لجنة فيزياء الجسيمات الأمريكية المؤثرة تدعو إلى تطوير مصادم الميونات – عالم الفيزياء

<a href="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development-physics-world-3.jpg" data-caption="واحد للمستقبل من المحتمل أن تكون منشأة الميون أكثر إحكاما بكثير من مصادم البروتونات وربما أرخص في البناء. (مجاملة: CERN)">

ويتعين على الولايات المتحدة أن تستكشف إمكانية بناء مصادم الميونات وأن تتابع عمليات البحث والتطوير "الجريئة" في مجال التكنولوجيات المطلوبة لمثل هذه المنشأة. هذا هو الاستنتاج الذي توصلت إليه لجنة رفيعة المستوى من علماء فيزياء الجسيمات الأمريكيين والدوليين بعد عام من الاجتماعات لمناقشة مستقبل أبحاث فيزياء الطاقة العالية في الولايات المتحدة. ومع ذلك، يعترف العلماء بأنه يجب التغلب على تحديات تقنية كبيرة لبناء مصادم الميونات.

يعد التطوير المحتمل لمنشأة الميون جزءًا من رؤية طويلة المدى مدتها 20 عامًا لفيزياء الجسيمات، والتي تم إصدارها في أوائل ديسمبر من قبل لجنة تحديد أولويات مشروع فيزياء الجسيمات، أو P5 (انظر المربع أدناه). منذ عام 2003، يجتمع الأعضاء الخمسة كل عشر سنوات لتقييم مشاريع أبحاث الفيزياء الكبيرة والمتوسطة الحجم. ثم يمرر توصياته إلى وكالات التمويل مثل وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) والمؤسسة الوطنية للعلوم.

بعد اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012 في CERN مصادم هادرون الكبير، بدأ فيزيائيو الجسيمات التخطيط لبناء ما يسمى بمصنع هيغز الذي من شأنه أن يصطدم الإلكترونات بالبوزيترونات للسماح بإجراء تحقيق أكثر تفصيلاً لخصائص بوزون هيغز والجسيمات الأخرى. بعض هذه التصاميم تدعو هذه الفكرة إلى إنشاء نفق يبلغ طوله 90 كيلومترًا، من شأنه أن يصطدم الإلكترونات بالبوزيترونات لأول مرة في منتصف أربعينيات القرن الحالي، قبل إعادة استخدامه في وقت لاحق من هذا القرن باعتباره آلة بروتون-بروتون بقدرة 2040 تيرا إلكترون فولت، للبحث عن فيزياء جديدة.

ومع ذلك فإن الانتقال إلى هذه الطاقات ــ وربما أعلى ــ أمر معقد. عند طاقات تقترب من 1 تيرا إلكترون فولت في مسرع دائري، تفقد الإلكترونات الكثير من الطاقة من خلال إشعاع السنكروترون. هذه ليست مشكلة بالنسبة للبروتونات، لكن الوصول إلى طاقات أعلى من 100 تيرا إلكترون فولت يتطلب حلقة أكبر من 90 كيلومترًا وربما يحتاج إلى تقنيات جديدة أيضًا. أحد الخيارات البديلة هو تصادم الميونات – أبناء عمومة الإلكترونات الأثقل بـ 200 مرة. وبما أن الميونات أثقل بكثير من الإلكترونات، فإن فقدان الطاقة سيكون أقل مشكلة في مصادم الميونات.

دانيال شولت، قائد الدراسة في التعاون الدولي لمصادم مونيقول، الذي لم يكن عضوًا في لجنة P5، إن إشعاع السنكروترون "يتم تقليله بعامل يزيد عن المليار" في مصادم الميون. يقول شولت، الذي يتألف تعاونه من أكثر من 10 معهدًا: "إن [الميونات] مثيرة للاهتمام لأنها يمكن أن تحل محل [الإلكترونات والبوزيترونات] مباشرة، كما أن وجود مصادم ميون بقدرة 100 تيرا إلكترون فولت يعادل تقريبًا وجود مصادم بروتون بقدرة 60 تيرا إلكترون فولت من حيث المدى الفيزيائي". ، بما في ذلك المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، التي تعمل على وضع مخطط لمنشأة ميونية متقدمة. من المحتمل أن تكون أي منشأة مستقبلية للميونات أكثر إحكاما وربما أرخص في البناء - على سبيل المثال، يمكن أن يكون مصادم الميون بنفس مدى مصادم البروتونات بقدرة 100 تيرا إلكترون فولت مناسبًا لموقع فيرميلاب الحالي.

وبالإشارة إلى ذلك باسم "طلقة الميون الخاصة بنا"، ذكرت لجنة P5 أن برنامج تسريع الميون سوف يتناسب مع طموح الولايات المتحدة لاستضافة منشأة مصادم دولية كبرى، مما يسمح لها بقيادة الجهود العالمية لفهم الطبيعة الأساسية للكون. وتوصي لجنة P5 الآن بأن تقوم الولايات المتحدة ببناء مرافق اختبار وبيان رئيسية لمثل هذا المصادم المتقدم خلال العقد المقبل. ويوصي التقرير أيضًا بأن تشارك الولايات المتحدة في التعاون الدولي لمصادم الميونات وأن "تأخذ دورًا رائدًا في تحديد التصميم المرجعي".

كارستن هيجر، عالم فيزياء في جامعة ييل والذي يشارك في رئاسة P5 عالم الفيزياء أن توصية مصادم الميون جاءت من الرغبة في التفكير في المستقبل طويل المدى لفيزياء الجسيمات في الولايات المتحدة، بما يتجاوز المجموعة الحالية من المشاريع المخططة والمتطورة. وفقًا لهيجر، فقد ولَّدت توصية البحث والتطوير هذه «الكثير من الإثارة» في مجتمع فيزياء الجسيمات في الولايات المتحدة، وخاصة بين العلماء الشباب. ويضيف: "إنهم يشعرون أن القدرة على متابعة البحث والتطوير للتفكير في منشأة مصادم مستقبلية أمر مثير حقًا، خاصة إذا كنا قادرين على استضافته في الولايات المتحدة".

التحديات المقبلة

ومع ذلك، يواجه مصادم الميون تحديات تقنية كبيرة، وقد يستغرق الأمر عقودًا قبل اتخاذ أي قرار ببنائه. إحدى مشكلات الميونات هي أنها تضمحل خلال 2.2 ميكروثانية فقط، حيث يجب التقاطها وتبريدها وتسريعها. يقول هيجر: "إنها حقًا تدفع الحدود التقنية في جميع العناصر". «تطوير المغناطيس، وتكنولوجيا التسارع، وتركيز الشعاع؛ ويضيف: "كل هذه الأشياء ستكون ذات أهمية بالغة، ويجب تحسينها مقارنة بما وصلت إليه الأمور الآن".

ويوافق شولت على أنه لولا العمر المحدود للميون، لكان مصادم الميون "مباشرًا". ويقول إن أحد أكبر التحديات سيكون تطوير تكنولوجيا المغناطيس المطلوبة. على سبيل المثال، بمجرد إنتاج الميونات عن طريق اصطدام البروتونات، ستكون هناك حاجة إلى مغناطيسات فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية لتبريدها وإبطائها. وسوف تحتاج هذه التكنولوجيا إلى أن يتم ضغطها في مساحة صغيرة لتقليل فقدان الميونات. ستكون هناك حاجة بعد ذلك إلى مغناطيسات عالية السرعة يمكن تدويرها بسرعة كبيرة لتسريع شعاع الميون.

والمشكلة هي أن معظم هذه التكنولوجيا غير موجودة بعد أو أنها في مهدها. على الرغم من هذه التحديات، فإن هيجر واثق من إمكانية بناء مصادم الميونات، ويقول: "لقد أظهر فيزيائيو الجسيمات وفيزيائيو المسرعات براعة مذهلة خلال السنوات والعقود الأخيرة، ولذا فأنا متفائل". ولكن حتى لو لم يكن مثل هذا المرفق ممكنًا، فإن العمل على تحقيقه من شأنه أن يبني على نقاط القوة الحالية للولايات المتحدة في فيزياء الجسيمات، ويغذي التحسينات في مرافق شعاع البروتون والنيوترينو. ومن المحتمل أيضًا أن يكون له فائدة واسعة النطاق للمجتمع، بما في ذلك إنتاج النظائر الطبية، وعلوم المواد، والفيزياء النووية، لذلك يعتقد هيجر أنه سيكون "استثمارًا تم إنفاقه بشكل جيد".

على سبيل المثال، سيكون لتطوير مغناطيسات فائقة التوصيل ذات درجات حرارة عالية آثار مهمة تتجاوز فيزياء الجسيمات. يمكن أن تكون مفيدة لمفاعلات الاندماج النووي وقد تحسن أداء توربينات الرياح. ويعتقد شولت أيضًا أن العمل على مصادم الميونات سيوفر فوائد كبيرة عندما يتعلق الأمر بتدريب الجيل القادم من العلماء. ويضيف: "هذا مشروع عظيم لأن الأشياء جديدة، وهناك مجال للاختراعات والإبداع، والروح مختلفة تمامًا عن المشروع الذي يعيد القيام بشيء فعلناه في الماضي بطريقة أكبر".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/influential-us-particle-physics-panel-calls-for-muon-collider-development/