أتت الكواشف الإلكترونية بأكثر ثمارها روعة في البيئات التي يستحيل فيها استخدام غرف الفقاعات في مصادمات الحزم التي تتلاطم فيها الجسيمات وجها لوجه داخل أنبوب حزم.

هذه الأجزاء المنفردة مدمجة اليوم داخل كواشف أسطوانية تحيط بنقاط التفاعل في معجلات الجسيمات. يحدث التصادم في المحور المركزي للكاشف، وبينما يندفع الحطام المتطاير فإنه يواجه سلسلة من الكواشف المختلفة، وكلٌّ منها له نطاق تخصصه في التعرف على الجسيمات.

في مصادم الهادرونات الكبير تمر مجموعات من الجسيمات بعضها خلال البعض 40 مليون مرة في الثانية الواحدة، وفي كل مرة تتقابل يقع ما يصل إلى ٢٥ تصادمًا؛ أي إن العدد الإجمالي يصل إلى نحو مليار تصادم في الثانية الواحدة. ومعدل تجميع البيانات الناتجة المطلوب من هذه الكواشف يعادِل في حجمه معالجة المعلومات الخاصة بعشرين مكالمة هاتفية متزامنة من قبل كل رجل وامرأة وطفل على سطح الأرض. تُوضَع كواشف ضخمة عند نقاط التصادم، وسيستكشف الكاشفان المسميان «اللولب المركب للميوون» و «أطلس» نطاق الطاقة الجديد بحثا عن كل أنواع التأثيرات الجديدة، المتوقع منها وغير المتوقع. سيكون الكاشف أطلس بارتفاع خمسة طوابق (20 مترا)، وسيكون قادرًا على قياس مسارات الجسيمات حتى دقة قدرها 0.01 مليمتر.

يتبع كلٌّ من «اللولب المركب للميوون» و «أطلس» البناء الراسخ لكواشف الجسيمات الحديثة. أولاً هناك متتبع المسارات» الذي يحمل اسما ملائما لوظيفته المتمثلة في تسجيل مواضع الجسيمات المشحونة كهربيًّا حتى دقة قدرها جزء على المائة من المليمتر، وهو ما يمكن أجهزة الكمبيوتر من إعادة بناء مسارات الجسيمات، بينما تنحني داخل المجالات المغناطيسية الشديدة. الطبقة الثانية هي مسعر مكون من جزأين، وهو مصمم لاقتناص كل الطاقة الناتجة عن أنواع عديدة من الجسيمات. أما الجزء الداخلي فهو المسعر الكهرومغناطيسي، الذي يحتفظ بطاقات الإلكترونات والفوتونات ويسجلها.

كثيرًا ما يُستخدَم زجاج رصاصي عالي الجودة - أشبه بالآنية البلورية الموجودة في أدوات المائدة - ككاشف؛ وذلك لأن الرصاص الموجود في الزجاج يجعل الإلكترونات والبوزيترونات تشع فوتونات، وأيضًا يجعل الفوتونات تتحول إلى أزواج من الإلكترونات والبوزيترونات. ويكون التأثير الصافي شلالا منهمرًا من الإلكترونات والبوزيترونات والفوتونات، والذي يتواصل إلى أن تتشتت طاقة الجسيمات الأصلية كلها. تتحرك الإلكترونات والبوزيترونات في الزجاج بسرعة أكبر من سرعة الضوء، وتشع ضوء شيرينكوف، الذي تلتقطه أنابيب ضوئية. ويحمل مقدار الضوء المجمع دلالة على مقدار طاقة الجسيمات الأصلية التي دخلت التفاعل.

شكل 6-5: أحد الكواشف في مصادم الإلكترونات - البوزيترونات الكبير وإلى جواره أربعة من العلماء، ويتضح من الصورة حجم الكاشف. ⁴

أيضًا هناك آلاف الأطنان من الحديد تتخللها أنابيب مملوءة بالغاز بهدف التقاط البروتونات والبايونات وغير ذلك من الهادرونات؛ تلك الجسيمات المؤلفة من كواركات. هذا هو «مسعر الهادرونات الذي يحمل هذا الاسم لأنه يقيس طاقة الهادرونات، مثلما يقيس المسعر في مجالات العلم الأخرى الطاقة الحرارية. للحديد الموجود في المسعر هدف مزدوج فعلاوة على إبطاء الهادرونات وحبسها يشكّل الحديد جزءًا من المغناطيس الكهربي المستخدم في إحناء مسارات الجسيمات المشحونة، وهو ما يكشف عن شحنتها ويساعد في تعيين هويتها.

شكل 6-6: آثار من الجسيمات والجسيمات المضادة كما تظهر على شاشة الكمبيوتر. قارن الصورة على شاشة الكمبيوتر بالصورة الفعلية للكاشف في الشكل 6-².5

تتكون الطبقة الخارجية من غرف ميوونات خاصة مهمتها تتبع الميوونات؛ الجسيمات المشحونة الوحيدة القادرة على الاختراق إلى هذا الحد. تشكّل مجموعة مكونات الكاشف منظومة متناغمة مصمّمة لقنص أكبر عدد ممكن من الجسيمات بينما تظهر إلى الوجود من التصادم الحادث في المنتصف. نظريًا، وحدها النيوترينوات المراوغة هي التي يمكنها الهروب من عملية الرصد بشكل كامل، بحيث لا يكون لها أثر على الإطلاق في أي من مكونات الكاشف حيث أنه حتى النيوترينوات تخلف أثرًا يدل على وجودها؛ لأنها تفلت من عملية الرصد مستخدمةً طاقة وزخمًا، وكلاهما يجب أن يظل محفوظا في أي تفاعل.

الكاشف بالكامل مصمم لتسجيل الحطام الناتج عن التصادمات التي تقع بمعدل مليار مرة في الثانية الواحدة. وفي هذا تقدم عظيم مقارنة بالأيام الأولى للغرف السحابية التي كانت قادِرةً على التسجيل مرة واحدة فقط في الدقيقة، أو حتى غرف الفقاعات التي تسجل مرة واحدة كل ثانية.

شكل 7-6 نرى هنا نتيجة فناء الإلكترون والبوزيترون، وتظهر بالصورة ثلاث دفقات من الجسيمات. في البداية، أنتج كوارك وكوارك مضاد، وعلى الفور تقريبا أطلق أحدهما جلوون والكوارك والكوارك المضاد والجلوون هي مصادر الدفقات الثلاث من الجسيمات المرصودة. ²

وبين الحطام الناتج عن هذه التصادمات - على طاقات تتجاوز أي شيء جرى قياسه من قبل في أي معجل جسيمات قائم – تكمن الجائزة في ظاهرة ما غير متوقعة. وكان أعظم الاكتشافات المعلنة في يوليو من عام 2012 اكتشاف بوزون هيجز، لكن هذا الجسيم، وكتلته 125 جيجا إلكترون فولت من المتوقع أن يُنتَج بمعدل جسيم واحد كل 20 مليون مليون تصادم تقريبا. هذا يعني أنه في ضوء ما يصل إلى المليار تصادم في الثانية الواحدة من المفترض أن يظهر بوزون هيجز مرة واحدة في اليوم في كل تجربة يجريها مصادم الهادرونات الكبير. قيل إن العثور على إبرة في كومة من القش أيسر من مشاهدة بوزون هيجز واحد وسط مائة ألف مليار حَدَث آخر، وسيمثل التعرف على بوزون هيجز وتسجيل البيانات الخاصة به وحدها على شريط مغناطيسي تحديا حاسوبيا.

كل هذا يوضّح كيف أن قدرتنا على معرفة أصول المادة وطبيعتها إنما تعتمد على التقدم الحادث على جبهتين: بناء معجلات جسيمات أقوى وأقوى، وتطوير وسائل متقدمة لتسجيل التصادمات.

هوامش

(2) © CERN/Science Photo Library.

(4) © CERN.

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