كيف سيبحث خليفة مصادم الهادرونات الكبير عن الكون المظلم

يجري التخطيط على قدم وساق لخليفة أقوى مسرع الجسيمات في العالم، وهو مصادم الهادرونات الكبير (LHC).

إن “محطم الذرة” الجديد، المسمى “المصادم الدائري المستقبلي” (FCC)، سوف يقزم مصادم الهدرونات الكبير (LHC) من حيث الحجم والقوة. في الواقع، سوف يقوم بتحطيم الجسيمات معًا بكمية كبيرة من الطاقة، لدرجة أن العلماء يقولون إنها قد تكون قادرة على التحقيق في أكثر الكيانات غموضًا في عالمنا: الطاقة المظلمة والمادة المظلمة.

كشف مشغلو LHC في CERN عن نتائج “مراجعة منتصف المدة” لدراسة جدوى لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) للصحافة يوم الاثنين (5 فبراير). بدأت دراسة الجدوى في عام 2021 ومن المقرر أن تنتهي في عام 2025. وتمثل النتائج حتى الآن ثلاث سنوات من العمل، حيث قام علماء ومهندسون من جميع أنحاء العالم بتحديد موضع حلقة المسرع الجديدة، وتنفيذ منشأة لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC)، ومفاهيم أجهزة الكشف وجوانب التمويل.

ستعمل لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) تحت سلطة فرنسا وسويسرا، تمامًا كما يفعل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) حاليًا، لكن المسرع المستقبلي سيمتد لمسافة 56.5 ميلًا (90.7 كيلومترًا)، مما يجعله أكثر من ثلاثة أضعاف طول مسرع الجسيمات الحالي في CERN، والذي يبلغ 16.8 ميلًا (16.8 ميلًا). 27 كيلومترا) طويلة. يعد LHC أكبر وأقوى معجل للجسيمات في العالم.

متعلق ب: قد تكون المادة المظلمة مختبئة في نفاثات جسيمات مصادم الهادرونات الكبير

ستعمل لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) بنفس الطريقة التي يعمل بها مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، حيث تعمل على تسريع الجسيمات المشحونة حول حلقة، باستخدام مغناطيس فائق التوصيل، ثم تحطيمها معًا عندما تقترب من سرعة الضوء.

يمكن للعلماء استكشاف الفيزياء الأساسية من خلال مراقبة وابل من الجسيمات الثانوية التي تنشأ عندما تصطدم جسيمات مثل البروتونات ببعضها البعض. ولكن في حين أن مصادم الهادرونات الكبير يمكنه الحصول على طاقات تبلغ حوالي 13 تيرا إلكترون فولت (TeV) عند العمل بكامل طاقته، تقول المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) إن لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) يجب أن تكون قادرة على الوصول إلى طاقات تصل إلى 100 تيرا إلكترون فولت.

وقالت فابيولا جيانوتي، المدير العام لـ CERN، في العرض التقديمي للتقرير المؤقت في جنيف يوم الثلاثاء (6 فبراير): “هدفنا هو دراسة خصائص المادة على أصغر نطاق وأعلى طاقة”.

لماذا تحتاج مسرعات الجسيمات إلى المزيد من الطاقة؟

إن تتويج إنجاز مصادم الهادرونات الكبير حتى الآن هو بلا شك اكتشاف بوزون هيغز، وهو الجسيم الحامل للقوة في حقل يسمى حقل هيغز، والذي يتخلل الكون ويحدد كتل معظم الجسيمات الأخرى.

تم الإعلان عن اكتشاف هيغز بوسون بواسطة اثنين من كاشفات LHC في 4 يوليو 2012، ويُنسب إليه الفضل في استكمال النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهو أفضل وصف للبشرية للكون وجسيماته وتفاعلاتها على المقياس دون الذري.

ومع ذلك، لا يزال النموذج القياسي يتطلب بعض التغيير والتبديل. ومنذ عام 2012، يستخدم العلماء مصادم الهدرونات الكبير (LHC) للبحث عن فيزياء تتجاوز النموذج لإجراء تلك التعديلات. وكان النجاح محدودا. سيحصل هذا البحث على دفعة عند اكتمال ترقية السطوع العالي لمصادم الهادرونات الكبير (LHC)، مما يعني أن مسرع الجسيمات يمكنه إجراء المزيد من الاصطدامات وتقديم المزيد من الفرص للعلماء لاكتشاف الفيزياء الغريبة.

إن القيمتين المتطرفتين الرئيسيتين في النموذج القياسي (ويعرفان أيضًا باسم سبب ضرورة بعض هذه التعديلات) هما المادة المظلمة والطاقة المظلمة.

تُعرف هذه الظواهر أحيانًا باسم “الكون المظلم”، وتشكل ألغازًا كبيرة للعلماء لأن الطاقة المظلمة تمثل حوالي 68% من طاقة الكون والمادة، في حين تمثل المادة المظلمة حوالي 27% من هذه القارات. لكن لا يمكن رؤيتهما لأنهما لا يتفاعلان مع الضوء، ولم يتمكن أحد من تحديدهما من خلال أشكال أخرى من الكشف المباشر أيضًا. وهذا يعني أن المادة والطاقة التي نفهمها والتي يمكن أن تمثلها لا تشكل أكثر من 5% من محتويات الكون، وليس لدينا أي فكرة عن ماهية حوالي 95% من الكون في الواقع.

وقد يتطلب استكشاف هذه الجوانب من الكون تحطيم الجسيمات معًا بطاقة أكبر بكثير مما يستطيع مصادم الهادرونات الكبير (LHC) عالي السطوع تحقيقه.

بادئ ذي بدء، لا يمكن للمادة المظلمة أن تكون “مادة قياسية” مثل الذرات التي تشكل الأشياء التي نراها حولنا يوميًا، مثل النجوم والكواكب وأجسادنا. هل تتذكر كيف لا يتفاعل مع الضوء؟ حسنًا، البروتونات والنيوترونات والإلكترونات – المعروفة مجتمعة باسم “الباريونات” – تقوم بذلك. لذا، المادة المظلمة يجب أن تكون شيئًا آخر.

حاليًا، الطريقة الوحيدة التي يمكن للعلماء من خلالها استنتاج وجود المادة المظلمة هي من خلال تفاعلها مع الجاذبية وتأثير ذلك على المادة الباريونية، وبالتالي الضوء.

الطاقة المظلمة هي أكثر إشكالية. إنها القوة التي يرى العلماء أنها تقود تسارع توسع الكون.

يتعلق الأمر بفترة توسع منفصلة عن التضخم الأولي للكون، والذي نتج عن الانفجار الكبير. وبعد أن تباطأ هذا التوسع المبكر حتى توقف تقريبًا، في حقبة لاحقة، بدأ الكون في التوسع مرة أخرى بشكل غير قابل للتفسير. معدل التوسع هذا يتسارع فعليًا حتى يومنا هذا، مع استخدام الطاقة المظلمة لتفسير هذا الإجراء.

ومع ذلك، وكما ناقشنا، فإن العلماء لا يعرفون في الواقع ما هي الطاقة المظلمة.

لمعرفة سبب كون ذلك مثيرًا للقلق، تخيل أنك تدفع طفلًا على الأرجوحة. إن الانفجار العظيم يشبه دفعتك الأولى والوحيدة التي تجعل التأرجح يتحرك. قد يستمر التأرجح لفترة قصيرة، حتى بدون أي إجراء منك، ثم سينخفض ​​إلى النصف. ثم تخيل أنه بدأ فجأة في الحركة مرة أخرى على الرغم من وقوفك هناك. وليس هذا فحسب، بل إنه يتأرجح بشكل أسرع وأسرع، ليصل إلى نقاط أعلى وأعلى. وهذا مشابه لما تفعله الطاقة المظلمة بنسيج الفضاء ذاته.

وتأمل المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) أن تكشف الاصطدامات عالية الطاقة للجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) عن طبيعة هذا الدفع المستمر للكون المتأخر والجسيمات التي تشكل المادة المظلمة.

ومع ذلك، سيستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن يصبح مسرع الجسيمات المستقبلي جاهزًا للشروع في بحثه عن الكون المظلم.

الجدول الزمني وتكلفة المصادم الدائري المستقبلي

في عام 2028، بعد ثلاث سنوات من الانتهاء من دراسة جدوى لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC)، ستجتمع الدول الأعضاء في CERN لتقرير ما إذا كانت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) ستحصل على الضوء الأخضر للمضي قدمًا. وتقول المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) إنه إذا حصل المصادم المستقبلي على الضوء الأخضر، فإن البناء سيبدأ في منتصف ثلاثينيات القرن الحالي.

سيتم الانتهاء من لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) على مراحل. المرحلة الأولى هي مصادم الإلكترون والبوزيترون (FCC-ee) الذي سيصطدم معًا بالإلكترونات سالبة الشحنة، ونظيراتها المضادة للجسيمات الإيجابية، والمعروفة باسم البوزيترونات، وجسيمات ضوئية أخرى. يضيف CERN أن لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC-ee) يجب أن تبدأ عملياتها في عام 2045.

ستكون الآلة الثانية للجنة الاتصالات الفيدرالية عبارة عن معجل تصادم البروتونات (FCC-hh) الموجود بجانب FCC-ee في نفس النفق الذي تم إخلاؤه والمدفون تحت جبال الألب الفرنسية السويسرية وبحيرة جنيف. ولن يتم طرح هذا الجزء قبل عام 2070، وفقًا لـ CERN.

قصص ذات الصلة:

– المجرة الضخمة التي لا تحتوي على مادة مظلمة هي لغز كوني

— يحفر الباحثون عميقًا تحت الأرض على أمل أن يتمكنوا أخيرًا من مراقبة المادة المظلمة

– تلسكوب إقليدس “الكون المظلم” يلتقط أول مناظر كاملة الألوان للكون (صور)

في المؤتمر الصحفي الذي عقدته المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، عرض جيانوتي بعض تكاليف لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC)، قائلًا إن المرحلة الأولى من لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC-ee) وحدها ستكلف ما يقدر بنحو 17 مليار دولار أمريكي.

برر المدير العام لـ CERN التكلفة بإضافة أن لجنة الاتصالات الفيدرالية هي الآلة الوحيدة التي من شأنها أن تسمح للبشرية بتحقيق قفزة كبيرة في دراسة المادة اللازمة لكشف أسرار الكون المظلم.