مُصادم الهادرونات الكبير LHC.. التجربة العلمية الأضخم في تاريخ البشرية
“في الخامس من إبريل عاد الـ “Large Hadron Collider” للعمل بعد سنتين من التوقف”، خبر تداولته الكثير من وكالات الأنباء العالمية الأيام السابقة. ولم يُدرك أهميته سوى القلة القليلة ذوي الاهتمامات العلمية والفيزيائية. وأغلبهم للأسف خارج منطقتنا العربية.
فما هو الـ “Large Hadron Collider”؟
مُصادم الهادرونات الكبير أو “Large Hadron Collider” ويرمز له بالرمز “LHC” هو أضخم وأكبر بناء لأغراض علمية بناه الإنسان، وربما أكثرهم تكلفة على سطح الأرض، أو بشكل أكثر دقة في جوف الأرض. وانتهت وكالة الأبحاث النووية الأوروبية “CERN” من بنائه عام 2008 بالتعاون مع أكثر من 10 آلاف عالم ومهندس من أكثر من مئة دولة. وتم تشغيله لأول مرة في سبتمبر 2008. وعملية البناء التي استغرقت عقد من الزمان تكلفت حوالي 4.75 مليار دولار، وتبلغ تكلفة تشغيله مليار دولار سنويا. وتمول المشروع الكثير من الجهات، أولهم بالطبع الدول الأعضاء في “CERN” بنسبة 20%، وباقي التمويل يأتي من ألمانيا والمملكة المتحدة وإيطاليا وفرنسا والولايات المتحدة والهند وروسيا، كما تشارك المئات من الجامعات والمعاهد البحثية والمعامل في التمويل وإجراء التجارب المشتركة.
مما يتكون، وكيف يعمل المُصادم “LHC”؟
(مقطع عرضي للمُصادم)
يمتد المُصادِم في نفق دائري بطول 27 كيلومتر وبعرض 3.8 متر وبعمق يتراوح بين 50 و 175 متر تحت الحدود الفرنسية السويسرية، وهو نفق قديم كان يحتوي على مُصادِم آخر يسمى”LEP” تم إيقافه عن العمل عام 2000. ويتكون المُصادِم “LHC” من أنوببين متوازيين يتقاطعان في أربعة نقاط، محاطين بغلاف مفرغ تماما من الهواء “ultrahigh vacuum” حتى لا تصطدم البروتونات بجزيئات الهواء أثناء تسريعها. ويحيط بهم بطول مسارهم أكثر من 1600 مغناطيس كهربي شديد القوة ثنائي أو رباعي الأقطاب، مُصّنع من ملفات من سبيكة النيوبيوم-تيتانيوم فائقة التوصيل “Superconducting” تنعدم فيها مقاومة سريان التيار الكهربي عند درجات الحرارة المنخفضة، ولكي يعمل المغناطيس يجب أن تكون الملفات في درجة حرارة -271.3 مئوية (1.7 كلفن)، وتُبرد لتلك الدرجة باستخدام دائرة تبريد مكونة من 96 طن الهيليم المسال “superfluid helium 4”.
ولفهم كيفية عمل المُصادِم يجب أن نعرف ماهية الهادرونات أولا. والهادرونات “Hadron” هي جزيئات أولية مكونة للمادة تتكون من ارتباط الكواركات بالطاقة النووية الكبرى. كلام معقد لكن خلاصته أن الهادرونات التي نعرفها هي البريونات كالبروتونات التي تحمل شحنة نواة الذرة الموجبة، وأيضا النيوترونات متعادلة الشحنة والموجودة بنواة الذرة، ومن الهادرونات جسيمات آخرى تسمى الميزوانت ولها أكثر من نوع. ويعمل ال المُصادِم “LHC” على البروتونات غالبا، وأحيانا الأيونات الثقيلة لمدة شهر واحد في العام.
يستخدم المُصادِم “LHC” المجالات المغناطيسية لـ 1232 مغناطيس ثنائي القطب لزيادة طاقة وسرعة دفقات متتالية من البروتونات في إتجاهين متضادين كل منهم في أنبوب وذلك بفرق جهد 7 تيرافولت (ألف ألف مليون فولت) لتصل سرعة دفقة البروتونات 99.9999% من سرعة الضوء. وعند الوصول للسرعة النهائية بعد حوالي 20 دقيقة يقوم 392 مغناطيس رباعي القطب بضغط الدفقة وتقريب البروتونات من بعضها البعض وذلك لتزيد فرصة حدوث التصادم مع الدفقة القادمة من الإتجاه الآخر وذلك عند نقاط التقاطع الأربعة للأنبوبين. وتحتوي كل دفقة من البروتونات على 115 مليار بروتون، ويصطدما ببعض بقوة 14 تيرافولت. وعند الاصطدام بتلك القوة تحدث تفاعلات على مستوى جسيمات المادة الأولية كالتي حدثت أثناء وبعد الانفجار الكبير. وبرصدها يتمكن العلماء من رصد واكتشاف جسيمات جديدة، واثبات بعض الفرضيات الفيزيائية النظرية، ومعرفة المزيد عن أسرار نشأة الكون وتكوينه.
(ATLAS)
يتم رصد التصادمات عن طريق العديد من المجسات الموجودة في أماكن تقاطع الأنبوبين. وتقوم تلك الأجهزة برصد طاقة وسرعة واتجاه حركة الجسيمات الناتجة عن التصادم وذلك باستخدام تقنيات معقدة، وذلك لمحاولة تحديد الجسيمات الناتجة عن التصادم واكتشاف جسيمات جديدة. ونذكر من تلك المجسات أهمهم وهم “ATLAS” و “CMS” و “ALICE” و”LHCb”.
و يعتبر “ATLAS” هو المجس الرئيسي مع “CMS” وهدفهما رصد جسيمات جديدة كبوزون هيجز “Higgs boson” والمادة الداكنة “Dark matter” وأيضا محاولة رصد أبعاد جديدة للكون. بينما يهدف “ALICE” لرصد حالة من حالات المادة تسمى حساء الكواركات “quark–gluon plasma” وهي حالة الكون بعد لحظات من الانفجار الكبير. أما “LHCb” فهدفه رصد المادة المضادة “Anti matter”.
للقيام بجولة افتراضية داخل “ATLAS”
(مركز الحوسبة الرئيسي بـ CERN)
ويتصل المُصادِم “LHC” بشبكة حوسبة خاصة عملاقة ربما تعتبر الأكبر والأكثر تعقيدا على مستوى العالم، حيث تربط تلك الشبكة أكثر من 170 مركز لمعالجة البيانات في 36 دولة. ويغذيها المُصادِم ب 27 تيرابايت من البيانات يوميا نتاج التصادمات، لتتم معالجتها بشكل مبدئي في مخدمات المركز الرئيسي ل “CERN” فوق سطح الأرض، ثم إرسالها إلى 11 مركز بحثي عبر شبكة خطوط أرضية خاصة بهم بسرعة 10 جيجا بت في الثانية. ويتم إيصال البيانات لأكثر من 150 مؤسسة بحثية أخرى لدراستها. كما أطلقت “CERN” مشروع “LHC@HOME” وذلك ليتمكن أي شخص مهتم بالمساعدة من استخدام قدرات حاسوبه الشخصي لمساعدتهم في تحليل البيانات الواردة من المصادم بمجرد تنصيب برنامج بسيط على الحاسوب، وذلك باستخدام تقنيات الحوسبة الموزعة. كما تنظم “CERN” بالتعاون مع الهيئات التعليمية المختلفة، أياما مفتوحة تُتاح فيها زيارة المُصادم للطلاب والجماهير والبعثات التعليمية من جميع أنحاء العالم.
الخط الزمني للمُصادِم “LHC” :
-10 سبتمبر 2008: تشغيل المُصادِم لأول مرة وتسريع أول دفقة من الالكترونات على عدة مراحل بنجاح. لكن بعدها بعدة أيام وأثناء استمرار التجارب فقدت بعض المغانط قدرتها بسبب خلل كهربي مما أدى لتسرب 6 طن من غاز الهيليوم المبرد بشكل انفجاري دمر أكثر من 50 مغناطيس وأفقد الغلاف المفرغ من الهواء وظيفته. وقامت “CERN” بإصلاح المشكلة خلال الشهور التالية.
-20 نوفمبر 2009: أول تشغيل تجريبي منخفض الطاقة بعد العطل، وبعدها بأيام تمت زيادة طاقة دفقات البروتونات ل450 جيجا فولت، ثم زيادتها مرة أخرى ل1.2 تيرافولت محطما الرقم القياسي لمعجل “Tevatron” الأمريكي. وفي ديسمبر 2009 تم رصد 284 تصادم في المجس “ALICE” وهذه أول نتيجة علمية مرصودة المُصادِم.
-فبراير ومارس 2010: زيادة طاقة دفقات البروتونات ل3.5 تيرافولت كمرحلة مؤقتة لمدة سنتين قبل زيادتها للهدف المنشود 7 تيرافولت، وهي الطاقة التي سيبدأ عندها البحث العلمي الحقيقي.
-24 مايو 2011: تم إنتاج حساء الكواركات ” quark–gluon plasma” داخل المُصادِم لأول مرة.
-22 ديسمبر 2011: اكتشاف الجسيم الأولي ميزون “Bottomonium” لأول مرة.
-4 يوليو 2012: اليوم الأعظم حتى الآن في تاريخ المُصادِم “LHC” حيث تم رصد بوزون هيجز “Higgs Boson” لأول مرة وإثبات وجوده. وهيجز بوزون هم الجسيم الأولي المسؤول عن إكساب المادة كتلتها.
-8 نوفمبر 2012: ملاحظة تحلل ميزون Bs لجسيمين ميون “muons”. وتمثل الملاحظة نادرة الحدوث خطوة مهمة بالنسبة لنظرية التماثل الفائق “Supersymmetry” المُكملة لنظرية النموذج المعياري والتي تفترض وجود جسيمات أكبر غير الموجودة فيه.
-14 فبراير 2013: التوقف الطويل الأول للمُعجل وذلك لإجراء بعض التطويرات.
الإنجاز الأهم، والطريق لجائزة نوبل في الفيزياء:
(الجسيمات الأولية في النموذج المعياري الموحد ومنها بوزون هيجز)
الهدف من إنشاء الـ “LHC” هو إجراء تجارب شديدة التعقيد على مستوى الجسيمات الأولية المُكونة للمادة، وبعضها يُماثل بدايات الكون والانفجار العظيم، وذلك لإثبات نظرية النموذج المعياري الموحد “Standard model” والذي يحاول الربط بين الطاقة الكهرومغناطيسية والطاقة النووية الصغرى والكبرى والجسيمات الأولية المكونة للمادة وأيضا قوى الجاذبية، ويطلق عليها العلماء نظرية كل شيء أو”The theory of almost every thing”. ويعمل على تلك النظرية آلاف العلماء من جميع أنحاء العالم، ويؤيدها العديد من التجارب العلمية، لكن ما زال أمامها عقبة عملاقة، وهي التوفيق بين نظرية الكم وبين قوى الجاذبية كما وصفها أينشتاين في النظرية النسبية العامة.
وأحد إثباتات النظرية أن الطاقة والمادة هما في الأصل شيء واحد، فبعد نشأة الكون وتمدده وانخفاض طاقته تكوّن مجال هيجز “Higgs field” بسبب تجمد جسيمات هيجز بوزون “Higgs boson” وتوقفها عن الحركة و اكتسابها كتلة. وبفضل مجال هيجز اكتسبت كل الجسيمات الأولية كتلتها بعد أن كانت مجرد طاقة، وتولد مفهوم الكتلة.
وأول من تحدث عن مجال هيجز كان عالم الفيزياء النظرية البريطاني بيتر هيجز ” Peter Higgs” عام 1964، ولذلك سميت باسمه. ولتسهيل الأمر يقول الفيزيائي برياني جرين: “تخيل أن تغمر كرة البينج بونج في الماء ثم تحركها، ستجد أن تحريكها أصعب كأنها قد اكتسبت كتلة، وهذا ما يفعله مجال هيجز مع الجسيمات الأولية”. وارتباط الجسيمات بمجال هيجز يختلف من جسيم لآخر، فالفوتون -جسيم الضوء- لا يتأثر بمجال هيجز ولذلك فهو جسيم عديم الكتلة كما أنه أسرع جسيم في الكون. وكلما زاد ارتباط الجسيمات بمجال هيجز كلما أكتسبت كلتة أكبر وقلت طاقتها الحركية.
(زيارة بيتر هيجز-في الوسط- لل “LHC” )
وأثبتت “CERN” في يوليو 2012 وجود جسيم هيجز بعد أن رصده مجسي “CMS” و”ATLAS”. وبعدها بستة أشهر أعلن علماء مستقلون بعد تحليل البيانات أن الجسيم المُكتشف هو بالفعل بوزون هيجز المُنتظر. لينال بعدها بيتر هيجز وفرانسوا انجلرت جائزة نوبل في الفيزياء عام 2013 لكونهما أول من أثبتا مجال هيجز رياضيا.
هيجز يمينا وفرانسوا يسارا
سنتي التطوير، وإعادة التشغيل:
في فبراير 2013 أوقفت “CERN” المُصادم وذلك وفق خطة الصيانة والتطوير بعد ثلاثة سنوات من العمل. حيث تم استبدال العديد من المغانط التالفة وتعديل 10000 توصيلة كهربية لحماية الدوائر الكهربية وكذلك تطوير نظام حماية جديد ضد فقدان المغناطيسية والذي تسبب في العطل عام 2008. كما تم تحديث نظام التبريد بالكامل.
لكن التطوير الأهم هو زيادة قدرة المُصادم على إحداث تصادمات بطاقة أقوى بنسبة 60% مقارنة بآخر تشغيل له، وضعف الطاقة التي عمل بها لأول مرة. حيث يمكنه الآن عمل تصادمات بطاقة 13 تيرافولت لعدد أكبر من دفقات البروتونات وبتركيز أكبر. وزيادة طاقة التصادمات تعني قدرة أكبر على إنتاج الجسيمات الأولية ورصدها وأيضا مشاهدة أي جسيمات جديدة.
علماء CERN سعداء بعد نجاح إعادة التشغيل
وتمت إعادة تشغيل ال “LHC” مرة أخرى في 5 إبريل 2015، ويضع العلماء عينيهم صوب المادة الداكنة “Dark matter” ويأملون أن يتمكنوا من اكتشافها وتأكيد وجودها مع هذه القوة الغير مسبوقة علميا لأي مُصادم على الأرض.
حقائق مدهشة:
-تيم برنرز لي العالم في “CERN” هو من اخترع الشبكة العنكبوتية “WWW” عام 1989 وذلك لتوصيل حواسيب العلماء في مختلف أنحاء بشبكة العالم واحدة وذلك لتسهيل نقل ومعالجة البيانات الناتجة عن التجارب.
-ذرة الهيدروجين هي مصدر البروتونات المستخدمة في “LHC”، وعلى الرغم من ضخامة كمية البروتونات المستخدمة إلا أن المُصادم يحتاج لمليون عام لاستهلاك البروتونات في جرام واحد من الهيدروجين.
-قلب المُصادِم هو أبرد مكان على سطح الأرض، بل هو أكثر برودة من الفضاء الخارجي بدرجة حرارة -271.3 مئوية. وهي درجة أعلى بعدة درجات عن الصفر المُطلق.
(يوم مفتوح لزيارة الجماهير والطلاب لقلب المُصادم)
-ملفات المغانط مكونة من أسلاك سماكتها 0.007 ميللي متر. أي أن شعرة الإنسان أكثر سمكا منها ب10 أضعاف. وإذا تم مدها ستذهب وتعود للشمس 6 مرات ويتبقى ما يكفي لمدها للقمر 150 مرة.
-الغلاف المُفرغ من الهواء مُفرغ أكثر من الفضاء الخارجي.
-سرعة البروتونات القصوى في المُعجل أقل من سرعة الضوء بفارق ثلاثة أمتار في الثانية. وتدور في الأنبوبة 11000 دورة في الثانية.
-المغناطيس ب”CMS” به 10000 طن حديد، أكثر من الحديد ببرج إيفل.
-600 مليون تصادم يحدث في الثانية، لتصبح درجة الحرارة أثناء التصادم 100000 ضعف درجة الحرارة في باطن الشمس.
(مجموعة من الطلاب أمام المركز الرئيسي ل “CERN” بعد زيارة المُصادم)
تخوفات وتساؤلات:
يتعرض العلماء في “CERN” لنوع متكرر من الأسئلة غير مبني على أدلة علمية، بغرض الشهرة الإعلامية، والسؤال الأشهر هو: هل ستدمر التجارب كوكب الأرض؟
يعتقد البعض أن التجارب من ممكن أن تؤدي لنشوء ثقب أسود صغير”Microscopic black holes” يبتلع الأرض، أو إنتاج جسيمات نظرية أحادية القطب “Magnetic monopoles” تدمر البروتونات، أو تحفيز تحول الكون المحيط بنا لحالة أكثر استقرارا كفقاعة كونية مُفرغة “Vacuum bubbles” تبتلع الأرض، أو إنتاج المادة الغريبة “Strangelets” وهي مادة نظرية لها القدرة على تحويل المادة العادية لمادة غريبة مثلها، أو أشعة كونية “Cosmic Rays” لها قدرات تدميرية عملاقة. ويذهب أصحاب نظرية المؤامرة لحدود أبعد من هذا فيقولون أن “CERN” تجري تلك التجارب لخلق أسلحة شديدة القوة التدميرية كقنبلة المادة المضادة”anti Matter Bomb” لتسيطر بها أوروبا على العالم.
والعلماء هناك قاموا بالرد على كل تلك التساؤلات بردود مُطمئِنة. فيقولون أن الكون يقوم بمئات الملايين من التفاعلات الحادثة في المُصادم وبطاقات أكبر بكثير، ولم يفنى الكون بعد. وإذا أنتج المُصادم ثقب أسود فسوف يكون غير مستقر وسيتلاشى فوريا، والأشعة الكونية نتعرض لها يوميا ويحمينا منها الغلاف الجوي ولم تتسبب في دمارنا حتى خارج الغلاف الجوي، والمادة الغريبة والجسيمات أحادية القطب هي مواد نظرية خيالية ليست موجودة. وبالتالي فلا خوف من التجارب. كما أن التجارب تحتاج لأكثر من مليون عام لإنتاج ما يكفي من مادة مضادة لعمل تفجير بقوة قنبلة نووية صغيرة. وبالتالي فكل ما يُقال في الإعلام هو محض فرضيات خيالية. وكل هذا المجهود وكل هذه الأموال من أجل إرضاء الشغف العلمي ومن أجل حل المعضلات الفيزيائية المُحيرة للعلماء. وشعارهم في هذا “CERN Accelerating Science“.
وننصحكم في النهاية بمشاهدة هذا الفيديو من داخل المُصادم:
فيلم وثائقي عن المُصادم:
المصادر:
