من يهتم بالجسيمات؟ لماذا يهتم الفيزيائيون بها كثيرًا؟
في الواقع ، نحن لسنا مهتمين بالجسيمات من تلقاء نفسها.
إليك تشبيهًا لك: تخيل أنك مهتم بمدن الإمبراطورية الرومانية وكيف تعمل. وبسبب هذا ، يمكنك البدء في دراسة العمارة الرومانية. قد تكون مهتمًا بكيفية بناء المباني والقنوات المائية. ثم ، على الأرجح ، ستنتقل إلى موثوقية أقواسهم وأسسهم ، ومنهم إلى خصائص الطوب وقذائف الهاون. لكنك لست مهتمًا بالطوب وقذائف الهاون - هذه ليست سوى وسيلة لتحقيق غاية. تريد النظر إليها كجزء من القضايا الأكثر عمومية لتصميم وبناء المباني الرومانية ، وجمالها وموثوقيتها ، مما سمح لها بالبقاء على قيد الحياة لقرون.
الطبيعة هي المهندس المعماري الأكثر مثمرة وقديمة. نحن نعيش محاطين بالجمال والغموض - السنديان والبراكين وغروب الشمس والعواصف والقمر الجميل وحبوب الرمل التي لا تعد ولا تحصى على الشاطئ. قبل قرنين من الزمان ، استنتج العلماء أن تنوع هذه العمارة يمكن فهمه بشكل أفضل إذا افترضنا أن المادة تتكون من ذرات مختلفة - "عناصر". لذلك بدأوا يهتمون بالذرات ، وهي لبنات البناء "الأولية" للطبيعة ، كما كان يُعتقد في ذلك الوقت.
ولكن ، كما اتضح ، كانت هذه البداية فقط ، حيث اتضح أن هناك العشرات من أنواع مختلفة من الذرات ، والتي تختلف بشكل كبير في التحولات الكيميائية وفي القدرة على انبعاث الضوء. في محاولة لفهم تنوع وسلوك الذرات ، أدرك العلماء أنها كانت أيضًا أشكالًا للهندسة المعمارية مبنية من جزيئات أصغر: الإلكترونات المحيطة بالنواة الذرية ، والتي يتم الحفاظ عليها سليمة من خلال تعزيز قوىها الكهربائية. وفي النوى نفسها ، هناك أيضًا بنية مع الاحتفاظ بالبروتونات والنيوترونات سليمة من خلال تعزيز تفاعلها القوي. على طول الطريق ، تم اكتشاف قوة أخرى ، تفاعل ضعيف ، غالبًا ما يكون أكثر تدميراً من القوة الإبداعية.
إن اكتشاف مستويات جديدة من العمارة لم يجعل فقط من الممكن شرح العمليات الكيميائية الأولية ، بالإضافة إلى انبعاث وامتصاص الضوء ، ولكنه أتاح أيضًا الوصول إلى كشف أسرار أخرى - مبادئ تشغيل النجوم ، النشاط الإشعاعي ، بالإضافة إلى الوصول إلى الخطر الكبير الذي يختبئ في طاقة النواة. أصبح منهج الطوب والاسمنت المفتاح لفتح العديد من الأسرار طوال القرن العشرين.
هذا ، بالطبع ، رسم شبه تاريخي ، وليس سردًا دقيقًا للقصة. القصة الحقيقية أكثر ثراءً وتعقيدًا وتكمن فوق قدراتي.
بحلول الخمسينيات من القرن الماضي ، كان من المعروف أن البروتونات والنيوترونات في النوى الذرية لها العديد من أبناء عمومتها:
هادرونات أخرى تحمل أسماء مثل
الفاوانيا والكاون وداريون باريون والميسون وغيرها. كان هذا التعقيد علامة على بنية أخرى. في أوائل السبعينيات ، ظهرت فكرة جديدة عن هذه الجسيمات ككائنات تتكون من
الكواركات والعلامات القديمة
والغلوونات ، والتي تم تجميعها معًا من خلال تفاعل قوي.
خبراء فيزياء الجسيمات هم علماء مهتمون بهندسة الطبيعة على مستوى الطوب والأسمنت والموثوقية والتدمير. ما هي اللبنات الأساسية التي تجمعهم أو تفصلهم؟ كيف ينظمون ويشكلون أساس مجموعة كبيرة ومتنوعة من الهياكل التي نلاحظها في الكون؟
منذ بداية الستينيات ، أصبح الفهم تدريجيًا أن خصائص العالم الذي نعيش فيه تتطلب وجود بعض المواد التي تملأ الكون - حقل غير صفري ، كما نسميه بحقل هيجز - يؤثر على خصائص العديد من الجسيمات في الطبيعة. بدون حقل هيجز ، ستنهار الهندسة المعمارية من حولنا. إن فهم ماهية هذا المجال وكيف يعمل هو أحد المشاريع المركزية لخبراء اليوم في فيزياء الجسيمات ، والمبرر الرئيسي لبناء مصادم الهادرون الكبير (LHC). ما الأسرار التي سيتم الكشف عنها خلال الدراسة؟ لا أحد يعرف حتى الآن.
ثم لماذا يحتاج الفيزيائيون إلى بناء "محطمات ذرة" عملاقة؟
أوه ، كيف أكره هذا المصطلح! نحن لا نصطدم بالذرات ، فنحن نصطدم بالجسيمات دون الذرية: البروتونات ، التي هي أصغر بمئة ألف مرة من الذرات (في نصف القطر) ، أو الإلكترونات ، التي هي أصغر 1000 مرة من البروتونات! هذه هي الطريقة التي تخلط بين اصطدام الكواكب وتصادم ناقلتي نفط أو رصاصتين.
حسنًا يا سيدات ، اهدئي بالفعل. فلماذا يصطدم الفيزيائيون بالبروتونات أو الجسيمات دون الذرية الأخرى؟ هل من الممكن القيام بشيء أقل تدميرا؟
غالبًا ما يُعطى التشبيه أن استخدام المصادمات (أو ، بشكل أكثر دقة ، مصادمات الجسيمات دون الذرية) في الفيزياء يشبه كسر الكرونومتر الدقيق في محاولة لدراسة عملهم على الأجزاء المنبعثة منها. هذا القياس منطقي ، لكنه لا يأخذ في الاعتبار شيئًا مهمًا.
اصطدام الجسيمات دون الذرية من الطاقات العالية ليس مجرد فعل تدمير. إنه ، في معظمه ، عمل إبداعي.
هذه خاصية مدهشة للطبيعة - إذا دفعت الكثير من الطاقة إلى مساحة صغيرة إلى حد ما ، يمكن في بعض الأحيان إنتاج جسيمات منها لم تكن موجودة من قبل. ولهذا السبب نرتب اصطدامات الجسيمات عالية الطاقة. التكنولوجيا مع ضغط الطاقة هي التقنية الوحيدة المعروفة التي تسمح بالحصول على جسيمات جديدة أو نادرة للغاية لم يراها الناس من قبل. على سبيل المثال ، ليس لدينا طريقة أخرى للحصول على جسيمات هيجز.
لذلك نحن لسنا مهتمين بصدام الساعات. نحن نعرف بالفعل الكثير عنها - نحن بالفعل نفهم جيدًا البروتونات التي تتصادم في المصادم LHC. نأمل أن نكتشف شيئًا لم يكن موجودًا في الساعة - لقد درسنا بالفعل الكواركات والغلوونات والطوب وأسمنت البروتون بتفاصيل كافية. علينا تعديل القياس. وبدلاً من ذلك ، فإننا ندفع الساعة معًا على أمل أن يظهر الهاتف الخلوي نتيجة لطاقة الاصطدام.
يبدو هذا جنونيًا جدًا. لكن الطبيعة مذهلة وغير عادية ، ويتم إنشاء جزيئات ثقيلة نادرة على LHC يوميًا. من أجل خلق جسيمات هيجز ، وربما ظواهر أخرى غير متوقعة ، نضحي بالبروتونات على مذبح المصادم LHC.