بوزونات هيجز أم فيزياء جديدة؟

[abu-gamal]

فيزياء غريبة جدًا

إن هذه الأبعاد الإضافية ستسمح بشكل خاص بتفسير لماذا كثافة قوة الجاذبية أضعف بكثير من كثافة القوى الثلاث الأخرى. يقول مخائيل تاتس Michael Tuts من جامعة كولومبيا:
إن الحظوظ بأن يستطيع الـ LHC إثبات وجود هذه الأبعاد الإضافية هي حظوظ ضئيلة، ومع ذلك، فإن الاكتشافات التي سوف تتم من خلال هذا المصادم فائقة الأهمية من حيث كمونها، وكثيرة جدًا، بحيث تعطي للـ LHC طابعًا فائق الإثارة بالنسبة لنا نحن الفيزيائيين.
وكما بالنسبة للإبعاد الإضافية، فليس ثمة أي ضمان بأن يكشف الـ LHC عن ظواهر "غريبة". وهو أمر لا يمثل مشكلة بالنسبة لبعضهم، في حين أن اكتشاف جسيمات هيغز يمثل بذاته نجاحًا هائلاً. "إذا كان جسيم هيغز يمثل فعلاً ما يتوقعه النظريون الفيزيائيون، فإننا سوف نجده" كما يؤكد بيتر جني Peter Jenni، وهو فيزيائي تجريبي في المركز الأوروبي للبحث النووي. ويضيف: "ولن يكون لدينا عندها أي سبب لكي نشعر بخيبة الأمل". ذلك أن الفيزيائيين يتفقون على الأقل على أمر واحد: فبعيدًا عن الجدل الذي سيثار في حال الغياب الكلي لأي اكتشاف من الاكتشافات الهامة المتوقعة، فإن مثل هذا الوضع سوف يكون بذاته مصدرًا للمشاكل، وخاصة لدى الجهات الحكومية التي مولت الـ LHC. يقول جوناثان إليس:
تخيلوا أننا نقف أمام مجلس المركز الأوروبي للبحث النووي ونقول له: شكرًا جزيلاً. لقد أنفقنا مليارات اليورويات لنتوصل إلى أنه ليس ثمة ما نكتشفه في هذا الطيف من الطاقة. إن الإحباط سيكون كبيرًا...
من جهة أخرى، فإن اكتشاف الهيغز، إنما الهيغز وحده، سيعقد كثيرًا جهود الفيزيائيين الذين كانوا يحاولون إقناع حكوماتهم ببناء مصادم الجسيمات الكبير المستقبلي، وهو مشروع يسمى المصادم الخطي الدولي، أو ILC. سيكون هدف هذا المصادم الذي سيكلف نحو 6.5 مليار يورو تحديد مضمون الفيزياء الجديدة التي سوف يعلنها المصادم الحالي LHC. وتقضي الخطة بأن يقوم الـ ILC عبر مصادمة الإلكترونات بمضاداتها من البوزيترونات بإنتاج آثار تصادم أكثر "وضوحًا" قابلة كما يعتقد العلماء لأن تكشف خصائص الجسيمات الجديدة، وهي خصائص سوف تظل محجوبة نسبيًا من خلال مصادمات الـ LHC.
لكن أن يكون الهدف الوحيد من الـ ILC هو فقط دراسة خصائص الهيغز، فإنه سيكون مكلفًا جدًا وسيكون من الأصعب تسويقه لدى الممولين من الحكومات. من جهة أخرى فإننا ننسى عادة في خضم مناقشاتنا لما سوف تسفر عنه التجارب أننا لا نعرف كل شيء يمكن أن تسفر عنه حقًا. ويرى جوس أنجلان Jod Engelen المدير العلمي في المركز الأوروبي للبحث النووي "أن ما سوف نكتشفه سيكون متجاوزًا لكل آمالنا". ربما ما هو أكيد هو أن الجميع يأمل بألا تكون الهيغز آخر الأسئلة والكلمة الأخيرة في المعرفة الفيزيائية!

اختراع فيزياء جديدة

من جهة أخرى ثمة فيزيائيون يتخيلون منذ عدة عقود نظريات أخرى غير تلك المقترنة ببوزونات هيغز. وهم ينتظرون أيضًا تجارب الـ LHC ليضعوا حلولهم على محك التجربة. وفي هذا الإطار وجه السؤال التالي إلى كريستوف غروجين:
- إن الهدف المعلن من LHC هو اكتشاف بوزون هيغز. لكنكم تعملون على نماذج لا توجد فيها هذه الجسيمات. ألا تشعرون قليلاً أنكم معزولين عن المجتمع العلمي للفيزيائيين؟
فأجاب غروجين Christophe Grojean: على الإطلاق. صحيح أن أعمالي تتعلق بنماذج تتجاوز بوزون هيغز – هذا الجسيم "الإعلامي" الطابع منذ عدة سنوات، وخاصة منذ البدء بمشروع الـ LHC. لكن الهدف الأساسي من هذا المصادم الضخم ليس اكتشاف جسيمات هيغز بحصر المعنى. بل يتعلق الأمر بإثبات وجود وأنماط الرابط الذي يوحد اثنين من التفاعلات الأساسية للفيزياء: القوة الكهرمغنطيسية والقوة النووية الضعيفة. تبدو هاتان القوتان للوهلة الأولى مختلفتان جدًا عن بعضهما بعضًا. إن التفاعل الكهرمغنطيسي ذا المدى البعيد بل واللانهائي ينتقل بواسطة جسيمات كتلتها معدومة – هي الفوتونات. أما التفاعل الضعيف فهو ليس محسوسًا إلا على المستوى ما تحت الذري، والجسيمات الناقلة لهذه القوة، أي بوزونات W وZ فلها كتلة مرتفعة جدًا. مع ذلك يقول النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات أن لهاتين القوتين أصل مشترك.
ولكي يُفسِّر كيف انفصلت أو تمايزت القوتان خلال مرحلة بعيدة من تاريخ الكون قام بيتر هيغز Peter Higgs وفرانسوا إنغلرت François Englert وروبرت بروت Robert Brout في عام 1964 ببناء آلية سميت انكسار التناظر الكهرضعيف. ووفقًا لنظريتهم فإن بوزون هيغز، وهو جسيم أولي كبير الكتلة جدًا، ينقل أو يحول أقل كمية من الطاقة من القوة "الكهرضعيفة"، كاسرًا بذلك التناظر الأصلي. غير أن فرضيات أخرى تظل ممكنة لتفسير هذا الشرخ في التناظر، وهذا ما يفعله كريستوف غروجين للبرهان على ذلك مع عدد من النظريين الآخرين. ويقول:
أنا أشعر أنني أعمل على موضوع هو في قلب الاهتمامات الحالية للفيزياء. وأنا سعيد كون الـ LHC سوف يبدأ قريبًا بمراكمة المعطيات لإثبات أو نفي سلسلة من الفرضيات التي صيغت منذ نحو 40 سنة.
كيف نفسر أنه بغياب إثبات تجريبي فإن غالبية الفيزيائيين يعتقدون بوجود بوزونات هيغز؟ هناك أسباب عديدة وراء ذلك. فثمة مجموعة من المؤشرات غير المباشرة التي تم الحصول عليها من المسرعات الأخرى. وهي تدعم أو تظل على الأقل متوافقة مع وجود جسيمات هيغز. إضافة إلى ذلك لا تزال جسيمات هيغز حتى اليوم مع الآلية المرتبطة بها هي الفرضية الأكثر بساطة لتفسير كيفية حصول الشرخ في التناظر. و"البساطة" لها ميزات من مستوى إبستمولوجي، حتى وإن كان من المهم أن نشير هنا إلى أن الآلية التي نحن بصددها صيغت بطريقة مناسبة من أجل جعل انكسار التناظر ممكنًا. إن بوزونات هيغز تقدم تفسيرًا لكتلة البوزونين W وZ، ثم إلى كتلة جسيمات أولية أخرى. ولهذا فقد استرعت هذه النظرية اهتمام الفيزيائيين بسرعة، لأنهم في الماضي كانوا يواجهون دائمًا صعوبات غير قابلة للحل. مع ذلك فهي ليست نظرية كاملة تخلو من نقاط الضعف، وجسيمات الهيغز تطرح من الأسئلة بمقدار ما تحل منها وتجيب عليها.
مثال ذلك أن كافة الأجسام الكوانتية تتميز بخاصية جوهرية تسمى اللف الذاتي، حيث يأخذ هذا اللف قيمًا مختلفة كاملة أو نصف كاملة. ولطبيعته يجب أن يكون اللف الذاتي لبوزون هيغز معدومًا. غير أننا لا نعرف حتى الآن أي جسيم أولي يملك مثل هذه الميزة (رغم أنه ليس ثمة ما يمنع ذلك بالنسبة لجسيمات مركبة). إن مثل هذه النقاط النظرية الغريبة وغير المفسَّرة هي التي دفعت وتدفع اليوم أيضًا بعض الفيزيائيين لمحاولة التخلي عن بوزونات هيغز وطرح أفكار جديدة.
ونتابع ......

[abu-gamal]

ما هي أهم هذه المحاولات؟

تم تطوير إحدى هذه المحاولات أو الفرضيات في نهاية السبعينيات من القرن الماضي، واعتبرت لفترة على أنها الحل الأكثر مصداقية، وكان وراءها ليونار سوسكيند Leonard Susskind، من جامعة ستانفورد، وستيفن واينبرغ الحائز على جائزة نوبل للفيزياء في عام 1979. سميت النظرية technicouleur، وهي تستلهم من الكروموديناميكا الكمومية – أي النظرية التي تصف التفاعل الشديد – لكي تدخل قوة جديدة تظهر عند مستويات عالية جدًا من الطاقة. وتطرح هذه النظرية هي أيضًا وجود جسيمات مماثلة للكواركات: وهي تتفاعل بقوة شديدة فيما بينها بحيث تشكل مجموعة يفترض أن تلعب دورًا مشابها لدور بوزون هيغز. وعندها فإن هذا الأخير لا يعود مجرد جسيم أولي، بل جسمًا مركبًا مؤلفًا من techniquarks – تمامًا كما أن بروتونات ونترونات النواة الذرية تتألف هي نفسها من كواركات. وكانت بعض تنبؤات هذه النظرية قابلة للتحقق، مثل وجود غمامة من جسيمات جديدة ذات طاقة عالية جدًا. ولكن في التسعينيات من القرن الماضي لم يكشف المصادم السلف للـ LHC (وكان يسمى LEP) عن أي أثر لهذه الجسيمات في طيف الطاقة المنتظر. وبعدها تم توسيع هذه النظرية في نماذج عديدة. وسميت إحداها هيغز الصغير Little Higgs وقد طورت بدءًا من عام 2002 من قبل فيزيائيين في جامعة هارفرد مثل هوارد جيورغي Howard Georgi. وهي تحل المسائل الناجمة عن وجود هذه الغمامة من الجسيمات وهي إحدى النظريات التي يجب أن يمكن التحقق منها في الظروف التجريبية للمصادم LHC.
أما كيف توصل كريستوف غروجين إلى بلورة نظرية لا وجود فيها لبوزون هيغز، فيقول:
أنهيت أطروحتي في عام 1999، في وقت كانت تجري فيه أبحاث كثيرة حول الأبعاد الإضافية الافتراضية للزمكان، والتي أدخلت من أجل حل سلسلة من المسائل التي واجهت الفيزيائيين. وتضاف هذه الأبعاد للأبعاد المكانية الثلاثة والبعد الرابع الزمن. ويمكن أن نشبه ذلك بالمثال التالي: يظهر طريق من السماء بشكل خط في بعد واحد. ولكنه عندما يقترب نلاحظ أن كل سيارة عليه تنتقل في بعدين، طولاني وعرضي لكي تتحقق إمكانية التجاوز على الطريق. وينطبق الأمر على هذه الأبعاد الإضافية. فهي تكون مرصوصة أو منطوية على نفسها، وتصبح محسوسة فقط على مستويات فائقة الصغر وعند مستويات من الطاقة فائقة الارتفاع. وكان الفيزيائيون الذين التقيتهم في بركلي خلال دراستي يستخدمون هذه الأبعاد من أجل محاولة توحيد كافة القوى الأساسية. وعند عودتي إلى فرنسا، جاءتني فكرة عملت عليها مع عدد من زملائي الأمريكيين القدماء، وهي استخدام بعض الأدوات النظرية الناجمة عن هذه الأعمال في دراسة انكسار التناظر الكهرضعيف. وهكذا بدأنا في عام 2003 بوضع نموذج أصيل لا وجود فيه لبوزون هيغز. ومذاك ونحن نعمل على صقل هذه النظرية، التي لاقت قبولاً في المجتمع العلمي على الأقل على المستويين الفيزيائي والرياضي.
يتابع كريستوف غروجين قائلاً:
إننا نفترض وجود بعد خامس مدمج في الزمكان. وهو يمثل هندسة قطعية حيث تنتقل على امتدادها جسيمات كوانتية. كان أينشتين قد بين في صيغته المعروفة E = mc2 أن الطاقة والكتلة والدفع هي قيم مرتبطة فيما بينها. وبالتالي فلا شيء يمنع أن نترجم حركة جسيم على طول بعد إضافي كجزء من كتلته، تمامًا كما يظهر في زمكاننا الرباعي الأبعاد. وبشكل أدق، فإن هذه الكتلة تكون محددة وفق الطريقة التي يسلك فيها الجسيم على أطراف البعد الخامس. إذ يمكن مثلاً أن يقفز بشكل عنيف فوقه أو يمكن أن يتم "امتصاصه"، إلخ. وأشكال السلوك هذه عندما ننظر إليها من منظور الفيزياء الكوانتية تشكل تكميمًا لطيف الكتلة عند قيم محددة. وهكذا مع حفاظنا على مكتسبات النموذج المعياري فإنه من الممكن إعطاء كتلة للبوزونين W وZ كما وللجسيمات الأخرى دون اللجوء إلى الجسيم الافتراضي المسمى هيغز.

كيف يمكن اختبار هذه النظرية تجريبيًا؟

لسنا ننتظر أن يكشف المصادم LHC عن وجود البعد الخامس الافتراضي، لأن مستوى الطاقة الذي سيصل إليه المصادم، مهما كان عاليًا، سيظل غير كاف. بالمقابل، فإن أحد تنبؤات نظريتنا هو أنه ستوجد جسيمات تملك الخصائص الكوانتية نفسها للبوزونين W وZ، إنما كون أكثر ثقلاً بكثير وأكثر طاقة، حيث تقاس بين 500 و1000 مليار إلكترونفولط. إن هذه الجسيمات تحتل مكانة مركزية في هذه النظرية طالما أنها تلعب دورًا مماثلاً لدور جسيمات هيغز. وقد يمكن اكتشاف هذه الجسيمات، إذا كانت موجودة، بعد مضي سنتين على إقلاع وعمل الـ LHC.
لقد حاولنا أن نأخذ بعين الاعتبار مجمل الفرضيات المطروحة، وبينها عدم وجود جسيمات هيغز، ثم طورنا حلولاً بديلة. لكنني مع ذلك لن أصاب بالإحباط إذا ما أعلن عن اكتشاف جسيمات هيغز. والحقيقة أن هذه اللحظات من الترقب والانتظار التي يعيشها المجتمع العلمي لحظات لا تعوض، لأنها تكون عادة على تخوم الاكتشافات الجديدة. وهي لا تتكرر إلا خلال بضعة عقود.
ونتابع ....

[abu-gamal]

ما بعد الـ LHC

يتفق مجمل فيزيائيو العالم على بناء المسرع المستقبلي للجسيمات المرجو إطلاقه في عام 2020. وهو يسمى ILC، وهو مصادم خطي حيث ستصادم فيه الإلكترونات والبوزيترونات. فقد وقع 1800 فيزيائي من 325 مؤسسة علمية من العالم كله على ILC Reference Design Report. وهو تقرير من أربعة مجلدات يحدد صفات المصادم الخطي الدولي المستقبلي International Linear Collider ILC. يبلغ طول هذا المصادم 31 كلم. وعلى الرغم من أنه لم يقرر بعد بشكل رسمي ولم يمول، كما لم يحدد موضعه، لكن الفيزيائيين يأملون البدء بالعمل به في عام 2020.
لا تتصادم البروتونات في هذا المسرع كما في LHC، بل إلكترونات وجسيمات المضادة، البوزيترونات. وذلك بطاقة تتراوح بين 0.5 و1 ترا إلكترونفولط. ونعلم أن 1 تيرا إلكترونفولط تساوي 1000 جيغا إلكترون فولط، الذي يساوي مليار إلكترونفولط، وهي واحدة لقياس الطاقة والكتلة. وبالتالي فإن التصادمات فيه ستكون أقل شدة مما في LHC حيث تبلغ 14 تيرا إلكترون فولط. لكنها بالمقابل سوف تكون أكثر خصوبة. فالتصادم بين بروتونين، وهما عبارة عن تجمع من الكواركات والغليونات، هو تصادم معقد جدًا. ومن بين العديد من التصادمات التي تتم بشكل متزامن فإن التصادم الذي يمكن أن يهم العلماء يكون مشوشًا بسبب التصادمات الأخرى بين الجسيمات. أما الوضع في الـ ILC فسيكون أكثر "نظافة وترتيبًا" بكثير طالما أن الإلكترون والبوزيترون هما جسيمين أوليين. فالتصادمات تحصل الواحد بعد الآخر.
من إشكاليات هذا المصادم الجديد أنه لن يكون على شكل حلقة مثل LHC. ذلك أن الإلكترونات الأخف بكثير من البروتونات تفقد طاقة أكبر بكثير من الإشعاع السينكروتروني (وهو إشعاع كهرمغنطيسي يصدر وفق معادلات مكسويل من كل جسيم وفق حركة غير منتظمة) ما أن نجبرها على اتخاذ مسار دائري. لم يكن ذلك مزعجًا في بناء المسرع القديم LEP (Large Electron-Position) بطاقة 200 جيغا إلكترونفولط في المركز الأوروبي للبحث النووي، لكن الخسارة في الطاقة تصبح أكبر بكثير عندما نريد الوصول إلى تصادمات بطاقة على الأقل 500 جيغا إلكترون فولط.
ولهذا سوف يكون ILC مجمعًا من مسرعين ضخمين مستقيمين ومتواجهين. وسوف تسرَّع فيه الإلكترون والبوزيترونات كل منها من جهة بواسطة حقول كهربائية في التجاويف المبنية الواحد خلف الآخر على امتداد أكثر من 15 كلم. ولكي يمكن الوصول إلى نسب من التصادمات كافية لدراسة الظواهر الأكثر ندرة بعدد مقبول من السنوات، فإن حزم الجسيمات يجب أن تكون مركزة بشكل فائق على نقطة التصادم: أي على عرض أقل من 1 ميكرومتر وسماكة 6 نانومتر.

وبهذا يكون قد اكتمل الموضوع وارجو لكم جميعا المتعة والفائدة ، ولا تنسونا من صالح دعائكم .
في أمان الله .