بعد إنجاز قائمة المهام، يتساءل الفيزيائيون الأمريكيون، “ماذا بعد؟”

بقلم:     أدريان تشو

ترجمة: مي بورسلي

بينما يفكر فيزيائيو الجسيمات الأمريكيون في مستقبلهم، وجدوا أنفسهم ضحايا نجاحهم المفاجئ. فقبل سبع سنوات صاغ المجتمع المنقسم في كثير من الأحيان خريطةَ طريقِ البحث الحالية واصطف حولها. وبفضل هذه الوحدة والميزانيات السخية، فقد بدأت وزارة الطاقة Department of Energy (اختصارا: الوزارة DOE) ، الراعي الأمريكي الرئيسي للمجال، فعليا بكل مشروعٍ تقريبًا في القائمة.

   لذا، في الأسبوع الثاني من أكتوبر 2020، عندما بدأ علماء فيزياء الجسيمات في الولايات المتحدة بطرح أفكار جديدة للعقد القادم في عملية سنوماس Snowmass process التي تستغرق عامًا كاملًا، والتي سُميِّت  في منتجع كولورادو للتزلج حيث أجريت مثل هذه التدريبات مرة واحدة، لم يكن لديهم مشروع كبير واحد يكافحون من أجله (أو ضده). وفي بعض المجالات الفرعية تبدو الخطوات التالية أقل وضوحًا مما كانت عليه قبل عشر سنوات. ويقول يونج-كي كيم Young-Kee Kim من جامعة شيكاغو University of Chicago، رئيس قسم الجسيمات والمجالات في الجمعية الفيزيائية الأمريكية American Physical Society، والذي يرعى تدريب التخطيط: “علينا أن نكون أكثر انفتاحًا حول ماهية فيزياء الجسيمات والفيزياء الأساسية”.

    وقبل عشر سنوات كان مجتمع فيزياء الجسيمات بالولايات المتحدة في حالة من الفوضى. فقد مرت حدود الطاقة العالية إلى المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية سيرن (اختصارا: المنظمة CERN)، مختبر فيزياء الجسيمات الأوروبي European particle physics laboratory بالقرب من جنيف، الذي في عام 2012 اكتشف، أكبر محطم للذرات في العالم، مصادم الهادرون الكبير Large Hadron Collider (اختصارا: المصادم LHC)، بوزون هيغز Higgs boson الذي طال انتظاره، وهو آخر قطعة في النموذج القياسي Standard model لفيزيائي الجسيمات. وبعض الفيزيائيين أرادوا من الولايات المتحدة أن تبني تجربة ضخمة لإطلاق جسيمات مراوغة تسمى النيوترينوات Neutrinos لمسافات طويلة عبر الأرض لدراسة الكيفية التي “تتذبذب” Oscillate بها – تتحول من نوع، من أنواعها الثلاثة، إلى نوع آخر – أثناء انتقالها. وأراد آخرون من الدولة أن تساعد على إنشاء المصادم الكبير التالي.

    وفي عام 2013 وصلت هذه التوترات إلى ذروتها خلال جهود عملية ” سنوماس ” الأخيرة، وكذلك إلى المداولات اللاحقة للجنة تحديد أولويات مشروع فيزياء الجسيمات Particle Physics Project Prioritization Panel (اختصارا: اللجنة P5)، والتي رسمت خريطة الطريق. ووافق باحثون أمريكيون على بناء تجربة النيوترينو، مع جعل التجربة أكبر وأفضل من خلال دعوة شركاء دوليين. كما قرروا مواصلة المشاركة الكاملة في المصادم LHC، ومتابعة مجموعة متنوعة من المشاريع الصغيرة في المنزل (انظر: الجدول). وسيتعين على المصادم التالي الانتظار. والأهم من ذلك، حذّر مسؤولو الوزارة DOE، أن الخلافات يجب أن تتوقف. وفي الواقع، يتذكر الفيزيائيون، كان لعملية 2013 شعار غير رسمي: “العلماء المتشاحنون لا يحصلون على شيء”.

    وقد بدأ الفيزيائيون للتو ببناء الجزء الأساسي من الخطة الحالية.  فمنشأة النيوترينو ذات الحوض الطويل Long- Baseline Neutrino Facility (اختصارا: المنشأة LBNF)، في مختبر مسرع فيرمي الوطني Fermi National Accelerator Laboratory  (اختصارا: المختبر فيرميلاب Fermilab) في إلينوي، ستطلق الجسيمات عبر 1300 كيلومتر من الصخور إلى تجربة النيوترينو العميقة تحت الأرض Deep Underground Neutrino Experiment (اختصارا: التجربة DUNE) في ساوث داكوتا، وهو كاشف مليء بـ 40 ألف طن من السائل المتجمد ” الأرغون”Argon . وتهدف المنشأة LBNF  والتجربة DUNE، اللتان ستبدآن بالعمل في عام 2026، إلى أن تكون الدراسة حاسمة لتذبذبات النيوترينوات وما إذا كانت تختلف عن تذبذبات النوترينوات المضادة Antineutrinos، الأمر الذي قد يساعد على تفسير الكيفية التي يُولِّد بها الكون كميةً أكثر من المادة Matter مقارنة بضديد المادة Antimatter.

   وتقول كيت شولبيرغ Kate Scholberg، الاختصاصية بعلم فيزياء النيوترينو من جامعة ديوك Duke University: “صار الارتياع في مجتمع النيوترينو أقل بكثير مما كان عليه في المرة السابقة، وسيستمر برنامج التجربة DUNE على الأقل حتى 2030”. ومع ذلك، فإن الباحثين يفكرون، بالفعل، في التحسينات التي من الممكن إجراؤها على التجربة ذات 2.6 بليون دولار، كما تشير شولبيرغ.

   وفي مجالات أخرى يبدو المستقبل غير أكيد. ففي المرة الأخيرة، على سبيل المثال، كان للعلماء هدف واضح جدًا للمضي في بحثهم عن جسيمات المادة المعتمة Dark matter- الأشياء غير المعروفة التي يبدو أنها تنتشر في المجرات وتربطها بجاذبيتها. فقد أنشأ الباحثون كاشفات صغيرة تحت الأرض بحثت عن إشارة الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل Weakly interacting massive particles (اختصارا: الجسيمات WIMP)، المرشح الرئيس للمادة المعتمة، والتي تصطدم بالنواة الذرية Atomic nuclei. وكانت الخطة الواضحة هي زيادة قدرة الكاشفات على قياس كتل الجسيمات بالأطنان.

   وحاليا، هناك اثنان من أجهزة الكشف عن الجسيمات WIMP ذات الأطنان المتعددة قيد الإنشاء. ولكن حتى الآن لم تظهر الجسيمات WIMP، وتوسيع نطاق هذه التكنولوجيا “ربما لن ينفع بعد الآن”، كما تقول مارسيل سواريس-سانتوس Marcelle Soares Santos، الاختصاصية بعلم الفيزياء من جامعة ميشيغان University of Michigan في آن أربور. “لذلك نحن بحاجة إلى التفكير أكثر قليلاً خارج المألوف”. إذ يفكر الباحثون الآن في البحث عن أنواع أخرى من جسيمات المادة المعتمة، باستخدام كاشفات جديدة تستغل التأثيرات الميكانيكية الكميةQuantum mechanical effects  لتحقيق مستويات أعلى من الحساسية.

    والسؤال الدائم الموجه إلى المجال هو ما سيكون  عليه مصادم الجسيمات العظيم التالي. ويقول ميناكشي نارين Meenakshi Narain، الاختصاصي بعلم الفيزيائي من جامعة براون Brown

University، إن الحاجة الواضحة هي التمكن من إطلاق الإلكترونات Electrons لتصطدم بالبوزيترونات Positrons لاستخراج بوزونات هيغز الوفيرة لدراسة خصائصها بالتفصيل. ولكن التصاميم الممكنة تختلف. إذ يناقش الفيزيائيون في اليابان إقامة مصنع هيغز بتصميم مصادم إلكترون-بوزيترون خطي Linear electron-positron collider بطول 30 كيلومترًا. في غضون ذلك، فقد بدأت المنظمة CERN بدراسة مصادم دائري طوله 80 إلى 100 كيلومتر. كما أن الصين لديها خطط لمصادم دائري مماثل.

      ومع ذلك، يقول فلاديمير شيلتسيف Vladimir Shiltsev، الاختصاصي بعلم فيزياء المُسرِّعات في المختبر فيرميلاب، إن هذه ليست الخيارات المحتملة الوحيدة. ويضيف قائلا إن: “الصورة الحقيقية أكثر ضبابية”. وقد تلقى منظمو العملية سنوماس ما لا يقل عن 16 اقتراحًا مختلفًا لإنشاء المصادمات، تضمّن أحدها تحطيم الميونات Muon معًا، وهي أبناء عمومة الإلكترونات الأثقل وغير المستقرة، واقتراح آخر يستخدم الفوتونات Photons. ويقول شيلتسيف إنه يجب على المشاركين في عملية ” سنوماس” التفكير في جميع الخيارات.

    ويشير جو ليكين Joe Lykken، نائب مدير الأبحاث في المختبر فيرميلاب، إلى أن علماء الفيزياء يمكنهم حتى دفع الوزارة DOE لدعم تجربة ضخمة لا علاقة لها بالجسيمات: كاشف من الجيل التالي لموجات الجاذبية  (الثقالية) Gravitational waves، أي تموجات الزمكان Space-time التي تصدر نتيجة تصادم أجرام ضخمة مثل الثقوب السوداء. وفي عام 2015 فتح اكتشاف مرصد مقياس التداخل بالليزر Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (اختصارا: المرصد LIGO) هذه الموجات نافذة جديدة على الكون.

   والرصد LIGO يتكون من أداتين بصريتين على شكل حرف L بأذرع بطول 4 كيلومترات في لويزيانا وواشنطن؛ أنشأته المؤسسة الوطنية للعلوم National Science Foundation. ويقول ليكين إن الجيل القادم من أجهزة الكشف الأرضية قد يكون أكبر بعشرة أضعاف، وربما يناسب الوزارة DOE، المتخصصة بالمشاريع العلمية العملاقة. ويقول: “بدأ الأمر يبدو كأنه نوع من الأشياء التي قد تكون الوزارة DOE مهتمة بها وربما تتطلبها”.

     وفي عام 2021 سيعرض المشاركون في عملية ” سنوماس ” أكثر من ألفي فكرة قدمها الباحثون بالفعل في ملخصات من صفحتين. وبعد ذلك، ستصوغ اللجنة P5 خطة جديدة. ومهما كانت الأفكار التي يتوصل إليها العلماء، لتنفيذ خطتهم الجديدة، سيتعين عليهم الحفاظ على الانسجام الذي جعل عملية التخطيط في السنوات الأخيرة نموذجًا يحتذى به في المجالات الأخرى. ويقول جيم سيغريست Jim Siegrist، المدير المساعد لفيزياء الطاقة العالية في الوزارة DOE: “المعيار الجديد بالنسبة إلينا هو أن نكون متوحدين…لذلك علينا أن نستمر بعدم إظهار الانقسام في وجهات النظر وهذا سيكون تحديا”.

©2020, American Association for the Advancement of Science. All rights reserved