إنجاز تاريخي في كشف القوى الأساسية للكون في مصادم الهدرونات الكبير

باحثون في جامعة روتشستر يعملون مع تعاون CMS في سيرنلقد حققنا تقدمًا كبيرًا في قياس زاوية خلط الكهروضعيفة، مما عزز فهمنا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

يساعد عملهم في تفسير القوى الأساسية للكون، بدعم من التجارب مثل تلك التي أجريت في مصادم الهدرونات الكبير والتي تتعمق في الظروف المشابهة لتلك التي حدثت بعد الانفجار العظيم.

كشف الأسرار الكونية

في السعي إلى فك رموز أسرار الكون، شارك باحثون من جامعة روتشستر لعقود من الزمن في تعاون دولي في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، المعروفة باسم سيرن.

بناءً على مشاركتهم الواسعة في سيرن، وخاصة في إطار التعاون CMS (ملف لولبي مضغوط للميون)، حقق فريق روتشستر – بقيادة آري بوديك، أستاذ الفيزياء جورج إي. باك – إنجازًا رائدًا مؤخرًا. يركز إنجازهم على قياس زاوية الاختلاط الكهروضعيف، وهو عنصر أساسي في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يصف هذا النموذج كيفية تفاعل الجسيمات ويتنبأ بدقة بمجموعة كبيرة من الظواهر في الفيزياء وعلم الفلك.

يقول بوديك: “إن القياسات الحديثة لزاوية خلط القوى الكهروضعيفة دقيقة بشكل لا يصدق، حيث تم حسابها من خلال تصادمات البروتونات في سيرن، كما أنها تعزز فهم فيزياء الجسيمات”.

ال التعاون في نظام إدارة المحتوى يجمع مشروع CMS Collaboration أعضاء مجتمع فيزياء الجسيمات من مختلف أنحاء العالم لفهم القوانين الأساسية للكون بشكل أفضل. بالإضافة إلى Bodek، تضم مجموعة روتشستر في مشروع CMS Collaboration المحققين الرئيسيين ريجينا ديمينا، أستاذة الفيزياء، وأران جارسيا بيليدو، أستاذ مشارك في الفيزياء، إلى جانب زملاء أبحاث ما بعد الدكتوراه وطلاب الدراسات العليا والجامعية.

لدى باحثي جامعة روتشستر تاريخ طويل من العمل في سيرن كجزء من تعاون Compact Muon Solenoid (CMS)، بما في ذلك لعب أدوار رئيسية في اكتشاف بوزون هيغز عام 2012. حقوق النشر: صامويل جوزيف هيرتزوغ؛ جوليان ماريوس أوردان

إرث الاكتشاف والابتكار في سيرن

يقع مختبر سيرن في جنيف بسويسرا، وهو أكبر مختبر لفيزياء الجسيمات في العالم، ويشتهر باكتشافاته الرائدة وتجاربه المتطورة.

لدى باحثي روتشستر تاريخ طويل من العمل في سيرن كجزء من تعاون CMS، بما في ذلك لعب أدوار رئيسية في اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012– جسيم أولي يساعد في تفسير أصل الكتلة في الكون.

يتضمن عمل التعاون جمع وتحليل البيانات المجمعة من كاشف الملف اللولبي الميوني المدمج في مصادم الهدرونات الكبير التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، وهو أكبر وأقوى مسرع للجسيمات في العالم. يتكون مصادم الهدرونات الكبير من حلقة بطول 17 ميلاً من المغناطيسات الفائقة الموصلية وهياكل تسريع مبنية تحت الأرض وتمتد على طول الحدود بين سويسرا وفرنسا.

الغرض الأساسي من LHC هو استكشاف اللبنات الأساسية للمادة والقوى التي تحكمها. ويحقق ذلك من خلال تسريع حزم البروتونات أو الأيونات إلى سرعة تقترب من سرعة الضوء وتصادمها ببعضها البعض عند طاقات عالية للغاية. وتعيد هذه الاصطدامات خلق ظروف مماثلة لتلك التي كانت موجودة بعد أجزاء من الثانية من الانفجار العظيم، مما يسمح للعلماء بدراسة سلوك الجسيمات في ظل ظروف قاسية.

تفكيك القوى الموحدة

في القرن التاسع عشر، اكتشف العلماء أن القوى المختلفة للكهرباء والمغناطيسية مترابطة: فالمجال الكهربائي المتغير ينتج مجالاً مغناطيسياً والعكس صحيح. وقد شكل هذا الاكتشاف الأساس لعلم الكهرومغناطيسية، الذي يصف الضوء كموجة ويشرح العديد من الظواهر في مجال البصريات، إلى جانب وصف كيفية تفاعل المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

وبناءً على هذا الفهم، اكتشف الفيزيائيون في ستينيات القرن العشرين أن الكهرومغناطيسية مرتبطة بقوة أخرى ـ القوة الضعيفة. وتعمل القوة الضعيفة داخل نواة الذرات وهي مسؤولة عن عمليات مثل الاضمحلال الإشعاعي وتغذية إنتاج الطاقة في الشمس. وقد أدى هذا الاكتشاف إلى تطوير نظرية الكهروضعيفة، التي تفترض أن الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة هما في الواقع تجليات منخفضة الطاقة لقوة موحدة تسمى التفاعل الكهروضعيف الموحد. وقد أكدت اكتشافات رئيسية، مثل بوزون هيغز، هذا المفهوم.

التطورات في التفاعل الكهروضعيف

أجرى فريق CMS مؤخراً أحد أكثر القياسات دقة حتى الآن فيما يتعلق بهذه النظرية، وذلك من خلال تحليل مليارات من تصادمات البروتونات في مصادم الهدرونات الكبير في سيرن. وكان تركيزهم على قياس زاوية الاختلاط الضعيفة، وهي المعلمة التي تصف كيف تمتزج الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة معاً لتكوين الجسيمات.

لقد أثارت القياسات السابقة لزاوية الاختلاط الكهروضعيف جدالاً داخل المجتمع العلمي. ومع ذلك، فإن النتائج الأخيرة تتوافق بشكل وثيق مع التوقعات من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. قام طالب الدراسات العليا في روتشستر رايس تاوس وزميله في أبحاث ما بعد الدكتوراه أليكو خوخونايشفيلي بتنفيذ تقنيات جديدة لتقليل عدم اليقين المنهجي المتأصل في هذا القياس، مما أدى إلى تعزيز دقته.

إن فهم زاوية الاختلاط الضعيفة يلقي الضوء على كيفية عمل القوى المختلفة في الكون معًا على أصغر المقاييس، مما يعمق فهم الطبيعة الأساسية للمادة والطاقة.

يقول بوديك: “لقد عمل فريق روتشستر على تطوير تقنيات مبتكرة وقياس هذه المعلمات الكهروضعيفة منذ عام 2010 ثم تنفيذها في مصادم الهدرونات الكبير. لقد بشرت هذه التقنيات الجديدة بعصر جديد من اختبارات الدقة لتوقعات النموذج القياسي”.

إن تعاون CMS هو تعاون علمي دولي مسؤول عن تجربة الملف اللولبي المضغوط للميون (CMS) في مصادم الهدرونات الكبير التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN). ويضم هذا التعاون أكثر من 4000 عالم من أكثر من 200 مؤسسة و50 دولة، ويجري أبحاثًا في مجال الفيزياء عالية الطاقة، ويستكشف الجسيمات والقوى الأساسية، بما في ذلك الاكتشاف الشهير لبوزون هيغز في عام 2012.