هل فقدوا أدلة على وجود فيزياء جديدة في مصادم هادرون الكبير؟

جهاز الكشف عن الجسيمات ATLAS في LHC في المركز الأوروبي للبحوث النووية (CERN) في جنيف ، سويسرا. يعد LHC ، الذي تم بناؤه داخل نفق تحت الأرض يبلغ محيطه 27 كم ، أكبر وأقوى مسرع للجسيمات وأكبر آلة في العالم. لكنه قادر على تسجيل جزء صغير فقط من البيانات التي يجمعها.

في " مصادم هادرون الكبير" ، تدور البروتونات في نفس الوقت في اتجاه عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة ، وتتصادم مع بعضها البعض ، وتتحرك في نفس الوقت بسرعة 99.9999991٪ من سرعة الضوء. في نقطتين ، حيث يجب أن يحدث أكبر عدد من الاصطدامات وفقًا للمخطط ، يتم إنشاء كاشفات جسيمات ضخمة: CMS و ATLAS . بعد المليارات والمليارات من التصادمات التي حدثت في مثل هذه الطاقات الهائلة ، سمحت لنا LHC بالتقدم أكثر في بحثنا عن الطبيعة الأساسية للكون وفهم لبنات البناء الأساسية للمادة.

في سبتمبر من العام الماضي ، احتفلت LHC بعشر سنوات من عملها من خلال فتح boson higgs ، الذي أصبح إنجازه الرئيسي. ولكن على الرغم من هذه النجاحات ، لم يتم اكتشاف أي جزيئات جديدة أو تفاعلات أو تفسخ أو فيزياء أساسية جديدة. والأسوأ من ذلك كله ، أن معظم البيانات الواردة من LHC ضائعة إلى الأبد.


تعاون CMS ، الذي يمكن رؤية كاشفه في الصورة قبل التجميع النهائي ، قد أصدر أكثر النتائج شمولية لعمله. لا توجد علامات على الفيزياء تتجاوز النموذج القياسي .

هذه واحدة من أكثر الألغاز الغامضة في فيزياء الطاقة العالية ، على الأقل للناس العاديين. لم تفقد LHC فقط معظم البيانات: فقد خسرت 99.997٪ منها بشكل لا يصدق. هذا بالضبط: من بين كل مليون اشتباكات تحدث في LHC ، لا يوجد سوى 30 سجلًا.

يحدث هذا عند الضرورة ، بسبب القيود التي تفرضها قوانين الطبيعة ، وكذلك قدرات التكنولوجيا الحديثة. لكن هذا القرار يرافقه شعور بالخوف ، يتكثف بحقيقة أنه لم يكن هناك شيء أكثر انفتاحًا من بوسون هيغز المتوقع. الخوف هو أن هناك فيزياء جديدة تنتظر من يكتشفها ، لكننا أخطأناها ، ونرمي كل البيانات اللازمة.


حدث مرشح لأربعة muons في كاشف ATLAS. تظهر آثار الميونات والأنتيمون باللون الأحمر ، بينما تسير الميونات طويلة العمر أكثر من أي جسيمات غير مستقرة أخرى. يعد هذا حدثًا مثيرًا للاهتمام ، ولكن لكل حدث مسجل ، هناك مليون تم التخلص منها.

لكن لم يكن لدينا خيار. شيء يجب أن يتم إسقاطه على أي حال. تعمل LHC من خلال تسريع البروتونات إلى سرعة قريبة من الضوء ، وإطلاقها في اتجاهين متعاكسين ودفعها معًا. لذلك عملت مسرعات الجسيمات بشكل أفضل لعدة أجيال. وفقًا لأينشتاين ، فإن طاقة الجسيم هي مزيج من كتلة الراحة (التي قد تعرفها على أنها E = mc ² ) وطاقة الحركة ، والمعروفة أيضًا باسم الحركية. كلما تحركت بشكل أسرع - أو بشكل أدق ، كلما اقتربت من سرعة الضوء - زادت طاقة الجسيمات التي يمكنك الحصول عليها.

على المصادم LHC ، نتصادم مع البروتونات بسرعة 299 792 455 م / ث ، فقط 3 م / ث لا تصل إلى سرعة الضوء. عند اصطدامها بهذه السرعات العالية ، عندما تتحرك في الاتجاه المعاكس ، فإننا نتيح وجود جزيئات لا يمكن أن تظهر في ظروف أخرى.


تبلغ المساحة الداخلية للـ LHC ، حيث تطير البروتونات بسرعة 299 792 455 م / ث ، 3 م / ث فقط لا تصل إلى سرعة الضوء.

والسبب في ذلك هو: أن جميع الجزيئات (والجسيمات المضادة) التي أنشأناها لديها قدر معين من طاقتها الكامنة في شكل كتلة راحة. عندما يصطدم جسيمان ، يجب أن ينتقل جزء من هذه الطاقة إلى المكونات الفردية لهذه الجسيمات ، إلى طاقتها الباقية وإلى الطاقة الحركية (أي طاقة الحركة).

ولكن إذا كان هناك ما يكفي من الطاقة ، يمكن أن يذهب جزء منه إلى إنتاج جزيئات جديدة! هنا تصبح المعادلة E = mc ² أكثر إثارة: المسألة ليست فقط أن الطاقة E متأصلة في جميع جزيئات الكتلة m ، بل أيضًا أنه بوجود طاقة كافية متاحة لنا ، يمكننا إنشاء جزيئات جديدة. في LHC ، وصلت البشرية إلى طاقة أكبر في التصادمات التي تولدت جزيئات جديدة أكثر من أي مختبر آخر في التاريخ.


نظر الفيزيائيون إلى LHC بحثًا عن عدد كبير من الخيارات لفيزياء جديدة محتملة ، من قياسات إضافية والمادة المظلمة إلى جسيمات فائقة التناظر والثقوب السوداء المجهرية. ولكن على الرغم من جميع البيانات التي تم جمعها في هذه التصادمات عالية الطاقة ، لم يتم العثور على أدلة على هذه السيناريوهات.

تستأثر كل جسيم بحوالي 7 TeV من الطاقة ، أي أن كل بروتون يستقبل طاقة حركية ، أي أعلى بمقدار 7000 مرة من الطاقة الباقية. ومع ذلك ، نادراً ما تحدث الاصطدامات ، والبروتونات ليست صغيرة فقط - فهي فارغة في الغالب. لزيادة احتمال حدوث تصادم ، يجب أن تأخذ أكثر من بروتون واحد في وقت واحد ؛ يتم حقن البروتونات في مجموعات.

هذا يعني أنه عند التشغيل الكامل داخل LHC ، أثناء تشغيلها ، تندفع مجموعات صغيرة من البروتونات في اتجاه عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة. يبلغ طول أنفاق LHC حوالي 26 كم ، ويفصل بين كل مجموعة من البروتونات 7.5 متر فقط ، ويتم ضغط أشعة البروتون هذه قبل التفاعل عند النقطة المركزية لكل كاشف. وكل 25 نانو ثانية هناك فرصة للتصادم.


كاشف CMS في CERN هو واحد من أقوى كاشفات تم إنشاؤها على الإطلاق. في المتوسط ​​، تصطدم كل 25 نانو ثانية في مركزها بمجموعات جديدة من الجزيئات.

ماذا تفعل؟ الاعتماد على عدد قليل من الاصطدامات وتسجيل كل منهم؟ هذا سيكون مضيعة هائلة للطاقة والبيانات المحتملة.

بدلاً من ذلك ، نقوم بضخ الكثير من البروتونات في كل مجموعة ، وفي كل مرة نواجه فيها أشعة ، نحصل على فرص جيدة في تصادم الجسيمات. وفي كل مرة خلال مثل هذا التصادم ، تنفجر الجسيمات في جميع الاتجاهات داخل المكشاف ، مطلقةً إلكترونيات ودوائر معقدة ، مما يسمح لنا بإعادة إنشاء ما تم إنشاؤه ومتى وفي أي مكان للكشف. يشبه هذا الانفجار الهائل ، وفقط من خلال قياس جميع قطع الشظايا التي خرجت منه ، يمكننا إعادة إنشاء ما حدث (وتلك الأشياء الجديدة التي أنشأناها) وقت اندلاع المرض.


هيوز بوسون الحدث في CMS على LHC. إن طاقة هذا التصادم المذهل تقل بمقدار 15 طلبًا عن حجم طاقة بلانك ، ولكن بالضبط القياسات الدقيقة للكاشف هي التي تسمح لنا بإعادة إنشاء ما حدث عند نقطة التصادم.

ومع ذلك ، فإن هذا يثير مشكلة جمع وتسجيل جميع البيانات. أجهزة الكشف كبيرة في حد ذاتها: CMS بقياس 22 م ، و ATLAS 46 م ، وفي أي لحظة ، تظهر الجسيمات الناشئة عن ثلاثة اصطدامات مختلفة داخل CMS ، ومن ستة في ATLAS. لتسجيل البيانات ، تحتاج إلى اتخاذ خطوتين:

1. يجب نقل البيانات إلى ذاكرة الكاشف ، محدودة بسرعة الإلكترونيات. على الرغم من أن الإشارات الكهربائية تنتقل بسرعة الضوء تقريبًا ، إلا أنه لا يمكننا "تذكر" سوى حوالي واحد من خمسمائة تصادم.
2. يجب كتابة البيانات الموجودة في الذاكرة على القرص (أو وسيط دائم آخر) ، وهذا يحدث ببطء أكثر بكثير من كتابة البيانات إلى الذاكرة. عليك أن تقرر ما الذي تخزنه وما الذي يجب التخلص منه.

رسم تخطيطي لكيفية إدخال البيانات في النظام ، وإطلاق أجهزة الاستشعار ، وتحليلها وإرسالها للتخزين الدائم. هذا مخطط لـ ATLAS ، وهو يختلف قليلاً عن مخطط لـ CMS.

نستخدم بعض الحيل من أجل ضمان اختيار الأحداث بحكمة. نحن ندرس على الفور العديد من عوامل التصادم لتحديد ما إذا كان يجب دراستها بعناية أكبر أم لا: هذا ما نسميه المشغل. اجتياز الزناد ، نصل إلى المستوى التالي. (أيضًا ، يتم الاحتفاظ بجزء صغير من البيانات التي لم تتجاوز المشغل ، فقط في حالة ظهور إشارة مثيرة للاهتمام ، والتي لم نفكر في صنعها). ثم يتم تطبيق طبقة ثانية من المرشحات والمشغلات. إذا تبين أن الحدث مثير للاهتمام بدرجة كافية لحفظه ، فإنه يدخل المخزن المؤقت لضمان تسجيله على الوسط. يمكننا أن نضمن أن يتم الحفاظ على أي حدث يحمل علامة "مثيرة للاهتمام" ، مع جزء صغير من الأحداث غير المثيرة للاهتمام.

نظرًا لأن كلتا الخطوتين ضروريتان ، يمكننا توفير 0.003٪ فقط لمزيد من التحليل.


مرشح لبوس هيغز في كاشف أطلس. حتى مع وجود علامات ومسارات واضحة تعمل بشكل جانبي ، يكون وجود عدد كبير من الجزيئات الأخرى مرئيًا ؛ كل ذلك لأن البروتونات جزيئات مركبة. هذا يعمل فقط لأن هيغز يضيف كتلة إلى المكونات الأساسية لهذه الجزيئات.

كيف نعرف أننا نخزن المعلومات الضرورية؟ تلك التي يتم فيها تسجيل تكوين جزيئات جديدة على الأرجح ، وأهمية التفاعلات الجديدة مرئية ، هل تتم ملاحظة فيزياء جديدة؟

عندما تصطدم البروتونات ، يولد معظمها جزيئات طبيعية - بمعنى أنها تتألف بالكامل تقريبا من الكواركات العلوية والسفلية. (هذه هي جزيئات مثل البروتونات والنيوترونات والبايونات). تحدث معظم الاصطدامات بمرور ، أي أن معظم الجسيمات سوف تصطدم مع الكاشف داخل أو ضد اتجاه الحركة.


يمكن لمسرعات الجسيمات على الأرض ، مثل LHC في CERN ، تسريعها إلى سرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء ، ولكن لا تزال لا تصل إليها. البروتونات هي جزيئات مركبة ، وبسبب الحركة بسرعة قريبة من الضوء ، وبعد الاصطدام ، ينتشر جزيئات جديدة أو يتعارض مع اتجاه الحركة ، وليس عبرها.

لذلك ، في الخطوة الأولى ، نحاول دراسة آثار جزيئات ذات طاقات عالية نسبيًا ، تسير في الاتجاه العرضي ، وليس للأمام أو للخلف في اتجاه الأشعة. نحن نحاول الكتابة إلى أحداث ذاكرة الكاشف التي ، في رأينا ، تمتلك أكبر كمية من الطاقة المجانية E لإنشاء جزيئات جديدة من أعلى كتلة ممكنة m. ثم نقوم بسرعة بمسح ما هو موجود في ذاكرة جهاز الكشف لمعرفة ما إذا كان الأمر يستحق كتابة هذه البيانات على القرص. إذا كان الأمر كذلك ، يمكن وضع هذه البيانات في قائمة الانتظار للتخزين الدائم.

نتيجة لذلك ، في كل ثانية يمكنك حفظ 1000 حدث. قد يبدو هذا الرقم كبيرًا - لكن ضع في اعتبارك أن حوالي 40،000،000 مجموعة من البروتونات تصطدم كل ثانية.


آثار الجسيمات بسبب التصادمات عالية الطاقة - 2014 LHC image. يتم تسجيل وحفظ واحد فقط من بين 30.000 حالة تصادم ، وفقد معظمها.

نعتقد أننا نتصرف بذكاء ، ونختار ما نحتفظ به بالضبط ، لكن لا يمكننا أن نكون متأكدين بنسبة 100٪. في عام 2010 ، وصل مركز البيانات CERN إلى معلم لا يصدق: 10 بايت من البيانات. بحلول نهاية عام 2013 ، كان يحتوي بالفعل على 100 بيتابايت ؛ في عام 2017 ، تم تمرير علامة قدرها 200 بيتابايت. لكن بالنسبة لجميع هذه المجلدات ، نحن نعلم أنهم طردوا - أو لم يتمكنوا من تسجيل - 30،000 مرة من البيانات. يمكننا جمع المئات من وحدات البيجابايت ، لكننا رفضنا وفقدنا الكثير من البيانات التي تحتوي على zettabytes : هذه بيانات أكثر من شبكة الإنترنت بأكملها في غضون عام .


إن إجمالي كمية البيانات التي يتم جمعها على LHC يتقدم بشكل خطير على إجمالي كمية البيانات المرسلة والمستلمة عبر الإنترنت خلال السنوات العشر الماضية. لكن تم تسجيل وحفظ 0.003٪ فقط من هذه البيانات ؛ كل شيء آخر يضيع إلى الأبد.

من المحتمل جدًا أن يخلق LHC جزيئات جديدة ، وشاهد أدلة على تفاعلات جديدة ، ولاحظ وسجل جميع علامات الفيزياء الجديدة. أيضًا ، نظرًا لقلة معرفتنا بموضوع عمليات البحث ، من الممكن أن نتخلص من كل هذا ونواصل القيام بذلك. أصبح كابوس نقص الفيزياء خارج النموذج القياسي حقيقة واقعة. ومع ذلك ، فإن الكابوس الحقيقي يكمن في الاحتمال المعقول للغاية بوجود فيزياء جديدة ، فقد صممنا الجهاز المثالي لعمليات البحث التي أجريناها ، ووجدناها ، لكننا لم ندرك ذلك ، بسبب قراراتنا وافتراضاتنا. كابوس حقيقي هو أننا نخدع أنفسنا من خلال الاعتقاد في النموذج القياسي ، فقط لأننا درسنا 0.003 ٪ من البيانات المتاحة. نعتقد أننا اتخذنا قرارًا ذكيًا ، مع توفير البيانات المحددة ، لكن لا يمكننا التأكد من ذلك. من الممكن أن نكون نحن أنفسنا ، دون أن نعرف ذلك ، تكبدنا هذا الكابوس.

يمكنك العثور على المزيد من المقالات حول موضوع العلوم الشائعة على موقع Golovanov.net . انظر أيضًا: ما معنى الحياة ؛ لماذا لم تنجح خطة سان فرانسيسكو لاستئصال القمامة ؛ حيث تم اكتشاف بقايا المادة الطبيعية في الكون ، والتي لم يتمكنوا من العثور عليها لفترة طويلة ؛ هل هناك مكان وزمان ؟ كيف يمكن أن نسعى إلى الحياة على كواكب أخرى؟ وسلسلة من المقالات حول علم الكونيات ، " اسأل إيثان ".

أذكرك أن المشروع موجود فقط بفضل دعم القراء (البطاقات المصرفية ، Yandex.Money ، WebMoney ، Bitcoins ، ولكن على الأقل). شكرا لكل من قدم الدعم بالفعل!

يمكنك الآن دعم المشروع من خلال خدمة الاشتراك التلقائي في Patreon !