مصادم الهادرونات الكبير (LHC) رحلة البحث عن فيزياء جديدة

مصادم الهادرون الكبير (LHC) ، هو أقوى مسرع للجسيمات في العالم. تم إنشاء LHC من قبل المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)  في نفس النفق الذي يبلغ طوله 27 كيلومترًا (17 ميلًا) والذي كان يضم مصادم الإلكترون البوزيتروني الكبير (LEP) . النفق دائري يقع على عمق 50-175 مترًا (165-575 قدمًا) تحت الأرض، على الحدود بين فرنسا وسويسرا. أجرى مصادم الهيدرونات الكبير أول عملية اختبار له في 10 سبتمبر 2008.

 

نظرة عامة على المصادم الكبير (credit: CERN)

 

مبدأ اشتغال مصادم الهدرونات الكبير

قلب LHC عبارة عن حلقة تمر عبر محيط نفق LEP؛ يبلغ قطر الحلقة بضعة سنتيمترات فقط، ويتم تفريغها إلى درجة أعلى من الفضاء السحيق وتبريدها في حدود درجتين من الصفر المطلق. في هذه الحلقة، يتم تسريع حزمتين متعاكستين من الأيونات أو البروتونات الثقيلة إلى سرعات في حدود واحد من المليون في المائة من سرعة الضوء. (تنتمي البروتونات إلى فئة من الجسيمات دون الذرية الثقيلة المعروفة باسم الهادرونات، والتي تمثل اسم معجل الجسيمات هذا.) عند أربع نقاط على الحلقة، يمكن أن تتقاطع الحزم وتصطدم نسبة صغيرة من الجسيمات ببعضها البعض. بأقصى طاقة، ستحدث الاصطدامات بين البروتونات بطاقة مجمعة تصل إلى 13 تيرا إلكترون فولت، أي حوالي سبع مرات أكبر مما تم تحقيقه سابقًا. عند كل نقطة تصادم توجد مغناطيسات ضخمة تزن عشرات الآلاف من الأطنان وبنوك من أجهزة الكشف لتجميع الجسيمات الناتجة عن الاصطدامات.

تكلفة ومدة بناء LHC

استغرق المشروع ربع قرن لتحقيقه؛ بدأ التخطيط في عام 1984، وتم منح الموافقة النهائية في عام 1994. شارك آلاف العلماء والمهندسين من عشرات البلدان في تصميم المصادم LHC وتخطيطه وبنائه، وبلغت تكلفة المواد والقوى العاملة قرابة 5 مليارات دولار؛ هذا لا يشمل تكلفة إجراء التجارب وأجهزة الكمبيوتر.

أهداف مشروع LHC

يتمثل أحد أهداف مشروع LHC في فهم البنية الأساسية للمادة في الفيزياء عن طريق إعادة خلق الظروف القاسية التي حدثت في اللحظات القليلة الأولى من الكون وفقًا لنموذج الانفجار العظيم. لعقود من الزمان، استخدم الفيزيائيون ما يسمى بالنموذج القياسي للجسيمات الأساسية، والذي عمل بشكل جيد ولكن به نقاط ضعف. أولاً، والأهم من ذلك، أنه لا يفسر سبب امتلاك بعض الجسيمات للكتلة. في الستينيات، افترض الفيزيائي البريطاني بيتر هيجز أن الجسيم قد تفاعل مع الجسيمات الأخرى في بداية الوقت لتزويدها بكتلتها. بعد عام من مراقبة الاصطدامات في المصادم LHC، أعلن العلماء هناك في عام 2012 أنهم اكتشفوا إشارة مثيرة للاهتمام من المحتمل أن تكون من بوزون هيغز بكتلة تبلغ حوالي 126 جيجا إلكترون فولت (مليار إلكترون فولت). تؤكد البيانات الإضافية بشكل قاطع هذه الملاحظات مثل بوزون هيغز. ثانيًا، يتطلب النموذج القياسي بعض الافتراضات التعسفية، والتي اقترح بعض الفيزيائيين إمكانية حلها من خلال افتراض فئة أخرى من الجسيمات فائقة التناظر؛ قد يتم إنتاجها بواسطة الطاقات القصوى لمصادم الهادرونات الكبير. أخيرًا، قد يوفر فحص عدم التناسق بين الجسيمات والجسيمات المضادة دليلًا على لغز آخر: عدم التوازن بين المادة والمادة المضادة في الكون.

بعض الأرقام حول LHC

• مصادم الهادرون الكبير هو مصادم دائري الشكل بطول 27 كيلومتر يقع في نفق يبعد حوالي 100 متر تحت الأرض، بالقرب من جنيف.
• الطاقة الكلية في مركز الكتلة ستكون 14 تيرا إلكترون فولت مما سيجعل من الممكن البحث عن جزيئات ضخمة جديدة تصل إلى m ~ 5 تيرا إلكترون فولت؛
• شدة الاضاءة = 10³⁴ cm^-2 s^-1. تردد = 11.2 كيلو هرتز (11200 مرة في الثانية)
• استهلاك الطاقة: ~ 120 ميغاواط؛
• تتألف كل حزمة من البروتونات بكثافة كاملة من 2808 حزم من الجسيمات؛
• يبلغ طول الحزم بضعة سنتيمترات ولكن يتم تقليل أبعادها العرضية إلى 16 ميكرون فقط قبل الاصطدام؛
• يبلغ الطول الإجمالي للكابلات فائقة التوصيل المطلوبة حوالي 7600 كيلومتر. كل كابل مصنوع من خيوط، ويبلغ الطول الإجمالي للخيوط 10 أضعاف المسافة من الأرض إلى الشمس؛
• الفراغ الذي تدور فيه حزم البروتون مرتفع للغاية، فقط ^10-10 تور (~ 3 ملايين جزيء / سم مكعب) وهذا من أجل تجنب الاصطدام مع جزيئات الغاز قدر الإمكان. هذا يعادل الضغط على ارتفاع 1000 كيلومتر. تذكر أن الضغط الجوي يبلغ 760 تور.
• يتم تبريد المغناطيسات فائقة التوصيل الخاصة بـ LHC إلى 1.9 كلفن باستخدام الهيليوم عند الضغط الجوي.
• سيخزن المصادم LHC حزمة طاقة تبلغ حوالي 360 ميغا جول: 2808 حزمة × 1,15 10¹¹ بروتون بطاقة 7 تيرا فولت لكل منها = 2808 x 1,15 x 10¹¹ x 10¹² x 7 x 1,602 x 10^-19 جول = 362 ميجا جول لكل حزمة. يمكن مقارنتها بـ:

في الطاقة الحركية:

 1  سفينة سياحية صغيرة سعة 10000 طن تتحرك بسرعة 30 كم / ساعة ؛

450  مركبة حمولة 2 طن تتحرك بسرعة 100 كم / ساعة.

في الطاقة الكيميائية:

انفجار 80 كيلوغراماً من مادة تي إن تي.

استقلاب 70 كيلوغرامًا من الشوكولاتة (حساب السعرات الحرارية) ؛ يتم إطلاق الطاقة في الشوكولاتة بشكل أبطأ قليلاً من انفجار مادة تي إن تي!

في الطاقة الحرارية:

ما يلزم لصهر 500 كيلو من النحاس؛

ما تحتاجه لوصول 1 متر مكعب من الماء إلى 85 درجة مئوية أو حتى تحضير 1 طن من الشاي.

 

 

فيديو عن مصادم الهدرونات الكبير

 

المراجع

1. Britannica
2. Cern