مصادم الهادرونات الكبير

في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) تُصطدم البروتونات، وأحياناً بين الحطام يظهر جسيم ثقيل — بارون لامدا. هذا بارون، أي جسيم يتكون من ثلاثة كواركات، مثل البروتون أو النيوترون، لكنه يحتوي على كوارك غريب أثقل. يعيش بارون لامدا لجزء ضئيل من الثانية ثم يضمحل إلى جسيمات أخرى.

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.

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.

بروتون أو نواة ذرية، مسرّع إلى سرعة هائلة، يصطدم بالغلاف الجوي للأرض — فيتولد شلال من مليارات الجسيمات الثانوية. هذا الزخة الجوية الواسعة تندفع نحو السطح، بينما تلتقط التلسكوبات الحساسة توهجها الخافت — إشعاع فلوري ينشأ عند إثارة جزيئات الهواء. من شكل التوهج، يحدد الفيزيائيون مدى عمق اختراق الزخة للغلاف الجوي ومما تتكون. لكن هناك دقة.

في اصطدامات البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير، لا يُنتَج أحيانًا بوزون هيغز واحد، بل اثنان في وقت واحد. تواتر مثل هذه الأحداث هو بصمة مباشرة لكيفية تفاعل حقل هيغز مع نفسه: معامل التفاعل الذاتي κλ يحدد احتمال الظهور المتزامن لزوج من بوزونات هيغز.

المتسابق الكوني SS 433 ينطلق عبر المجرة، قاذفًا نفاثتين ضيقتين من الغاز شديد الحرارة بسرعة ربع سرعة الضوء. هذا هو ميكروكويزار — نظام ثنائي حيث يسحب الثقب الأسود المادة من نجم عادي، وينطلق جزء منها بعيدًا على شكل نفاثات.

المتسابق الكوني SS 433 ينطلق عبر المجرة، قاذفًا نفاثتين ضيقتين من الغاز شديد الحرارة بسرعة ربع سرعة الضوء. هذا هو ميكروكويزار — نظام ثنائي حيث يسحب الثقب الأسود المادة من نجم عادي، وينطلق جزء منها بعيدًا على شكل نفاثات.

يشبه بوزون هيغز شوكة رنانة تصدر نغمة محددة بدقة. لكن الفيزيائيين تعلموا سماعه حتى عندما تنحرف النغمة — في المنطقة التي تسمى «خارج الرنين». وهناك بالضبط، في بيانات كاشف CMS، كانت الإجابات عن أسئلة حول ما يتكون منه آلية هيغز مختبئة.

البروتون ليس كرة مصمتة. إنه سحابة هائجة من الكواركات والغلوونات التي تولد وتفنى باستمرار. لوصف هذه الصورة تساعد دوال توزيع البارتونات (parton distribution functions) - فهي تبين احتمال وجود كوارك أو غلوون داخل البروتون بطاقة معينة. في السابق، كانت هذه الدوال تُحدد بشكل منفصل عن الأعداد المهمة الأخرى - مثل قوة ترابط الكواركات أو كتلة أثقل جسيم أولي، وهو الكوارك القمي.

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 ATLAS، كما لو كان داخل ترمس عملاق، يتموج الأرجون السائل — سائل شفاف عند درجة حرارة ناقص 184 درجة مئوية. عندما يمر جسيم عبره، تنشأ إشارة كهربائية ضعيفة تشبه دفقة هادئة. لسماعها يساعد رقاقة ALFE2 الجديدة — وهي دائرة كهربائية دقيقة بأربع قنوات تضخيم. كل قناة تعمل كمضخم صوتي بمقبضي تحكم في مستوى الصوت، لتغطية الهمس والصراخ معًا.

في أعماق النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة بشدة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات المألوفة تفسح المجال للاعبين جدد. هناك تولد الهايبرونات (hyperons) — وهي جسيمات يعيش داخلها كوارك غريب. السؤال عن مقدار الطاقة اللازمة لإخراج مثل هذا الهايبرون من الوسط النووي ليس سؤالاً عابراً: فالإجابة عليه تحدد ما إذا كان النجم سيصمد أم ينهار ليتحول إلى ثقب أسود.

لطالما بحث علماء الفلك عن 'مصانع' لأكثر الأشعة الكونية طاقة - جسيمات تحمل في طياتها عالما كبيرا مضغوطا إلى حجم نواة الذرة. كانت الشبهات تدور حول مناطق تشكل النجوم الضخمة مثل الدجاجة OB2، حيث تتصادم رياح العمالقة الشباب. لكن الطبيعة، كمحتال، أخفت قلب المسرع في مكان آخر - داخل نظام ثنائي ضيق.

في المسرعات، عند تصادم النوى الثقيلة، ينشئ الفيزيائيون لفترة وجيزة بلازما كوارك-غلوون (quark-gluon plasma) — وهي حالة من المادة تكون فيها الكواركات والغلوونات غير محبوسة داخل الجسيمات، بل حرة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها غاز، لكن التجارب أظهرت أنها سائل شبه مثالي. تتحرك جسيماتها بشكل منسق، مثل الجزيئات في العسل.

بدأت القصة قبل قرن تقريباً، عندما أظهر إدوين هابل أن المجرات تتباعد، ثم أدرك فريتز زويكي وفيرا روبين لاحقاً: لتفسير حركاتها، لا بد من وجود كتلة غير مرئية — المادة المظلمة.

نوى الذرات ليست دائمًا ككرات البلياردو — فهذا التشبيه نستخدمه فقط للتبسيط. في الواقع، بعض النوى ممدودة كالسجائر، وبعضها الآخر مفلطحة كالأقراص. أما نواة الزينون-129 فشكلها يشبه حبة البطاطا — فهي مجسّم إهليلجي ثلاثي المحاور (triaxial ellipsoid)، أي شكل تختلف أطوال محاوره الثلاثة.

في ظهيرة قائظة، يخيّم الخمول على المدينة، ولا تلوح في الأفق أي غيمة. عادةً في مثل هذا الطقس، لا يبقى سوى الانتظار حتى ترحم الطبيعة وترسل البرودة. ماذا لو أمكن تشغيل الظل والمطر وفق جدول زمني، مثلما نشغّل الضوء في الغرفة؟ تقترح مجموعة من الباحثين أداة غير معتادة لمثل هذا «الزر الجوي» — مسرّع بروتونات محمولًا جوًا.

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.

يسقط حجر في بركة ماء، فتنتشر دوائر على سطحها. هكذا ينتشر الضوء القادم من المجرات البعيدة في كل الاتجاهات — بهدوء وانتظام. لكن في مركز بعض المجرات لا يختبئ حجر، بل مدفع حقيقي: يطلق جسيمات بقوة هائلة. يطلق علماء الفلك على هذه الأجسام اسم HSP BL Lac. وهي نوى مجرّات نشطة، حيث يقوم الثقب الأسود فائق الضخامة بلفّ المادة في قرص ويقذف نفاثات ضيقة من البلازما موجهة نحونا تقريبًا.

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.

قطرة من القشدة الدهنية في كوب حليب. إذا قمت برجّه، لن يتوزع الدهن بالتساوي — بل سيتجمع في كتل أكثر كثافة تتحرك بشكل مختلف عن باقي السائل. هذا تقريبًا ما تفعله الكواركات داخل الميزونات — وهي جسيمات صغيرة تعيش لأجزاء من الثانية لا تُذكر. يتكون الميزون من كوارك وكوارك مضاد، ونادرًا ما يكونان متساويين في الأهمية.

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.

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.

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 كاشف LHCb، حيث تتصادم البروتونات، تم العثور على أثر غير عادي وسط مليارات الاضمحلالات. الجسيم الذي أُطلق عليه اسم $$D_{s1}$$(2933)^+ يظهر للحظة ثم يتفكك فورًا إلى جسيمات أخرى. حياته قصيرة جدًا لدرجة أنه لا يمكن رؤيته مباشرة — فقط من خلال نواتج الاضمحلال يمكن استنتاج أنه كان موجودًا.

حفنة من العملات المعدنية تتسارع إلى خمس سرعة الضوء. هكذا ستكون مسابير كوراكل (Coracle) بين النجوم — أجهزة صغيرة تزن بضعة غرامات، كل منها مزود بغشاء شراعي رقيق للغاية. يدفعها شعاع ليزر قوي: الضوء يضغط على الشراع كما تدفع الريح أشرعة اليخت، لكن بدل الهواء، هناك تيار من الفوتونات.

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.

قطرات الزيت في المرق المغلي عادةً ما تتباعد، ولكن إذا اصطدمت ببطء شديد، فقد تلتصق ببعضها للحظة. شيء مشابه يحدث مع كواركات القمة - أثقل اللبنات المعروفة للمادة. في بيانات الجولة الثانية من تشغيل مصادم الهادرونات الكبير (2015-2018)، سجل كاشف ATLAS فائضًا واضحًا في أزواج كوارك القمة-كوارك مضاد القمة التي تولد تقريبًا بدون حركة نسبية بينها.

في المسرّع الضخم، تصطدم الجسيمات ببعضها البعض، وأحيانًا لا يتبقى بعد الاصطدام سوى فوتونين — جسيمَي الضوء. يعرف الفيزيائيون كيفية التنبؤ بعدد مرات حدوث ذلك، لكن حساباتهم ظلت لفترة طويلة لا تتوافق مع ما تراه الكواشف. كل تحسين في النظرية كان يغيّر الإجابة، ولم يكن هناك اتفاق. قام مؤلفو العمل الجديد بخطوة إضافية في الدقة — أضافوا إلى الحساب المستوى التالي من التصحيحات.

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 تصادمات النوى الثقيلة في المصادمات، تولد بلازما كوارك-غلوون — حالة من المادة تكون فيها الكواركات والغلوونات حرة، مثل الماء في البخار. الكواركات الثقيلة، مثل كواركات b، عندما تدخل هذه البلازما تفقد طاقتها، وتتحطم حالاتها المقيدة — البوتومونيوم. من خلال مدى ندرة تولدها مقارنة بالتوقع بدون البلازما، يمكن الحكم على خصائص الوسط.

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.

اصطدام نواتي رصاص في مصادم الهادرونات الكبير يشبه رمي كيسين ثقيلين مملوءين بالكرات على بعضهما البعض. عادةً، تتناثر الكرات في كل اتجاه، لكن في بعض الأحيان يمر أحد الكيسين قريبًا جدًا بحيث لا تتصادم الكرات، بل تتبادل النظرات فقط.

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 اصطدامات البروتونات داخل مصادم الهادرونات الكبير، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من رصد جسيم يحمل كوَاركين ساحرَين. يُدعى هذا الجسيم Ξcc+ (يُنطق «كسي-سي-سي-زائد») ويشبه خرزة تحتوي على نواتين ثقيلتين بدلًا من واحدة. هذه الجسيمات نادرة للغاية: من بين مليارات الاصطدامات، لا يُنتج سوى عدد قليل منها مثل هذه الحالة الغريبة.

جسيمان يبتعدان في اتجاهين متعاكسين يتصرفان ككيان واحد: قياس أحدهما يحدد حالة الآخر فورًا. هذا التشابك الكمومي معروف منذ زمن طويل للجسيمات الخفيفة، لكنه الآن رُصد لأول مرة في بوزونات Z الثقيلة — حاملات القوة الضعيفة.

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.