسيتون ويتصرف تقريبًا مثل ذرة الهيدروجين: تدور الجسيمات حول بعضها البعض، مرتبطة بتجاذب كهربائي.

ثلاث كرات بلياردو بعد اصطدامها تتناثر على الطاولة — مساراتها تعتمد فقط على الدفعة الأولية. لكن في عالم النوى الذرية، الأمور أكثر تعقيدًا: الجسيمات تشعر ببعضها البعض أثناء الحركة، حتى لو لم تكن مرتبطة في كل واحد. لفترة طويلة، تمكن الفيزيائيون من قياس التفاعلات الثنائية فقط، أما ما يحدث عندما يلتقي ثلاثة أجسام فبقي خارج الإطار.

في مركز مجرة بعيدة، حيث يدور ثقب أسود فائق الكتلة بكتلة تعادل مئة مليون شمس، تخترق الفضاء مجالات مغناطيسية. وهي ملتفة في دوامات شديدة — مثل قمع في صدفة، لكن بدلاً من الماء هناك بلازما متسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هنا تحديداً، على الموجات الصادمة، تولد جسيمات بطاقة لا يضاهيها أي مسرّع أرضي.

2.1 × 10⁻⁹ — هذا مقدار التباين في درجة الحرارة عبر السماء، كما لو قِسنا تموجًا على سطح المحيط بارتفاع أجزاء من الميليمتر. هذا التباين الميكروسكوبي محفور في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ويحكي عن بداية الزمن.

في الحلقة التي يبلغ طولها 21 كيلومترًا في بروتفينو قرب موسكو، كان يُخطط يومًا لتسريع البروتونات. اليوم، يمكن لهذا النفق نفسه أن يستضيف آلة مختلفة تمامًا — مصادم ميوني. الميون هو قريب ثقيل للإلكترون، وهنا تكمن قوته. الإلكترون عند منعطف الحلقة يُصدر إشعاعًا كالكشاف الضوئي، فاقدًا طاقته الثمينة. أما الميون فيُصدر إشعاعًا أضعف بمليار مرة.

في أعماق كاشف مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، وفي لحظة وجيزة يولد شيء ثقيل. يتحلل فورًا إلى بوزوني هيغز — جسيمين، مثل الدمى الروسية، يخفي كل منهما زوجين من كواركات b. تتناثر أربعة تيارات من الجسيمات في اتجاهات مختلفة، والمهمة هي تمييز أثر حدث واحد وسط مليارات الأحداث المشابهة.

محطة قطار صاخبة في ساعة الذروة. آلاف الأشخاص يسرعون، والأصوات تندمج في همهمة واحدة. وفي مكان ما وسط هذا الزحام، يحاول شخصان أن يتصافحا بمصافحة خاصة بالكاد تُلاحظ. رصد مثل هذه المصافحة شبه مستحيل.

ينفجر عرض الألعاب النارية، وتتفتت نقطة واحدة إلى أربعة شرارات في آن واحد. هذا ما يفعله بوزون Z — الجسيم الذي ينقل القوة النووية الضعيفة — عندما يتحلل إلى أربعة لبتونات مشحونة (إلكترونات أو ميونات). العملية نادرة للغاية: من بين مليون ولادة لبوزون Z، يحدث حوالي خمسة من هذه الأحداث فقط.

إذا غمست مقياسي حرارة متطابقين في قدر به ماء ساخن، فسيشيران إلى نفس القراءة — ونطمئن: درجة الحرارة قيست بشكل صحيح. لكن في غاز مخلخل مسخن إلى ملايين الدرجات، لم تعد هذه الحيلة تعمل. هنا، نادرًا ما تتصادم الجسيمات مع بعضها، لذا تهرب الإلكترونات الأسرع بعيدًا بينما تتجمع البطيئة في المركز.

شعاعان مبهران من الضوء يتصادمان وجهًا لوجه. في نقطة التقائهما، تولد للحظة جسيم — هو ذاته المسؤول عن كتلة كل شيء في الوجود. إنه بوزون هيغز. عادةً ما يتم إنتاجه عن طريق تسريع البروتونات أو الإلكترونات، ولكن هنا تعمل جسيمات الضوء نفسها — الفوتونات — كقذائف.

سقوط عملة معدنية على حافتها — بهذه الندرة تقريبًا يضمحل بَيون ثقيل إلى بيون خفيف وزوج إلكترون-بوزيترون. على مدى عقد من تشغيل المصادم، لم تُجمع سوى حفنة من هذه الأحداث، لكن الفيزيائيين تمكنوا أخيرًا من رصدها. احتمال الاضمحلال بلغ حوالي 2.4×10⁻⁸.

في مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات مليارات المرات في الثانية، ومرة واحدة فقط من كل تريليون تصادم يولد زوج من بوزونات هيغز (الجسيمات المسؤولة عن كتلة كل شيء). في تجربة CMS، كان الفيزيائيون يتعقبون مثل هذه الأحداث تحديدًا.

خرزة زجاجية صغيرة معلقة في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء الشمس. حولها غاز مخلخل: ذرات الكريبتون والزينون وجزيئات ثقيلة من سداسي فلوريد الكبريت. تصطدم هذه بالخرزة، وكل ضربة تنقل إليها زخماً صغيراً – مثل حبة بازلاء تُقذف على ملاءة مشدودة فتجعلها ترتجف. الزخم هو مقياس للحركة: حاصل ضرب الكتلة في السرعة.

بوزون هيغز يشبه قائد الأوركسترا الذي يمنح الكتلة لجميع الجسيمات الأخرى. بدونه، كانت الإلكترونات ستكون عديمة الكتلة، وكانت الذرات ستنهار. ولكن كيف يتفاعل قائد الأوركسترا مع نفسه؟ هذا هو السؤال الرئيسي الذي يجب أن يجيب عليه مصادم الميونات المستقبلي. تتناول المقالة منشأة MUSIC المصممة لتصادم الميونات عند طاقة 10 تيرا إلكترون فولت.

في كاشف CMS بمصادم الهدرونات الكبير، اصطدمت بروتونات مُسرَّعة إلى ما يقارب سرعة الضوء. بين مليارات هذه التصادمات، بحث الفيزيائيون عن أثر نادر: ولادة جسيم ثقيل واحد يتحلل فورًا إلى بوزون W وكوارك b.

عندما يطير جسيمان بسرعة متقاربة تقريبًا في الاتجاه نفسه، تندمج إشاراتهما في الكاشف، مثل صوتين في انسجام تام. تمييز الثنائي عن العازف المنفرد فنٌّ بحد ذاته. في مصادم الهادرونات الكبير، يُولَد الإلكترون ونقيضه البوزيترون أحيانًا بزخم يجعل طاقتيهما تتجمعان في كتلة واحدة في المسعّر (calorimeter) — الجهاز الذي يقيس طاقة الجسيمات.

في الفترة من 2016 إلى 2018، اصطدمت البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير في سيرن بطاقة 13 تيرا إلكترون فولت — كما لو تم تسريع حبتي بازلاء إلى سرعات يجعل اصطدامهما يولد سربًا كاملًا من الجسيمات الجديدة. وفي هذا السرب، بحث الفيزيائيون عن أكثر الضيوف غرابة: ثقوب سوداء مجهرية، وعقد من الأوتار، وسفاليرونات كهروضعيفة.

في مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات، ومن الوميض تولد عشرات الجسيمات. من بينها قد تكون آثار عمليات نادرة — مثل اضمحلال بوزون هيغز إلى بوزونين W. لكن هذه الجسيمات تتطاير بسرعة كبيرة لدرجة أن آثارها تندمج في نفاثة واحدة عريضة.

الأشعة الكونية هي جسيمات تصل إلينا من الفضاء السحيق. عندما يصطدم أحد هذه الجسيمات بالغلاف الجوي، يولد زخة كاملة من جسيمات جديدة — تماماً مثل كرة البلياردو التي تحطم مثلث الكرات فتتناثر الكرات في كل اتجاه. للتنبؤ بشكل هذه الزخة، نحتاج إلى معرفة كيفية تفاعل الجسيم الأساسي مع أنوية ذرات الهواء.

ميزان بكفتين متساويتين، لكن إحدى الكفتين ترجح دائمًا. في عالم الجسيمات الأولية، يُسمى هذا الرجحان بانتهاك تناظر الشحنة-التكافؤ (CP): فالجسيمات ونظيراتها المرآتية (الجسيمات المضادة) تتصرف بشكل مختلف قليلًا. هذا الاختلال، كما يعتقد الفيزيائيون، هو ما سمح للمادة بالبقاء بعد الانفجار العظيم، حين كان ينبغي للمادة والمادة المضادة أن تفني كل منهما الأخرى.

عند تصادم النوى الثقيلة في المسرعات، تولد العديد من الجسيمات، ويريد الفيزيائيون فهم كيفية تحرك الشحنة الكهربائية في هذه الفوضى. قطاران يصطدمان ببعضهما: الركاب (الكواركات) يتناثرون، لكن أمتعتهم (الشحنة) قد تكون بعيدة عن موقع الحادث. لقياس مدى انتقال الشحنة، يقترح المؤلفون مقارنة تصادمات نوى الروثينيوم (Ru) والزركونيوم (Zr).

طريق دائري حول الشمس، لا تسير عليه السيارات بل كتل من المادة. قطر هذا الطريق سنوات ضوئية: إنه يحيط بنظامنا الكوكبي عند حدوده الخارجية، في سحابة أورت، حيث لا يزال جاذبية النجم محسوسًا بشكل ضعيف. هذا هو حجم الجهاز الذي تقترح مجموعة من الفيزيائيين بنائه لدراسة بوزون هيغز والبحث عن جسيمات جديدة.

في المطبخ، يمر شعاعا مصباحين يدويين عبر بعضهما البعض دون أن يلاحظ أحدهما الآخر. الضوء لا يكاد يتفاعل مع الضوء. ولكن إذا تم تسريع الجسيمات إلى طاقات هائلة، يمكن لفوتونين أن يصطدما ويولدا شيئاً جديداً.

في مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم البروتونات بسرعة تقارب سرعة الضوء. أحيانًا لا تتحطم، بل تتبادل فوتونات — جسيمات الضوء. هذه الفوتونات يمكن أن تولد زوجًا: جسيمًا يراه الكاشف، وآخر يطير دون أن يُلاحظ. هذه العملية تشبه لعبة البلياردو، حيث بعد الضربة تبقى كرة على الطاولة وتختفي الأخرى في الجيب دون أن تترك أثرًا.

عندما يتحلل بوزون W (الجسيم الناقل للتفاعل الضعيف) إلى كوارك وكوارك مضاد، فإن هذين الشظيتين تطيران في نفس الاتجاه تقريبًا بسبب السرعة الهائلة للمصادم. لا يرى الكاشف جسيمين منفصلين، بل نفاثة واحدة عريضة — كما لو أن عدّاءَين عند خط النهاية يندمجان في بقعة واحدة في الصورة الفوتوغرافية. داخل هذه النفاثة تكمن معلومات عن كتلة بوزون W الأصلي.

في كاشف أطلس (ATLAS) في مصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات بطاقة هائلة، وفي بعض الأحيان يولد بين الحطام بوزون هيغز — الجسيم الذي يمنح الكتلة للجسيمات الأخرى.

في حلقة تحت الأرض يبلغ طولها 27 كيلومترًا، تُسرَّع البروتونات إلى سرعة تقارب سرعة الضوء وتُصطدم وجهاً لوجه. عند نقطة الاصطدام، تنشأ لحظيًا ظروف مشابهة لتلك التي كانت سائدة في أول تريليون جزء من الثانية بعد نشأة الكون. كاشف CMS — آلة متعددة الطوابق مصنوعة من السيليكون والرصاص والمغناطيسات فائقة التوصيل — يلتقط حطام هذه الاصطدامات.

في عام 2017، اصطدمت البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير بطاقة 5.02 تيرا إلكترون فولت. سجل كاشف CMS هذه التصادمات، وبين مليارات الأحداث، بحث الفيزيائيون عن حالة نادرة: نشوء كوارك قمي واحد فقط دون جسيمه المضاد. عادةً، تظهر الكواركات القمية في أزواج — كوارك وكوارك مضاد معًا، مثل وجهي عملة واحدة.

في أعماق مصادم الهادرونات الكبير، تصطدم نوى الرصاص بقوة هائلة لدرجة أنها تولد للحظة مادة أسخن من الشمس. هذه هي بلازما الكوارك-غلوون (Quark-Gluon Plasma) — حساء من أصغر لبنات المادة، والتي لم توجد إلا في أول ميكروثانية بعد الانفجار العظيم.

في مصادم الهادرونات الكبير، تُصطدم البروتونات بنوى الرصاص. لحظة الاصطدام تولد مئات الجسيمات الجديدة، وبعضها يخرج في حزم ضيقة — نفاثات. داخل هذه النفاثة، كما في تيار كثيف، يمكن للبروتونات والنيوترونات أن تلتصق معًا لتكوين نوى أكبر، مثل الديوترون — نواة الهيدروجين الثقيل.

في اللحظات الأولى بعد تصادم نواتي رصاص في مصادم الهادرونات الكبير، تنشأ كرة نارية صغيرة للغاية — حساء كواركات، حيث تتحرك الجسيمات بحرية. إذا نشأ مجال مغناطيسي قوي جدًا في تلك اللحظة، فقد يفصل الشحنات الموجبة والسالبة، كما يفصل المشط خصلات الشعر.

في مصادم الهادرونات الكبير، لا تُصطدم البروتونات فحسب، بل أيضًا نوى الذرات كاملة. عند اصطدام نواتين بسرعة هائلة، ينشأ حجم ضئيل من مادة فائقة الحرارة — ساخنة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات فيها تذوب وتتحول إلى «حساء» من الكواركات والغلوونات. وعبر هذا الحساء، كما لو كان وسطًا كثيفًا، تشق الجسيمات السريعة طريقها.

عندما يصطدم بروتونان بسرعة هائلة، ينطلق من نقطة الاصطدام شعاع ضيق من الجسيمات — نفاث يشبه رذاذ الماء المتطاير عند رمي حجر في الماء. في اصطدامات نوى الرصاص الثقيلة، يكون الأمر أكثر تعقيدًا: تنشأ في الداخل سحابة حارة تعيق النفاث عن الطيران مستقيمًا. أظهر القياس أنه إذا كان النفاث ضعيفًا، فإن مساره لا يتغير تقريبًا.

في كاشف أطلس (ATLAS) بمصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات مليارات المرات في الثانية. ومن بين هذا التدفق، التقط الفيزيائيون ثمانية أحداث نشأت فيها بعد الاصطدام بوزونات Z اثنان وفوتون واحد.

في مسرع جسيمات ضخم، حيث تصطدم البروتونات بسرعة قريبة من سرعة الضوء بهدف من النيون، تولد الباريونات المفتونة — جسيمات تعيش أقل من جزء من مليار من الثانية. تمكن علماء تعاون LHCb لأول مرة من قياس كيفية «دوران» هذه الجسيمات — بتعبير أدق، اتجاه سبينها — واكتشفوا فرقًا غير متوقع بين الجسيمات ونظيراتها المرآتية.

عندما يصطدم بروتون بنواة رصاص في مصادم الهادرونات الكبير، يتولد سرب من الجسيمات. تتناثر هذه الجسيمات في جميع الاتجاهات، ولكن ليس بشكل عشوائي تمامًا: فحركتها تشبه تموجات الماء الناتجة عن إلقاء حجر. يطلق الفيزيائيون على هذا التشتت المنتظم اسم «التدفق».

المادة المظلمة غير مرئية، لكن يمكن الإمساك بها من خلال ارتدادها. الهيدروجين المدمج في غشاء كربوني يعمل مثل كرة بلياردو: عندما يصطدم به جسيم من المادة المظلمة، ينطلق البروتون إلى الخارج. هذا الانطلاق هو الإشارة المنشودة. يقترح أصحاب الفكرة تغطية الكاشف بالكربون المهدرج — وهي مادة يُتقن تصنيعها على شكل طبقات رقيقة.

الكوارك القمي (كوارك علوي) هو الأكثر كتلة بين الجسيمات الأساسية المعروفة، لبنات المادة. ومع ذلك، تتنبأ النماذج النظرية بوجود توأم خفي له — كوارك T (كوارك)، قد يكون أثقل بعدة مرات. لإجباره على الظهور، يستخدم الفيزيائيون أداة غير عادية: اصطدامات البروتونات بالميونات — وهي جسيمات غير مستقرة وأثقل من الإلكترون.

في مصادم الهادرونات الكبير، يقوم الفيزيائيون بتسريع البروتونات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء ثم يصادمونها. عادةً، تشارك البروتونات نفسها في هذه التصادمات، لكن في بعض الأحيان تمر بالقرب من بعضها دون أن تلامس، وتتفاعل مجالاتها الكهربائية. يمكن تصور هذه المجالات كسحب من الفوتونات — جسيمات الضوء — التي تحيط بكل بروتون.