أليكسي جوسكوف: سيساعد مصادم NICA في حل لغز دوران البروتون

الدوران هو الزخم الزاوي الجوهري لجسيم أولي، وهو غير مرتبط بدورانه. إنها خاصية كمومية داخلية متكاملة للجسيم، إلى جانب الكتلة والشحنة، وليس لها نظير كلاسيكي. إن دوران الإلكترونات والنوى هو الذي يحدد بنية الأغلفة الإلكترونية للذرات، وفي النهاية الخصائص المغناطيسية للمادة. بفضل الدوران، أصبح لدينا التصوير بالرنين المغناطيسي، وأجهزة الكمبيوتر الكمومية، وعلم الفلك الراديوي بطول موجة يبلغ 21 سنتيمترًا. – أليكسي فياتشيسلافوفيتش، يعرف الكثير من الناس ما هو مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، ولكن لا يعرف الكثير حتى في بلدنا عن مصادم NICA. أحيانًا يطلق عليه الصحفيون لقب الأخ الأصغر لباك. هل هذا صحيح؟ إذا لم يكن كذلك، ما هو الفرق بين الإعدادين؟ – لنبدأ من بعيد لنفهم ما هو المصادم. تدرس فيزياء الجسيمات تفاعلات الجسيمات. إن جعلهم يتفاعلون هو الخطوة الأولى في أي تجربة. درست فيزياء الجسيمات في مهدها تفاعل الأشعة الكونية في الغلاف الجوي. لقد كان مثل هذا المختبر الطبيعي. تم اكتشاف الجسيمات الأولى – الكاونات والميونات والميزونات – هناك. Alexey Guskov / © فلاديمير كوستنكوف، خدمة الصحافة TSU منذ أواخر الأربعينيات وأوائل الخمسينيات من القرن العشرين، ظهرت أداة جديدة – مسرع، حيث يتم تسريع شعاع الجزيئات إلى طاقات عالية بما فيه الكفاية ويضرب الهدف، ويتم دراسة ما يحدث. وهذا لم يختفي، ولا تزال هذه الطريقة موجودة حتى يومنا هذا، بل إنها تتمتع بمزاياها. ثم ظهرت طريقة ثانية. بالمناسبة، كان معهد الفيزياء النووية SB RAS (نوفوسيبيرسك) من أوائل من قاموا بإنشاء مصادم، أي مسرع حيث تدور شعاعان تجاه بعضهما البعض وتتصادمان في مرحلة ما. أي أنه ليس الشعاع مع الهدف هو الذي يتفاعل، بل الشعاع مع الشعاع. أثناء اصطدام الشعاع بالهدف، يتحرك مركز كتلة النظام، وبسبب قوانين الحفظ، لا يمكن تحويل طاقة حركة مركز الكتلة إلى طاقة ولادة جسيمات جديدة. في المصادمات، أثناء التصادم المتماثل لحزمتين متصادمتين من جسيمات متطابقة، يكون مركز الكتلة ثابتًا، وتكون الطاقة المتاحة لإنشاء جسيمات جديدة أكبر بكثير. يتم تقدير المصادمات لأنها تسمح بتحقيق طاقات تصادم أعلى بكثير باستخدام نفس طاقات الحزمة. على سبيل المثال، بالنسبة لمصادم LHC، الذي تبلغ طاقة شعاعه سبعة جيجا إلكترون فولت، إذا تم إخراج هذا الشعاع ببساطة إلى هدف ثابت، فإن الطاقة المتاحة لإنشاء جسيمات جديدة ستكون 115 جيجا إلكترون فولت. وإذا اصطدم الشعاعان، فإن الطاقة المنتجة ستكون 14 تيرا إلكترون فولت، أي أعلى بنحو 130 مرة. يتم تقييم المصادمات على وجه التحديد لهذا الغرض. هناك الكثير من هذه المنشآت في العالم. وفي روسيا، NICA بعيدة كل البعد عن المصادم الأول، كما قلت سابقًا، بدأ كل شيء في نوفوسيبيرسك. ومع ذلك، لا يمكن القول إن مصادم الهادرونات الكبير جيد والمنشآت منخفضة الطاقة سيئة. كل مصادم مصنوع لأغراضه الخاصة. على سبيل المثال، تملأ مصادمات الإلكترون والبوزيترون مكانتها. يتم أيضًا إجراء الاكتشافات معهم، لكنها مريحة جدًا لإجراء قياسات دقيقة للظواهر المعروفة بالفعل. آلات الهادرون هي بالأحرى آلات اكتشاف. يمكنك ملاحظة شيء جديد عليها لأول مرة، ودراسته إما على الجيل التالي من الآلات، أو على منشآت الإلكترون والبوزيترون. إذا تحدثنا عن مصادم الهادرونات الكبير، فهو آلة كلاسيكية تهدف إلى التقدم في مجال الطاقة. تتطور فيزياء الجسيمات الحديثة لدينا بطريقة تجعلنا نبحث عن شيء جديد، يتحرك بشكل أساسي في اتجاهين: إما أن نذهب إلى طاقات أعلى من أي وقت مضى ونحاول إنشاء جسيمات من المستحيل ببساطة مراقبتها عند الطاقات المنخفضة، أو نبحث عن عمليات أكثر ندرة على نحو متزايد. ولهذا الغرض، تقوم البشرية ببناء منشآت شديدة الحساسية. أنها تجعل من الممكن دراسة بعض الاضمحلال النادر. على سبيل المثال، اضمحلال البروتون، الذي يتجاوز عمر الكون بعدة مراتب من حيث الحجم. ويحتل مصادم الهادرونات الكبير مكانة خاصة في هذا النهج. هناك ما يسمى بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، والذي يصف بنجاح التفاعلات الثلاثة التي نواجهها على المستوى الجزئي – الكهرومغناطيسي، والقوي، والضعيف. لقد تم بناؤه، وهو يعمل. الجميع لا يحبونها لأنها قبيحة ولديها الكثير من المعلمات المجانية. كان الهدف الرئيسي لمصادم الهادرونات الكبير (LHC) هو الوصول إلى فيزياء تتجاوز هذا النموذج القياسي. تم البحث عن بوزون هيغز كتأكيد، واللمسة الأخيرة للنموذج القياسي، وقد نجح العلماء في التعامل مع هذا الأمر. لكن لا أحد يرى الفيزياء خارجها حتى الآن. الآن دعنا نعود إلى مصادم NICA. هذه الآلة لأغراض مختلفة تمامًا. إحدى مهامه الرئيسية هي حل لغز أزمة دوران البروتون. أليكسي جوسكوف / © فلاديمير كوستينكوف، الخدمة الصحفية لـ TSU – ما هذا؟ – يتكون البروتون من ثلاثة كواركات والجلونات التي تربطهم. إن دوران جسيمات الكواركات معروف. كان من المفترض سابقًا أن دوران البروتون يساوي مجموع دوران ثلاثة كواركات. لكن عندما ظهرت تقنيات تقيس بشكل أو بآخر دوران البروتون، تبين أن مساهمة الكواركات في هذه القيمة لا تتجاوز 30%. ما الذي تم تضمينه في الـ 70 بالمائة المتبقية؟ دوران الغلوون ودوران مادة الكوارك-غلوون داخل البروتون. لكننا لا نفهم تمامًا كيف ولماذا يدور البروتون. نحن نفهم الخصائص الأخرى للبروتون بشكل مشروط للغاية: لماذا يمتلك مثل هذا الحجم والكتلة واللحظة المغناطيسية، ولا يمكننا استنتاجها من المبادئ الأولى لنظرية التفاعل القوي. NICA هي آلة تركز بالكامل على دراسة خصائص القوة القوية. بالإضافة إلى دراسة بنية دوران البروتون، فإن مهمته هي دراسة سلوك المادة النووية في ظل ظروف درجات الحرارة القصوى والكثافة أثناء تصادم النوى الثقيلة. لا يحتوي هذا المصادم على طاقة عالية جدًا، لكن هذه هي بالضبط الطاقة المطلوبة. تم عقد اجتماع للتعاون الدولي في SPD، الذي يعمل على إعداد تجربة كاشف فيزياء الدوران في مصادم NICA، في جامعة ولاية تومسك. جاء علماء من روسيا وبيلاروسيا ومصر والصين ودول أخرى إلى تومسك. وتعقد مثل هذه الاجتماعات مرتين في السنة: واحدة في دوبنا، حيث يقع مصادم NICA، والثانية في موقع خارج الموقع. استضافت يريفان اجتماع الزيارة السابق / © فلاديمير كوستينكوف، الخدمة الصحفية لـ TSU – أليكسي فياتشيسلافوفيتش، لماذا الطاقة العالية جدًا، مثل LHC، في هذه الحالة ليست زائدًا، بل ناقصًا؟ وماذا تستطيع وكالة NICA أن تفعله، على عكس مصادم الهادرونات الكبير؟ — الكواركات والجلونات في حالتها المعتادة موجودة في ما يسمى بالهادرونات، وهي جسيمات متفاعلة بقوة – وهي نفس البروتونات والنيوترونات. ولكن عند الطاقات ودرجات الحرارة العالية بما فيه الكفاية، والتي يتم تحقيقها عندما تصطدم النوى الثقيلة، فإن كل هذه البروتونات والنيوترونات لا تمتزج فقط، بل تذوب في الواقع في كتلة واحدة، والتي نسميها بلازما كوارك غلوون. يمكن دراسة بعض خصائص هذه الحالة من المادة في مصادم عالي الطاقة، لكن من المستحيل عمليا دراسة التحول الطوري للمادة الهادرونية العادية إلى بلازما كوارك-جلون. في هذه الحالة، الطاقات العالية ليست ميزة، بل عائقا. كما تصبح تأثيرات الدوران في التفاعل القوي أقل وضوحًا مع زيادة الطاقة.