يصطدم LHC بمشكلة قادمة من السماء
تضرب الأشعة الكونية الغلاف الجوي للأرض باستمرار، فتطلق سلاسل من الجسيمات الثانوية التي تنتشر في السماء وتمر عبر الكواشف على سطح الأرض. وتمثل هذه الزخات مصدرا رئيسيا للمعلومات عن بعض أعلى الجسيمات طاقة في الكون، لكنها صعبة التفسير لأن فيزياء التصادم الأساسية معقدة ويصعب نمذجتها بدقة. والآن تقول تعاون ATLAS إن أول قياس لها لتصادمات البروتون والأكسجين في مصادم الهادرونات الكبير قد يساعد على سد هذه الفجوة.
والنتيجة الجديدة جاءت من نمط شغله LHC للمرة الأولى في يوليو 2025، حين اصطدمت حزم البروتونات بحزم أيونات الأكسجين. في هذا الإعداد، تعمل حزمة البروتونات مثل شعاع كوني، بينما تمثل حزمة الأكسجين جزءا من الغلاف الجوي للأرض، الذي يتكون أساسا من النيتروجين والأكسجين. وهذا يجعل التجربة طريقة مضبوطة لإعادة إنتاج أحد التفاعلات الأساسية التي تولد زخات الجسيمات الجوية.
لماذا يصعب فك شيفرة بيانات الأشعة الكونية
تستنتج مراصد الأشعة الكونية الحديثة طبيعة الجسيمات الداخلة عبر رصد الزخات التي تنتجها بعد اصطدامها بالغلاف الجوي. لكن أنماط هذه الزخات تعتمد على القوة الشديدة، وهي أحد التفاعلات الأساسية في الطبيعة، وما تزال صعبة النمذجة على نحو مشهور في البيئات عالية الطاقة والمتعددة الجسيمات ذات الصلة بالأشعة الكونية.
وكما يشير CERN، فإن المحاكيات الحالية لا تتفق مع بعضها البعض. وهذا الخلاف يحد مما يمكن لعلماء الفيزياء الفلكية استخلاصه بثقة من القياسات على الأرض. وإذا كان إطار المحاكاة نفسه غير دقيق، فإن الاستنتاجات حول طاقة الأشعة الكونية أو تركيبها أو أصلها يمكن أن تتشوه أيضا.
وهنا تصبح بيانات المصادم مفيدة. فتصادم المختبر لا يعيد إنتاج كل سمات حدث طبيعي للأشعة الكونية، لكنه يمكن أن يوفر قياسات مباشرة لإنتاج الجسيمات في ظروف أكثر تحكما. ويمكن بعد ذلك استخدام هذه القياسات لاختبار وضبط أدوات المحاكاة التي تعتمد عليها المراصد.
ما الذي قاسه ATLAS فعليا
وفقا للمسودة الأولية للتعاون، حلل الفيزيائيون تصادمات البروتون والأكسجين عبر تتبع الجسيمات المشحونة كهربائيا الناتجة عن التفاعلات. وقاسوا مدى تكرار إنتاج هذه الجسيمات، وعددها، والطاقة والزوايا التي خرجت بها من منطقة التصادم.
هذا النوع من المعلومات هو بالضبط ما تحتاجه نماذج الزخات. فالمراحل الأولى من سلسلة الأشعة الكونية تتحدد بكيفية نقل الجسيم الساقط عالي الطاقة للطاقة إلى سحابة من الجسيمات الثانوية. ويمكن للاختلافات في العدد، والانتشار الزاوي، وتوزيع الطاقة أن تمتد عبر الزخة المحاكية بأكملها.
ثم قارن ATLAS توزيعات الجسيمات المشحونة المقاسة بتنبؤات عدة محاكيات شائعة الاستخدام لتفسير بيانات مراصد الأشعة الكونية. ولم يكن الهدف مجرد نشر أول قياس، بل أيضا تحديد أين تتطابق النماذج وأين تفشل.
مصادم يتحول إلى مختبر للأشعة الكونية
تكمن القوة غير المعتادة للنتيجة في بعدها المفاهيمي. فعادة ما يرتبط LHC بأسئلة فيزياء الجسيمات الأساسية مثل بوزون هيغز أو البحث عن جسيمات جديدة. وهنا يؤدي ATLAS دورا مختلفا: مختبرا للمعايرة لعلم الفلك. إنه يعيد، في بيئة أنظف، فئة من التصادمات التي تحدث طبيعيا على ارتفاعات عشرات الكيلومترات فوق الأرض.
ويعد هذا الجسر بين فيزياء الجسيمات وعلم الأشعة الكونية ذا قيمة خاصة لأن القياسات المباشرة للأشعة الكونية الأولية عند أعلى الطاقات نادرة وصعبة. ومن خلال تحسين النماذج المستخدمة لتفسير الزخات الجوية، يمكن لبيانات المصادم أن تحسن بشكل غير مباشر الاستنتاجات التي تخرج بها المراصد التي تراقب هذه الزخات.
ويبرز العمل أيضا نقطة عملية بشأن الغلاف الجوي نفسه. فالأكسجين مكون رئيسي من الهواء، لذا فإن بيانات البروتون والأكسجين ترتبط بشكل مباشر بتفاعلات الأشعة الكونية أكثر من كثير من مجموعات بيانات البروتون-بروتون التقليدية. وهذا يجعل هذا القياس مدخلا محددا لا عاما.
ما الذي يتغير بعد ذلك
النتيجة الحالية مبنية على أول تشغيل لتصادمات البروتون والأكسجين، وقد وُصفت في ورقة منشورة على arXiv، لذا فهي تمثل خطوة مبكرة لا جوابا نهائيا. لكنها تؤسس لمجموعة بيانات جديدة يمكن استخدامها لمعايرة وتحسين نماذج التفاعل الهادروني الأساسية لأبحاث الأشعة الكونية.
ينبغي أن تعني النماذج الأفضل في نهاية المطاف إعادة بناء أدق لماهية الأشعة الكونية ومن أين تأتي. وهذه هي الفائدة العلمية طويلة الأمد. وإذا تمكنت المراصد من الثقة أكثر في محاكاة الزخات، فستصبح الخلافات في التفسير أقل ارتباطا بالنمذجة نفسها وأكثر ارتباطا بفيزياء مصادرها الفلكية.
لم يحل ATLAS لغز الأشعة الكونية بضربة واحدة. لكنه وفر موطئ قدم تجريبيا جديدا لأحد أكثر مصادر عدم اليقين عنادا فيه. ومن خلال قياس تصادمات البروتون والأكسجين مباشرة، حوّل التعاون مصادم الجسيمات إلى أداة لفهم ظواهر تبدأ فوق الكوكب بكثير وتنتهي، في كل ثانية، في الهواء المحيط بنا.
هذه المقالة مبنية على تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on phys.org
