مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير

كان مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير ( LEP ) أحد أكبر مسرعات الجسيمات التي تم بناؤها على الإطلاق. وقد تم بناؤه في مركز سيرن ، وهو مركز متعدد الجنسيات لأبحاث الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات بالقرب من جنيف ، سويسرا.

اصطدم مصادم الإلكترونات والبوزيترونات (LEP) بالإلكترونات عند طاقات وصلت إلى 209 جيجا إلكترون فولت. كان مصادمًا دائريًا محيطه 27 كيلومترًا، بُني داخل نفق على عمق 100  متر تقريبًا  تحت الأرض، ويمر عبر سويسرا وفرنسا . استُخدم مصادم الإلكترونات والبوزيترونات من عام 1989 حتى عام 2000. وفي عام 2001 تقريبًا، تم تفكيكه لإفساح المجال أمام مصادم الهادرونات الكبير (LHA )، الذي أعاد استخدام نفق مصادم الإلكترونات والبوزيترونات. وحتى الآن، يُعد مصادم الإلكترونات والبوزيترونات أقوى مسرع للبتونات تم بناؤه على الإطلاق.

كان مصادم الإلكترونات والبوزيترونات (LEP) مصادمًا دائريًا للبتونات، وهو الأقوى من نوعه على الإطلاق. وللتوضيح، يمكن تصنيف المصادمات الحديثة عمومًا بناءً على شكلها (دائري أو خطي) وأنواع الجسيمات التي تُسرّعها وتصطدم بها (ليبتونات أو هادرونات). الليبتونات جسيمات نقطية وخفيفة نسبيًا. ولأنها جسيمات نقطية، فإن تصادماتها دقيقة وقابلة للقياسات الدقيقة؛ إلا أنها، لخفتها، لا تصل إلى نفس الطاقة التي يمكن تحقيقها مع الجسيمات الأثقل. أما الهادرونات فهي جسيمات مركبة (مكونة من الكواركات) وثقيلة نسبيًا؛ فالبروتونات، على سبيل المثال، كتلتها أكبر بألفي مرة من كتلة الإلكترونات. وبسبب كتلتها الأكبر، يمكن تسريعها إلى طاقات أعلى بكثير، وهو ما يُمكّن من رصد جسيمات أو تفاعلات جديدة لا تتنبأ بها النظريات المقبولة حاليًا. ومع ذلك، فإن تصادمات الهادرونات فوضوية للغاية (غالباً ما يكون هناك العديد من المسارات غير ذات الصلة، على سبيل المثال، وليس من السهل تحديد طاقة التصادمات)، وبالتالي فهي أكثر صعوبة في التحليل وأقل ملاءمة للقياسات الدقيقة.

يُعدّ شكل المصادم عاملاً مهماً أيضاً. في مصادمات فيزياء الطاقة العالية، تُجمّع الجسيمات في حزم، ثم تُصادم هذه الحزم معاً. مع ذلك، لا يتصادم فعلياً سوى جزء ضئيل جداً من الجسيمات في كل حزمة. في المصادمات الدائرية، تتحرك هذه الحزم في مسار دائري تقريباً باتجاهين متعاكسين، ما يسمح بتصادمها مراراً وتكراراً. يُمكّن هذا من معدل تصادم عالٍ، ويُسهّل جمع كمية كبيرة من البيانات، وهو أمر بالغ الأهمية لإجراء قياسات دقيقة أو لرصد حالات الاضمحلال النادرة جداً. مع ذلك، فإن طاقة الحزم محدودة بسبب الفقد الناتج عن إشعاع السنكروترون . أما في المصادمات الخطية، فتتحرك الجسيمات في خط مستقيم، وبالتالي لا تتأثر بإشعاع السنكروترون، لكن لا يُمكن إعادة استخدام الحزم، ما يجعل جمع كميات كبيرة من البيانات أكثر صعوبة.

باعتباره مصادمًا دائريًا للبتونات، كان مصادم الإلكترونات والبوزيترونات (LEP) مناسبًا تمامًا لإجراء قياسات دقيقة للتفاعل الكهروضعيف عند طاقات لم تكن قابلة للتحقيق سابقًا.

كان بناء مشروع LEP مشروعًا ضخمًا. بين عامي 1983 و1988، كان أكبر مشروع هندسي مدني في أوروبا. ^{[ 2 ]}

عندما بدأ مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير (LEP) العمل في أغسطس 1989، قام بتسريع الإلكترونات والبوزيترونات إلى طاقة إجمالية قدرها 45 جيجا إلكترون فولت لكل منهما، مما مكّن من إنتاج بوزون Z ، الذي تبلغ كتلته 91 جيجا إلكترون فولت. ^{[ 2 ]} وتم تحديث المصادم لاحقًا لإنتاج زوج من بوزونات W، تبلغ كتلة كل منهما 80 جيجا إلكترون فولت. وبلغت طاقة مصادم LEP ذروتها عند 209 جيجا إلكترون فولت في نهاية عام 2000. وبمعامل لورنتز (طاقة الجسيم / كتلة السكون = [104.5 جيجا إلكترون فولت / 0.511 ميجا إلكترون فولت]) الذي يزيد عن 200,000، لا يزال LEP يحمل الرقم القياسي لسرعة مسرعات الجسيمات، وهو قريب جدًا من سرعة الضوء. وفي نهاية عام 2000، تم إيقاف تشغيل LEP ثم تفكيكه لإفساح المجال في النفق لبناء مصادم الهادرونات الكبير (LHC).    

تم تزويد مصادم الإلكترونات والبوزيترونات (LEP) بالإلكترونات والبوزيترونات التي تم توفيرها بواسطة مجمع المسرعات في سيرن. تم توليد الجسيمات وتسريعها مبدئيًا بواسطة جهاز الحقن المسبق لمصادم الإلكترونات والبوزيترونات ، ثم تم تسريعها أكثر إلى سرعة تقارب سرعة الضوء بواسطة مسرع البروتونات ومسرع البروتونات الفائق . ومن هناك، تم حقنها في حلقة مصادم الإلكترونات والبوزيترونات.

كما هو الحال في جميع مصادمات الحلقات ، تتكون حلقة مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير (LEP) من العديد من المغناطيسات التي تجبر الجسيمات المشحونة على اتخاذ مسار دائري (بحيث تبقى داخل الحلقة)، ومسرعات ترددات راديوية تُسرّع الجسيمات باستخدام موجات الترددات الراديوية ، ومحولات رباعية الأقطاب تُركّز حزمة الجسيمات (أي تُبقي الجسيمات متماسكة). تتمثل وظيفة المسرعات في زيادة طاقات الجسيمات بحيث يمكن إنتاج جسيمات ثقيلة عند تصادمها. عندما تُسرّع الجسيمات إلى أقصى طاقة (وتُركّز في ما يُسمى بالحزم)، يتم جعل حزمة من الإلكترونات وحزمة من البوزيترونات تصطدم ببعضها البعض عند إحدى نقاط تصادم الكاشف. عند تصادم الإلكترون والبوزيترون، يفنيان بعضهما البعض إلى جسيم افتراضي ، إما فوتون أو بوزون Z. يتحلل الجسيم الافتراضي على الفور تقريبًا إلى جسيمات أولية أخرى، والتي يتم الكشف عنها بعد ذلك بواسطة كواشف جسيمات ضخمة .

كان مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير (LEP) مزودًا بأربعة كواشف، بُنيت حول نقاط التصادم الأربع داخل قاعات تحت الأرض. كان حجم كل كاشف بحجم منزل صغير، وقادرًا على رصد الجسيمات من خلال طاقتها وزخمها وشحنتها ، مما مكّن الفيزيائيين من استنتاج تفاعل الجسيمات الذي حدث والجسيمات الأولية المتضمنة. ومن خلال إجراء تحليل إحصائي لهذه البيانات، يتم اكتساب معرفة حول فيزياء الجسيمات الأولية . سُميت كواشف LEP الأربعة: أليف، ودلفي، وأوبال، وL3. وقد بُنيت بشكل مختلف للسماح بإجراء تجارب تكميلية .

سمحت نتائج تجارب LEP بالحصول على قيم دقيقة للعديد من كميات النموذج القياسي - والأهم من ذلك كتلة بوزون Z وبوزون W (اللذان تم اكتشافهما في عام 1983 في مصادم سابق في CERN ، وهو مصادم البروتون-مضاد البروتون ) - وبالتالي تأكيد النموذج ووضعه على أساس متين من البيانات التجريبية.

مع اقتراب نهاية مدة التشغيل المقررة، أشارت البيانات إلى تلميحات مثيرة، وإن كانت غير حاسمة، حول إمكانية رصد جسيم هيغز بكتلة تقارب 115 جيجا إلكترون فولت، وهو ما يُعد بمثابة الكأس المقدسة في فيزياء الطاقة العالية الحالية . تم تمديد مدة التشغيل لبضعة أشهر، دون جدوى. بقيت قوة الإشارة عند 1.7 انحراف معياري ، ما يُترجم إلى مستوى ثقة 91% ، وهو أقل بكثير من مستوى الثقة الذي يتوقعه علماء فيزياء الجسيمات لتأكيد الاكتشاف، وكان عند الحد الأعلى لنطاق الكشف للتجارب باستخدام بيانات مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير (LEP) التي تم جمعها. طُرح اقتراح لتمديد تشغيل مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير لمدة عام آخر سعياً للتأكيد، الأمر الذي كان سيؤخر بدء تشغيل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) . مع ذلك، تم اتخاذ قرار بإيقاف تشغيل مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير والمضي قدماً في مشروع مصادم الهادرونات الكبير كما هو مخطط له.

لسنوات، كانت هذه الملاحظة الدليل الوحيد على وجود بوزون هيغز؛ ولم تكن التجارب اللاحقة التي أُجريت حتى عام 2010 في مصادم تيفاترون حساسة بما يكفي لتأكيد هذه الأدلة أو دحضها. ^{[ 11 ]} ولكن ابتداءً من يوليو 2012، قدمت تجارب أطلس وسي إم إس في مصادم الهادرونات الكبير أدلة على وجود جسيم هيغز عند طاقة حوالي 125 جيجا إلكترون فولت، ^{[ 12 ]} واستبعدت بشكل قاطع نطاق طاقة 115 جيجا إلكترون فولت.

• إفناء الإلكترون والبوزيترون
• مصادم الهادرونات الكبير

• الوسائط المتعلقة بمصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير على ويكيميديا ​​كومنز
• مجموعات العمل التابعة لهيئة الشراكة الاقتصادية المحلية
• مصادم LEP من التصميم إلى الموافقة والتشغيل: مقتطفات من محاضرة جون آدامز التذكارية التي ألقيت في CERN في 26 نوفمبر 1990
• يمكن العثور على نظرة عامة قصيرة ولكنها جيدة (وإن كانت قديمة بعض الشيء) (مع صور جميلة) حول LEP والمواضيع ذات الصلة في هذا الكتيب الإلكتروني الصادر عن المجلس البريطاني لأبحاث فيزياء الجسيمات وعلم الفلك .
• سجل التجربة لـ LEP على INSPIRE-HEP