محاكاة الإنفجار الكوني

الانفجار الكوني العظيم
تخليق الجسيمات الكونية في مختبر

LHC

إيضاحات حول المصادم الهادروني الكبير

الأستاذ الدكتور محمد باسل الطائي
أستاذ الفيزياء الكونية بجامعة اليرموك

بدأت صباح الأربعاء

10 أيلول/ سبتمبر أضخم تجربة فيزيائية في التاريخ يتم خلالها صدم حزمتي بروتونات فائقة السرعة ببعضها لغرض الكشف عن كيفية تحول الطاقة إلى كتلة وإكتشاف الآلية التي يتم بها اكتساب الأجسام لكتلها. في هذا المقال المختصر سوف أشرح باسلوب مبسط أوليات هذا العمل وغاياته.

البداية

تساءل الإنسان منذ القدم عن سر خلق هذا الكون العظيم

. وقد تيسرت المعرفة للإنسان عبر آلاف السنين من الجهد والتأمل في رحاب هذا الكون ومنذ أربعمائة سنة بالتقريب بدأ الإنسان يضع أقدامه على الطريق الصحيح لإستكشاف العالم.

مع بداية القرن العشرين وفرت نظرية الكم الأرضية العلمية اللازمة لفهم المادة والطاقة كما وفرت نظرية النسبية التي طرحها ألبرت أينشتاين الأرضية العلمية اللازمة لفهم الزمان والمكان

.

وفي نهاية الأربعينيات من القرن الماضي إقترح جورج جامو ما سمي بعد ذلك نظرية الانفجار لتفسير وجود العناصر الكيميائية في الكون بالنسب التي هي عليها

. Big Bang Theory العظيم Elementary هذه النظرية و ّ ظفت نظريتي الكم والنسبية فض ً لا عن نظرية الجسيمات الأولية والمعلومات المتوفرة عنها في تقديم سيناريو شامل لنشأة المادة في الكون. وقد نجحت Particles
2

نظرية جامو في تفسير وجود عنصري الهيدروجين والهليوم بالنسبة التي هي عليها في الكون

. وكانت نظرية جامو قد تنبأت بوجود خلفية كونية حرارية على شكل أمواج مايكروية. وبسبب توسع الكون هبطت درجة حرارته الآن إلى ما يقرب من 3 درجات كلفن أي ما يقرب من 270درجة تحت الصفر.

تقترح نظرية جامو أن الكون كان في زمن سحيق مؤلفا من جسيمات أولية تتحرك بسرع هائلة تقرب من سرعة الضوء

. هذه الجسيمات تصادمت مع بعضها البعض وخلال توسع الكون هبطت درجة حرارته واتسقت البروتونات والنيوترونات لتكوين نوى الهليوم المؤلفة من بروتونين ونيوترونين. ومع هبوط الحرارة أكثر ارتبطت الألكترونات مع البروتونات لتؤلف ذرات الهيدروجين الأولى وارتبطت مع نوى الهليوم لتؤلف ذرات الهليوم الأولى. خلال عملية الارتباط هذه إنطلقت طاقة من الذرات شكلت الخلفية الكونية المايكروية.

في العام

1965 تم اكتشاف الخلفية الكونية الحرارية التي تنبأت بها نظرية جامو عمليًا مما أعطى تلك النظرية زخمًا علميًا كبيرًا. وبذات الوقت أعطى نظرية الجسيمات الأولية زخمًا جديدًا تمثل بمزيد من الاهتمام بهذه النظرية خاصة وقد صار المجال مفتوحًا الآن للتفكير بجدية بالوسط المادي الذي كان عليه الكون في مراحله الأولى.

لكن نظرية جامو تبدأ مع الزمن الذي كانت عنده درجة حرارة الكون بحدود

1012 كلفن ونحن نعلم أن البداية الحقيقية للكون كانت مع درجات حرارة أعلى كثيرا من هذه الدرجة. لذلك لا تقدم نظرية جامو إلا بداية مبكرة للكون لكنها ليست مبكرة بما فيه الكفاية. من جانب آخر كانت نظرية الجسيمات الأولية قد تبلورت في الستينيات من القرن الماضي إلى ما
والذي بموجبه تم تقسيم الجسيمات الأولية إلى عوائل Standard Model يسمى النموذج القياسي تمثل علائقها مع بعضها صورة يمكن توظيفها بكفاءة عالية لغرض تفسير التفاعلات الجسيمية وتوليد الجسيمات. وبالطبع فإن مختبرات التجريب لهذ الجسيمات هي المعجلات النووية. ومن المعروف أن الكشف عن تفاعل الجسيمات الأولية يتم أساسًا بصدمها ببعضها البعض. ويشابه هذا العمل ما يمكن أن نقوم به عندما نعثر على صندوق مغلق أصم لا نعرف كيف نفتحه ولا نعرف

Particle Collisions

ما بداخله فنقوم بضربه لتكسيره. وتعرف هذه التجارب بإسم صدم الجسيمات وقد انتجت الكثير من التجارب التي أجريت على صدم ألكترون مع ألكترون آخر وألكترون مع

3

فوتون وتصادم البروتونات مع بعضها وتصادم الميزونات والجسيمات تحت النووية الأخرى نتائج كبيرة أكدت معضمها صحة النوذج القياسي للجسيمات الأولية

. لكن تبقى على الدوام هنالك ثغرات تحتاج إلى مزيد من الاستكشاف.

ومن المعروف أن تصادم الجسيمات عند الطاقات العالية جدًا يمكن أن يثمر عن نتائج مهمة لمعرفة نشوء المزيد من الجسيمات الجديدة وتتم هذه العملية بتحول الطاقة إلى كتلة

. وبالتالي يمكن القول أن تحقيق طاقات عالية في تصادمات الجسيمات يمكن أن يعرفنا على الجسيمات الأولى التي نشأت في الكون. وهنا بالضبط تأتي أهمية إجراء تجربة مختبرات (سيرن) لصدم البروتونات مع بعضها البعض. ولكن لماذا البروتونات بالذات؟ هنالك ثلاثة أسباب لهذا الاختيار: الأول: أن البروتونات هي أكثر الجسيمات توفرًا في الكون فهي نوى ذرات الهيدروجين الخفيف. والثاني: أن البروتونات هي أثقل الجسيمات المشحونة المستقرة. والثالث: أن شحنة البروتونات تمكننا من تسريعها بالمجالات الكهربائية وتوجيهها بالإتجاه المطلوب بدقة عالية باستخدام المجالات المغناطيسية بقيم مناسبة. وهكذا يمكن بناء مسرع كبير لتسريع البروتونات وجعلها ترتطم ببعضها ارتطاما مباشرًا بطاقة حركية عالية حيث يمكن أن تصل سرعتها إلى ما يقرب من سرعة الضوء.

المصادم الهادروني الكبير

ولهذا الغرض تم بناء المسارع الهادروني الكبير في مختبرات سيرن الأوربية للجسيمات حيث اشتركت دول أوربية عديدة بما فيها بريطانيا في هذا المشروع الهائل الذي بلغت كلفته حتى الآن بحدود

10 مليار دولار. شارك في تخطيطه وتصميمه وصناعة أجزائه وتركيبها ما يزيد على 10000 شخص عملوا خلال العقدين الماضيين في بناء هذا المشروع العظيم. ويتألف المشروع من نفق دائري قطره أقل من 4 أمتار وطوله 27 كيلومتر على عمق حوالي 100 متر تحت الأرض مفرغ تمامًا من الهواء لتسهل فيه حركة الجسيمات. ويشتمل النفق على معدات التسارع وعلى حجرة Superconducting الكهربائية ومغانيط التوجيه التي تعمل بأسلاك فائقة الموصلية التصادم والكواشف الجسيمية الضخمة المتعددة الأنواع. ولهذا الغرض تم شحن 96 طن من الهليوم السائل يلزم لتبريد المغانيط. ويضمن العمق الذي حفر عنده النفق أعلى استقرارية فض ً لا عن الحجب اللازم لوقاية التجربة من أية تداخلات بيئية محتملة بما في ذلك الأشعة الكونية وما

4

يتولد عنها في طبقات الجوي المحيط بالأرض

. وسيتم تسريع حزمتين من البروتونات بإتجاهين 7 لكل حزمة. وعند هذه الطاقة يكتسب كل بروتون في TeV متعاكسين بطاقة حركية قدرها الحزمة سرعة قدرها 0.99996 من سرعة الضوء. حتى إذا ما وصلت هذه الحزم غايتها تم 14 . عند هذه الطاقة تكون درجة الحرارة في نقاط من TeV صدمها ببعضها عند طاقة كلية قدرها الفضاء بحدود 1017 كالفن. وهذه الدرجة الحرارية تفوق الحد الذي بدأ عنده جامو في سيناريو الانفجار العظيم. وهذا ما يجعل القول بأن تجربة (سيرن) تحاول إعادة محاكاة تجربة الانفجار
الكوني العظيم صحيحًا. سؤال مهم تطرحه نظرية الجسيمات الأولية والألكتروداينيمك الكمومي هو: ما هو الفرق بين
الجسيمات ذوات الكتلة كالألكترون والبروتون والجسيمات عديمة الكتلة كالفوتون؟ الإجابة على هذا السؤال يمكن أن تدلنا على الطريقة التي تم من خلالها تكوين الجسيمات الأولى ذوات الكتل. والسؤال الكبير الآخر هو: ما الفرق بين الجسيمات ذوات البرم والجسيمات عديمة البرم؟ والإجابة على هذا السؤال يمكن أن تدلنا على الطريقة التي تولد فيها البرم الذي تتمتع به بعض الجسيمات ومنها الجسيمات الأساسية لتكوين المادة. ويتوقع الفيزيائيون أن تجيب تجربة تصادم البروتونات
في (سيرن) على هذين السؤالين. وذلك أن تصادم البروتونات عند طاقات عالية يمكن أن يتولد وهي جسيمات افتراضها بيتر هيكز أستاذ الفيزياء المتمرس Higgs Particles عنه جسيمات هيكز حاليًا في جامعة أدنبرة وذلك عام 1964 عندما حاول الإجابة على السؤال الكبير كيف تولدت
الجسيمات الكتلوية التي نعرفها. وجسيمات هيكز هذه قصيرة العمر لا تلبث أن تتولد حتى تتحلل ومن خلال معرفة طاقات واتجاهات μ − measons خلال زمن قصير جدًا إلى ميزونات ميو انطلاق هذه الميزونات يمكننا معرفة تقدير وجود جسيمات هيكز.

117

أي أكبر من البروتون بحدود 117 GeV / c تبلغ الكتلة التقديرية لجسيمات هيكز بحدود 2مرة. ويتوقع أن ُتم ّ كن طاقات البروتونات المتصادمة من توليد هذه الجسيمات في المصادم الهايدروني الكبير.

5

مالذي سيترتب على نتائج التصادم الهادروني؟

قيل الكثير عن ما يمكن أن يحصل نتيجة إجراء التجربة الكبرى في سيرن وكل هذه الضجة الاعلامية التي ثارت جاءت بسب تهويل ما يمكن أن يحصل في التجربة وقد تحدث بعض خلال التصادم

Black Holes الفيزيائيين ولأسباب إعلامية فيما يبدو عن إحتمال تولد ثقوب سود مما دفع بعض الناس من غير الخبراء إلى تهويل الأمر والقول أن تجربة سيرن ربما تؤدي إلى نهاية العالم. وقد قام البعض في الولايات المتحدة الأمريكية بترويج قضية جزائية في المحاكم تستهدف إيقاف التجربة! كما استلم بعض العلماء العاملين على البرنامج رسائل تهديد بالبريد
الألكتروني بغية منعهم من الاستمرار في العمل لكن ذلك كله سيذهب أدراج الرياح.

6

ربما سيظهر في التجربة وجود جسيمات هيكز وبالتالي تتأكد نظرية الجسيمات الأولية الحالية

Higgs Field وتتأكد ربما آلية توليد الكتلة للجسيمات المختلفة عبر تفاعلها مع مجال هيكزالافتراضي. وربما لن يظهر أثر أكيد لجسيمات هيكز. لكن الفيزيائي الشهير ستيفن هوكنج كان قد صرح مؤخرًا بشيء من الثقة أن تجربة (سيرن) لن توّلد لنا جسيمات هيكز، ببساطة لأنه يعتقد
أنها غير موجودة أص ً لا. ويعود ذلك إلى عدم قناعة هوكنج بالنموذج القياسي أساسًا لذلك فقد صرح بأنه يفضل أن تفضي التجربة إلى عدم وجود جسميات هيكز ربما لأنه يتمنى أن يدفع ذلك فيزيائيي الجسيمات الأولية إلى البحث بعقلية جديدة. إذ مما لا شك فيه أن القناعات القائمة على النموذج القياسي قد غلقت عقول البعض على نمط تفكير معين لا يتحولون عنه إلا بمثل هذه التجربة العظمى. وبالتالي ربما ستكون النتيجة السلبية لتجربة التصادم الهادروني هذه مُرة لكنها بالتأكيد ستفضي إلى نتائج لاحقة مهمة في تحويل مسار البحث العلمي في الجسيمات الأولية. شخصيًا أعتقد أن هنالك احتمالات قوية لحصول ظواهر جديدة تفتح للفيزيائيين أفاقًا جديدة نحو
إعادة النظر بالنموذج القياسي. وربما يكون من هذه الظواهر تولد تكثيف للطاقة في مساحة ضيقة وهو عندي السبب الأرجح لتولد الكتلة (أنظر بحثنا Bose Condensate يولد ما نسميه تكثف بوز المنشور بهذا الصدد عام 2000 مع الفارق في أن تجربة سيرن تحدث عند طاقات أقل كثيرا مما من جانب آخر فإن .(http://www.iop.org/EJ/abstract/0305-4470/33/40/ يعنيها البحث 306

قول هوكنج أن تجربة

(سيرن) ستعطيه جائزة نوبل التي صار ينتظرها الآن أكثر من ثلاثين سنة ربما ينطلق من أرضية توقعه أن تولد الطاقات العالية هذه أثناء التصادم ثقوبًا سودّا صغيرة وهذه الثقوب السود سوف تولد جسيمات عديمة البرم تظهر كإشعاعات صادرة عن الثقب الأسود بسبب تبخرها سريعًا وقد يمكن كشف مثل هذه الجسيمات ربما خلال تحليل نتائج التجربة. لكنني لا أعلم إن كانت الكواشف في المصادم الهايدروني تمتلك الحساسية اللازمة لكشف إشعاعات هوكنج هذه فض ً لا عن أن البحث عن إشعاعات هوكنج قد أضنى الفيزيائيين الفلكيين اليوم. وربما يكون
صحيحًا أيضًا أن تلك إشعاعات هوكنج لا يمكن كشفها أبدًا لأن الثقوب السود تمتصها حال تولدها .Hadronic Journal كما أشرنا إلى ذلك في بحث تم نشره مؤخرًا في سيتم التصادم الكبير في 10 تشرين الأول/ أكتوبر القادم وستأخذ التحليلات اللازمة لفحص النتائج وقتها وبعدئذ سنرى ما إذا كانت آلية هيجز ستعم