نهج ثوري لمصادم الهادرونات الكبير

يدرس الباحثون ما إذا كانت جسيمات المادة المظلمة يتم إنتاجها بالفعل داخل نفاثة من جسيمات النماذج الثابتة.

إن وجود المادة المظلمة هو لغز طويل الأمد في عالمنا. تشغل المادة المظلمة حوالي ربع كوننا، لكنها لا تتفاعل بشكل كبير مع المادة العادية. تم تأكيد وجود المادة المظلمة من خلال سلسلة من الملاحظات الفيزيائية الفلكية والكونية، بما في ذلك الصور الحديثة المذهلة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي. ومع ذلك، حتى الآن، لم يتم الإبلاغ عن أي ملاحظة تجريبية للمادة المظلمة. إن وجود المادة المظلمة هو سؤال ظل علماء الطاقة العالية والفيزياء الفلكية حول العالم يحققون فيه منذ عقود.

التقدم في أبحاث المادة المظلمة

“ولهذا السبب نقوم بإجراء أبحاث في العلوم الأساسية ونستكشف أعمق أسرار الكون. مصادم الهادرونات الكبير سيرن يقول البروفيسور ديباك خار من كلية الفيزياء بجامعة ويتواترسراند في جوهانسبرج: “هذه أكبر تجربة تم بناؤها على الإطلاق، ويمكن استخدام تصادمات الجسيمات التي تخلق ظروفًا تشبه الانفجار الكبير للبحث عن تلميحات للمادة المظلمة”. جنوب أفريقيا.

تمثيل رسومي لكيفية ظهور النفاثات شبه المرئية في كاشف ATLAS، إن وجدت. الائتمان: CERN

كان كار، الذي عمل في تجربة ATLAS في CERN، وطالبة الدكتوراه السابقة سوكانيا سينها (الآن باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة مانشستر) رائدين في طريقة جديدة للبحث عن المادة المظلمة. ونشرت دراستهم في مجلة رسائل الفيزياء ب.

نهج جديد لكشف المادة المظلمة

يقول كار: “كانت هناك وفرة من عمليات البحث التصادمية عن المادة المظلمة على مدى العقود القليلة الماضية، مع التركيز على الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل والتي تسمى WIMPs”. “WIMPS هي فئة من الجسيمات التي تم افتراضها لتفسير المادة المظلمة لأنها لا تمتص الضوء ولا تنبعث منه ولا تتفاعل بقوة مع الجسيمات الأخرى. ومع ذلك، بما أنه لم يتم العثور على دليل على وجود WIMPS حتى الآن، فقد أدركنا أن البحث عن المادة المظلمة المسألة تتطلب نقلة نوعية.

الدكتورة سوكانيا سينها والبروفيسور ديباك خار. الائتمان: جامعة ويتس

وقال كار: “ما نتساءل عنه هو ما إذا كانت جسيمات المادة المظلمة يتم إنتاجها بالفعل داخل نفاثة من الجسيمات النموذجية المستقرة”. وأدى ذلك إلى دراسة توقيع كاشف جديد يسمى النفاث شبه المرئي، والذي لم يراه العلماء من قبل.

غالبًا ما تؤدي اصطدامات البروتونات عالية الطاقة، الناتجة عن اضمحلال الكواركات العادية أو الغلوونات، إلى إنتاج رذاذ جماعي من الجسيمات يسمى النفث. تنشأ التدفقات شبه المرئية عندما تتحلل الكواركات المظلمة الافتراضية إلى كواركات النموذج القياسي (جسيمات معروفة) والهادرونات المظلمة المستقرة جزئيًا (“الجزء غير المرئي”). نظرًا لأنه يتم تصنيعها في أزواج، عادةً مع نفاثات إضافية من الطراز القياسي، فإن اختلال الطاقة أو فقدان الطاقة في الكاشف ينشأ عندما لا تكون جميع النفاثات متوازنة تمامًا. غالبًا ما يتوافق اتجاه الطاقة المفقودة مع إحدى النفاثات شبه المرئية.

وهذا يجعل البحث عن النفاثات شبه المرئية أكثر صعوبة، حيث يمكن أن ينشأ توقيع الحدث هذا أيضًا بسبب النفاثات غير المقاسة في الكاشف. تفتح طريقة كار وسينها الجديدة في البحث عن الموضوع اتجاهات جديدة في البحث عن وجود المادة المظلمة.

يقول سينها: “على الرغم من أن أطروحتي للدكتوراه لم تتضمن اكتشاف المادة المظلمة، إلا أنها تضع الحدود العليا الأولى والصارمة لطريقة الإنتاج هذه، وهي بالفعل تشجع على إجراء المزيد من الأبحاث”.

لقد سلط تعاون ATLAS في CERN الضوء على هذا باعتباره أحد النتائج الرئيسية التي ظهرت في المؤتمرات الصيفية.

ملاحظة: بواسطة ATLAS Collaboration، 11 نوفمبر 2023، “استخدم بيانات Run 2 في ATLAS للبحث عن إنتاج عديم الصدى للنفاثات شبه المرئية. رسائل الفيزياء ب.
دوى: 10.1016/j.physletb.2023.138324

تجارب مصادم الهادرونات الكبيرة في أوروبا، مثل مقياس السعرات الحرارية ATLAS الموضح هنا، توفر قياسات دقيقة للجسيمات الأولية. مصدر الصورة: ماكسيميليان برايس، CERN

تجربة أطلس

تعد تجربة ATLAS واحدة من أهم المساعي العلمية في CERN، المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية. وهو جزء أساسي من مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، وهو أكبر وأقوى مسرع للجسيمات في العالم. يقع ATLAS بالقرب من جنيف، وهو اختصار لـ “A Toroidal LHC ApparatuS” ويركز على دراسة الجوانب الأساسية للفيزياء.

تم تصميم ATLAS لاستكشاف مجموعة واسعة من الأسئلة العلمية. فهو يسعى إلى فهم القوى الأساسية التي شكلت عالمنا منذ بداية الزمن والتي تحدد مصيره. ومن بين أهدافها الأساسية دراسة بوزون هيغز، وهو الجسيم المرتبط بمجال هيغز الذي يعطي الجسيمات الأخرى كتلتها. كان اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012، وهو جهد مشترك بين ATLAS وتجربة الملف اللولبي المضغوط CMS، بمثابة إنجاز كبير في الفيزياء.

تبحث التجربة عن علامات لفيزياء جديدة، بما في ذلك الكتلة والأبعاد الإضافية والجسيمات التي يمكن أن تشكل المادة المظلمة. يقوم ATLAS بذلك عن طريق تحليل عدد لا يحصى من الجسيمات الناتجة عندما تصطدم البروتونات بسرعة الضوء تقريبًا داخل LHC.

يعتبر كاشف ATLAS أعجوبة تكنولوجية. وهو ضخم، يبلغ طوله حوالي 45 مترًا، وقطره 25 مترًا، ويزن حوالي 7000 طن. يتكون الكاشف من طبقات مختلفة، كل منها مصممة لاكتشاف أنواع مختلفة من الجسيمات الناتجة عن اصطدام بروتون بروتون. ويشمل مجموعة متنوعة من التقنيات: أجهزة التتبع لتتبع مسارات الجسيمات، والمسعرات الحرارية لقياس طاقتها، ومطياف الميونات لاكتشاف وقياس الميونات، وهو نوع من الإلكترون الثقيل المهم للعديد من دراسات الفيزياء.

البيانات التي يجمعها ATLAS هائلة، وغالبًا ما يتم وصفها بالبيتابايت. يتم تحليل هذه البيانات من قبل مجتمع عالمي من العلماء، مما يساهم في فهمنا للفيزياء الأساسية ويؤدي إلى اكتشافات وتقنيات جديدة.