وبعد عدة سنوات من المراجعة، أعلنت الجمعية الأمريكية لفيزياء الجسيمات رؤيتها للبحث خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة. ستساعد المشاريع المختلفة، إذا تم تمويلها، الباحثين على تطوير فهم أفضل لقوانين الطبيعة.

وتنشر هذه التوصيات في تقرير.استكشاف الكون الكمي: مسارات للابتكار والاكتشاف في فيزياء الجسيمات” تمت كتابته من قبل لجنة أولويات مشاريع فيزياء الجسيمات (P5)، اللجنة الفرعية. اللجنة الاستشارية لفيزياء الطاقة العالية (HEPAP)، وما إلى ذلك سيتم تقديمها إلى المؤسسات المالية وزارة الطاقة الأمريكية مكتب العلوم وهذا المؤسسة الوطنية للعلوم لتوجيه قراراتهم المالية على مدى العقد المقبل.

مستقبل فيزياء الجسيمات

يدرس فيزيائيو الجسيمات سلوك المادة في ظل أقسى الظروف التي تم تحقيقها في المختبر على الإطلاق. فهي تعمل على تسريع الجسيمات دون الذرية مثل البروتونات والإلكترونات إلى ما يقرب من سرعة الضوء وتحطيمها معًا باستخدام مسرعات الجسيمات الكبيرة والقوية. في أقوى معجل في العالم، يمكن للعلماء الوصول إلى درجات حرارة تصل إلى 7 تريليون درجة مئوية. وهذا أكثر سخونة بـ 100 ألف مرة من نواة الشمس وأكثر سخونة بحوالي 100 مرة من نواة المستعر الأعظم، وهو انفجار لنجم شديد السطوع بحيث يمكن رؤيته عبر نصف الكون. بعد الانفجار الكبير، كان متوسط ​​درجة الحرارة في جميع أنحاء الكون أقل من جزء من تريليون من الثانية.

إن الروابط العميقة بين القوانين التي تحكم عالم الكم والكون بأكمله معروفة منذ زمن طويل، وكان الباحثون يدرسونها منذ عقود. تتطلب هذه الأنواع من التجارب مسرعات وكاشفات جسيمات كبيرة جدًا تضم ​​آلاف الفيزيائيين والمهندسين وعلماء الكمبيوتر والفنيين ومختلف موظفي الدعم. ويتطلب مثل هذا المشروع الكبير تخطيطًا دقيقًا ورقابة مستقلة.

كل خمس سنوات، تقوم الجمعية الأمريكية لفيزياء الجسيمات بتقييم التقدم المحرز في السنوات الخمس السابقة. ويستخدم هذه المعلومات لتحديد الجهود التي ستؤدي إلى التحسين وفي أي وقت. يجب أن يأخذ المجتمع في الاعتبار الاعتبارات الواقعية مثل الميزانيات وما إذا كانت التكنولوجيا اللازمة متاحة أو في مرحلة التطوير المتقدم. كما أنهم يفكرون في أشياء مثل التأثير العلمي. تعد كل من P5 وHEPAP مجرد هيئات تمويل استشارية وحكومية تتخذ القرار النهائي بشأن المشاريع التي يجب متابعتها.

يوصي تقرير P5 بمشاريع ذات أحجام وتأثيرات مختلفة. أحد المشاريع الكبيرة هو A مجهود الجيل الرابع لدراسة الخلفية الكونية الميكروية للكون. تعد هذه الموجات الميكروية أقدم بقايا يمكن اكتشافها من الانفجار الكبير وتوفر نظرة مباشرة على الكون المبكر. مشروع كبير آخر ينطوي على الترقية فيرميلاب سيعزز مجمع المسرع برنامج أبحاث النيوترينو ذي المستوى العالمي بالفعل. يعد فيرميلاب مختبر فيزياء الجسيمات الرائد في أمريكا، ويعمل على تطوير جهد غير مسبوق لدراسة سلوك النيوترينوات، التي نادرًا ما تتفاعل. قد تسلط دراسات النيوترينو الضوء على سبب كون الكون يتكون من مادة فقط، في حين تشير أفضل نظرياتنا إلى أن المادة المضادة يجب أن تكون متساوية.

يوصي تقرير P5 بتطوير تجربة المادة المظلمة من الجيل الثالث التي تبحث عن أشكال شبحية من المادة يُعتقد أنها أكثر وفرة بخمس مرات من المادة العادية. لو المادة المظلمة أي أنه من غير المرجح أن يتفاعل مع الأرض. إن أي أمل في العثور على هذا الشكل النظري للمادة سيتطلب جهدًا مركّزًا وتكنولوجيا متقدمة.

ويقترح مشاركة أمريكية أخرى مسرع المستقبل ستجري أوروبا أو آسيا بحثًا مكثفًا حول هذا الموضوع هيغز بوزونوهو الجسيم الذي تم اكتشافه في عام 2012 والذي يعطي كتلة للجسيمات دون الذرية الأخرى.

التوصية الطموحة هي أن يستكشف العلماء توليد الطاقة العالية اصطدام الميون. الميونات تشبه الإلكترونات ولكنها أثقل. والفرق الآخر هو أن الميونات تتحلل في جزء من الثانية. لإنشاء مصادم الميونات، يجب على الباحثين إنشاء الميونات، والتقاطها، ثم تسريعها وتحطيمها معًا في فترة زمنية قصيرة جدًا. ليس من الواضح بعد ما إذا كان مثل هذا المرفق ممكنًا أم لا، ولكن يوصى بأن يتعاون مجتمع علماء المسرعات في البلاد لمعرفة ما إذا كان مثل هذا المسرع ممكنًا أم لا.

سعر بسيط للغاية يشمل التسهيلات المستقبلية المحتملة ترقية كاشف مكعبات الثلج. يستخدم آيس كيوب كيلومترًا مكعبًا من الجليد في القارة القطبية الجنوبية لدراسة النيوترينوات الكونية، بما في ذلك بعض النيوترينوات الأكثر نشاطًا التي تم إنشاؤها على الإطلاق. يمكن أن توفر دراسة النيوترينوات الكونية لعلماء الفلك نظرة ثاقبة لبعض الظواهر الفلكية الأكثر عنفًا، بما في ذلك المستعرات الأعظم، والنجوم النيوترونية المتصادمة، وتسارع المادة بالقرب من الثقوب السوداء فائقة الكتلة. يمكن للجيل الثاني من IceCube استخدام عشرات الكيلومترات المكعبة من الجليد لإجراء قياسات أكثر دقة.

على الرغم من أن توصيات مجموعة P5 ليست ملزمة، إلا أنها تعكس حكم الجمعية الأمريكية لفيزياء الجسيمات. قبل تجميع P5، عمل آلاف الفيزيائيين معًا عملية كتلة الثلج. على مر السنين، اجتمع الباحثون في مؤتمرات كبيرة لتقديم أفضل أفكارهم ومناقشتها. ومن خلال المناقشة والنقد والتحسين، تمثل مقترحات سنوماس بعض الأفكار الإبداعية لتحسين فهمنا لقوانين الطبيعة.

أخذ فريق الدول الخمس مقترحات سنوماس – حيث قام بتنقيح بعضها ومواءمة بعضها – وأرسل الباقي إلى وكالات التمويل. والخطوة التالية في هذه العملية هي أن تقوم وكالات مثل وزارة الطاقة ومؤسسة العلوم الوطنية بالتشاور مع نظيراتها الدولية والنظر في الحقائق المالية. خلال العام المقبل، سوف يصبح من الواضح كيف سيبدو مستقبل أبحاث فيزياء الجسيمات في الولايات المتحدة.