في المعالج الخطي الموجه صوب هدف ساكن، يندفع الحطام الناتج عن عملية التصادم إلى الأمام، تماما مثلما تندفع السيارة إلى الأمام حين تصطدم بها سيارة أخرى من الخلف. وحين تصطدم حزمة الجسيمات بهدف ساكن تتحول طاقة الحزمة المكتسبة بعد جهد جهيد إجمالًا إلى طاقة حركة - جسيمات متحركة في الهدف - ومن ثُمَّ فهي تُهدر بالأساس. يتم التغلُّب على هذه المشكلة إذا جعلنا الجسيمات تتصادم مباشَرَةً وجها لوجه، بحيث يمكن أن تستهلك طاقتها في التفاعل بينها. في مثل هذا التصادم يتطاير الحطام في كل اتجاه، ويعاد توزيع الطاقة معه، فلا «يُهدَر» شيء عند جعل الكتل الساكنة تتحرك.

هذه الأمور كانت واضحةً لبناة المعجلات منذ وقت بعيد يرجع إلى أربعينيات القرن العشرين، حيث أن الأمر استغرق عشرين عامًا حتى تتخذ مصادمات الجسيمات شكلها، وخمسة عشر عامًا أخرى حتى تصير الشكل المهيمن من معجلات الجسيمات، وهو ما استمرت عليه إلى اليوم. المشكلة هي أن الجسيمات تميل إلى أن يخطئ بعضها بعضا، وفقط خلال الثلاثين عاما الماضية صارت التقنيات قابلة للتطبيق.

كان التطبيق الأساسي هو تمكين حدوث التصادمات بين الجسيمات والجسيمات المضادة، وبالأساس بين البروتونات والبروتونات المضادة، أو الإلكترونات والبوزيترونات.

البروتونات مجموعة من الكواركات والبروتونات المضادة بالمثل مجموعة من الكواركات المضادة. وبكتلة تبلغ نحو ألفي مرة قدر كتلة الإلكترون، تعاني البروتونات والبروتونات المضادة فقدًا أقل في الإشعاع السينكروتروني، كما أنها تصطدم بقوة أكبر. ومن ثَمَّ فقد صارت الخيار الأساسي عندما يكون الهدف هو الوصول إلى طاقات أعلى غير مكتشفة من قبل. كان هذا هو الحال عام 1983 حين قادت الاصطدامات المباشرة بين البروتونات والبروتونات المضادة في سيرن إلى اكتشاف كل من البوزون W ^±  والبوزون ⁰Z، اللذين يحملان القوة النووية الضعيفة. ومع هذا، كانت الاصطدامات تؤدي إلى الكثير من الحطام، وكان العثور على البوزون W والبوزون Z أشبه بمحاولة العثور على إبرة في كومة من القش. إن طاقة البروتون موزعة بين الكواركات المكونة له، ومن قبيل المصادفة أن تكون طاقة الكوارك المنفرد الذي يقابل كواركا مضادا مساوية لتلك المطلوبة لتكوين البوزون ⁰Z أو البوزون W ^±. رغم ذلك، فهذه الجسيمات ظهرت مرةً في المليون كحالات خاصة في مجموعة الصور الملتقطة للتصادمات. تمثل التحدي وقتها في إنتاج بوزون ⁰Z على نحو منتظم دون ذلك الحطام المربك غير المرغوب فيه، وقد أمكن فعل هذا فقط عن طريق ضبط حزمة من الإلكترونات والبوزيترونات بحيث تكون في مستوى الطاقة المرغوب. وقد أدى هذا إلى بناء مصادم الإلكترونات - البوزيترونات الكبير. ومن الممكن توضيح التحديات الفنية التي تكتنف التجارب المجراة باستخدام هذه المعجلات من خلال دراسة حالة مصادم الإلكترونات البوزيترونات الكبير.

حين بدأ مصادم الإلكترونات - البوزيترونات الكبير العمل في تسعينيات القرن العشرين كانت مجموعات رفيعة للغاية من الإلكترونات يمر بعضها من خلال بعض في قلب الكواشف كل 22 ميكروثانية (22 جزءًا على المليون من الثانية). ورغم احتواء كل مجموعة على نحو مليون مليون إلكترون، إلا أنها كانت مشتتة؛ لذا كان التفاعل بينها شحيحا. وقد كان التصادم المثير للاهتمام - أو «الحدث» - يقع مرةً واحدةً فقط كل أربعين مرة أو نحو ذلك، تمر فيها مجموعات الإلكترونات بعضها ببعض. تمثل التحدي في تحديد الأحداث المثيرة للاهتمام وتجميعها، وعدم تفويتها أثناء تسجيل أي أحداث أخرى متواضعة الأهمية. كان «زناد» إلكتروني يستجيب لأولى الإشارات الآتية من التصادم من أجل أن «يقرّر» في غضون 10 ميكروثانية ما إذا كان شيء يستحق الاهتمام قد وقع. وإذا كان الحال كذلك، يتم البدء في عملية القراءة وجمع المعلومات من كل أجزاء الكاشف، وتعيد شاشة الكمبيوتر بناءً نمط مسارات الجسيمات وتبين أين ترسبَتِ الطاقة في الكاشف.

في الوقت الحالي، يجري بناء مصادم للبروتونات والأنوية الذرية ليحل محل مصادم الإلكترونات - البوزيترونات الكبير. هذا هو «مصادم الهادرونات الكبير». سيعجل هذا المصادم البروتونات إلى طاقة مقدارها 8 ملايين مليون إلكترون فولت (8 تيرا إلكترون فولت) لكل حزمة بحيث تصطدم بطاقة إجمالية قدرها 16 تيرا إلكترون فولت. هذا يساوي نحو مائة مرة مقدار الطاقة الناتجة عن تصادمات مصادم الإلكترونات-البوزيترونات الكبير، ويساوي نحو عشر مرات مقدار الطاقة الناتجة عن تصادمات البروتونات والبروتونات المضادة في فيرميلاب.

في هامبورج هناك مصادم فريد غير متناظر، وفيه تصطدم حزمة من البروتونات بحزمة من الإلكترونات أو البوزيترونات والتصادمات الناتجة تمكن من استكشاف البنية الداخلية للبروتونات، والكواركات، وصولاً إلى مسافات قدرها 10^-19 أمتار.

مواضيع ذات صلة

Normal modes

Waves in three dimensions

Probability amplitudes for particles

The random walk

Nuclei and particles

الزخات الهوائية Air Showers

النيوترينات Neutrinos

النيوكليونات Nucleons

النوى الثقيلة Heavy Nuclei

المركبة الكهرومغناطيسية

الميونات Mouns

الأشعة الكونية الثانوية Secondary Cosmic Rays