Comparative evaluation of future collider options

يتكون الكون من جسيمات أساسية، وعلى مدى عقود، استخدم العلماء آلات ضخمة تسمى مصادمات الجسيمات لتحطيم هذه الجسيمات معاً بسرعات هائلة. ومن خلال دراسة الحطام الناتج عن هذه الاصطدامات، يكشف الباحثون عن القواعد التي تحكم المادة والطاقة، بحثاً عن إجابات لأسئلة حيرت البشرية لقرون. وأشهر هذه الآلات هو مصادم الهادرونات الكبير، الواقع على الحدود بين فرنسا وسويسرا، والذي اكتشف بالفعل بوزون هيغز، وهو جسيم يمنح الكتلة للجسيمات الأخرى. ومع ذلك، بينما تصل آلتنا الحالية إلى حدود قدرتها، يتطلع المجتمع العلمي العالمي إلى ما سيأتي بعد ذلك. والهدف هو بناء منشأة جديدة، أكثر قوة، يمكنها التحديق بشكل أعمق في نسيج الواقع، مما قد يكشف عن فيزياء جديدة لا تستطيع أدواتنا الحالية رؤيتها.

يقدم تقرير جديد من سيرن (CERN)، المنظمة الأوروبية التي تدير مصادم الهادرونات الكبير، مقارنة واضحة وتفصيلية لمختلف المسارات المستقبلية. وقد جمع المؤلفون، وهم مجموعة من الخبراء الذين قضوا سنوات في تقييم الخيارات، بيانات حول العديد من المصادمات المستقبلية المقترحة لتحديد أي منها يقدم أفضل توازن بين الوعد العلمي، والجدوى التقنية، والتكلفة، والأثر البيئي. إن عملهم ليس مجرد قائمة من الأفكاب، بل هو تقييم صارم مصمم لمساعدة صناع القرار في اختيار المشروع الرئيسي التالي لفيزياء الجسيمات الأوروبية. ويتناول التقرير الآلات التي يمكن أن تبدأ العمل في منتصف عقد الأربعينيات، بالإضافة إلى مفاهيم أكثر طموحاً قد تدخل الخدمة في وقت لاحق من هذا القرن. كما يزن بين مزايا وعيوب الآلات الدائرية، التي توجه الجسيمات حول حلقة عملاقة، مقابل الآلات الخطية، التي تطلق الجسيمات في خط مستقيم، ويستكشف أيضاً مفاهيم غريبة تتضمن الميونات، وهي نسخة أثقل من الإلكترون.

يبدأ التقرير بالتركيز على الأولوية الأكثر إلحاحاً: "مصنع هيغز" من الإلكترونات والبوزيترونات. هذا النوع من الآلات مصمم لإنتاج أعداد هائلة من بوزونات هيغز حتى يتمكن العلماء من دراستها بدقة متناهية. والمرشح الرائد لهذا الدور هو مصادم دائري يسمى "المصادم الدائري المستقبلي"، أو (FCC-ee). ستوضع هذه الآلة في نفق جديد يبلغ طوله حوالي 100 كيلومتر، يدور تحت الريف الفرنسي والسويسري. وقد صُمم (FCC-ee) لتصادم الجسيمات عند مستويات طاقة مختلفة، مما يسمح له بدراسة بوزون هيغز والجسيمات الأخرى بدقة لا مثيل لها. ويسلط التقرير الضوء على أن هذا التصميم الدائري فعال للغاية؛ لأنه بما أن الجسيمات تسافر في حلقة، يمكن إعادة استخدامها عدة مرات، مما يولد كمية هائلة من البيانات مع استهلاك كهرباء أقل من الآلة ذات الخط المستقيم ذات القدرة المماثلة. وتُقدر الدراسة أن بناء هذه الآلة سيتطلب استثماراً كبيراً، حيث يذهب الجزء الأكبر من التكلفة نحو الأعمال الهندسية المدنية الضخمة اللازمة لحفر النفق وبناء المرافق السطحية. ومع ذلك، يشير الفريق إلى أن التصميم ناضج، وأن التكنولوجيا المطلوبة لبنائه متاحة إلى حد كبير أو قريبة من الجاهزية.

خيار آخر لـ "مصنع هيغز" هو المصادم الخطي، الذي سيطلق الإلكترونات والبوزيترونات في خط مستقيم قبل أن تتصادم. وقد تم فحص مقترحين محددين: "المصادم الخطي المدمج" (CLIC)، و"مرفق المصادم الخطي" (LCF)، الذي سيُبنى في سيرن بناءً على تصميمات من مشروع في اليابان. وخلافاً للمصادم الدائري، يقوم المصادم الخطي بإطلاق الجسيمات مرة واحدة فقط، مما يعني أنه يحتاج إلى أن يكون أطول بكثير للوصد إلى نفس مستويات الطاقة. ويجد التقرير أنه بينما يمكن لهذه الآلات إنتاج حزم مستقطبة، وهي ميزة تساعد العلماء على فهم خصائص الجسيمات، إلا أنها عموماً أقل كفاءة في استخدام الطاقة من نظيراتها الدائرية بالنسبة لمستويات الطاقة المنخفضة المطلوبة لمصنع هيغز. يستخدم مقترح (CLIC) طريقة فريدة حيث توفر حزمة ثانية من الجسيمات الطاقة اللازمة لتسريع الحزمة الرئيسية، بينما يعتمد (LCF) على تكنولوجيا فائقة التوصيل تم إثباتها بالفعل في مشاريع ضخمة أخرى. ويخلص المؤلفون إلى أنه بينما تعد هذه الخيارات الخطية سليمة تقنياً، فإن (FCC-ee) الدائري يوفر مساراً أفضل للمستقبل القريب بسبب إنتاجه الأعلى للبيانات واستهلاكه الأقل للطاقة لكل وحدة معلومات يتم جمعها.

وبالنظر إلى المستقبل البعيد، ما بعد خمسينيات القرن الحالي، يقيم التقرير إمكانية بناء مصادم هادرونات، وهي آلة تصدم البروتونات معاً بطاقات أعلى بكثير مما هو ممكن حالياً. ويعد (FCC-hh) المرشح الرئيسي لهذا الدور. سيتم تركيبه في نفس النفق الذي يبلغ طوله 100 كيلومتر الخاص بـ (FCC-ee)، ولكن بعد أن ينتهي جهاز الإلكترون-بوزيترون من عمله، سيتم إعادة تخصيص النفق لاستضافة مصادم بروتونات. ستستخدم هذه الآلة مغانط قوية لتوجيه البروتونات بطاقات تصل إلى 8 5 تيرا إلكترون فولت، وهو مقياس يمكن أن يسمح للعلماء باكتشاف جسيمات أو قوى جديدة تماماً. ويشير التقرير إلى أن تكنولوجيا المغانط اللازمة لهذه الآلة تتقدم بسرعة، رغم أنها ستتطلب بحثاً وتطويراً كبيراً للوصول إلى مستويات الأداء المطلوبة. والجدول الزمني لهذا المشروع طويل، حيث من المرجح أن يبدأ البناء في ستينيات القرن الحالي ويبدأ التشغيل في سبعينيات القرن، لكنه يمثل الهدف الأسمى لدفع حدود الطاقة إلى أقصى حدودها.

كما يدرس البحث أفكاراً أكثر استشرافاً، مثل مصادم الميونات. الميونات هي جسيمات غير مستقرة وتتحلل بسرعة، مما يجعل استخدامها في مصادم أمراً صعباً، لكنها توفر إمكانية الوصول إلى طاقات عالية جداً في مساحة أصغر بكماً من مصادم البروتونات. والتقرير واضح في أنه بينما تعتبر الإمكانات الفيزيائية لمصادم الميونات مثيرة، إلا أن التكنولوجيا ليست جاهزة بعد. وتظل التحديات الحرجة، مثل تبريد حزم الميونات لتركيز دقيق وإدارة الإشعاع المكثف الناتج عن تحللها، دون حل. ويذكر المؤلفون أن مصادم الميونات لا يمكن اعتباره خياراً واقعياً للمنشأة الكبرى القادمة لأنه سيتطلب عقداً أو أكثر من البحث المخصص فقط لإثبات أنه يمكن بناؤه وتشغيله بأمان. وبالمثل، يفحص التقر𝙩 إمكانية إعادة استخدام نفق مصادم الهادرونات الكبير الحالي لآلة جديدة. وبينما قد يبدو هذا إجراءً لتوفير التكاليف، يجد البحث أن المساحة داخل النفق الحالي صغيرة جداً لاستيعاب المغانط المتقدمة اللازمة لآلة عالية الطاقة، وأي مشروع من هذا القبيل سيؤدي على الأرجح إلى تأخير بناء منشأة الجيل القادم الحقيقية لعقود من الزمن.

تعد الاستدامة البيئية موضوعاً رئيسياً طوال عملية التقييم. ويحسب المؤلفون البصمة الكربونية لبناء وتشغيل هذه الآلات الضخمة، مع مراعاة الطاقة المطلوبة لحفر الأنفاق، وتصنيع المكونات، وتشغيل التجارب. ويجدون أن مرحلة البناء، وخاصة عمليات حفر الأنفاق وإنتاج الخرسانة، تشكل الجزء الأكبر من انبعاثات الغازات الدفيئة. ومع ذلك، يشير التقرير أيضاً إلى أن الكهرباء المستخدمة لتشغيل هذه الآلات في المستقبل ستأتي على الأرجح من مصادر أنظف، حيث من المتوقع أن تصبح شبكة الطاقة في أوروبا أكثر رفقاً بالبيئة خلال العقود القادمة. ويبرز المصادم الدائري، بقدرته على إعادة استخدام الجسيمات وتوليد نفايات حرارية أقل لكل وحدة بيانات، كأكثر الخيارات رفقاً بالبيئة للمستقبل القريب. كما يستكشف الفريق طرقاً لتقليل الأثر البيئي، مثل إعادة استخدام الحرارة المتولدة من الآلات لتدفئة المباني المجاقة، وهي استراتيجية تم اختبارها بنجاح في سيرن.

وفيما يتعلق بالتكلفة والموارد، يقدم التقرير تفصيلاً دقيقاً لما سيتطلبه كل مشروع. وتُقدر تكلفة المصادم الدائري بنحو 15 مليار فرنك سويسري للمرحلة الأولية، وهو رقم يشمل النفق، والمسرع، وأجهزة الكشف. ومن المتوقع أن تكون المصادمات الخطية أرخص قليلاً في البداية، لكنها قد تتطلب ترقيات أكثر تكلفة لاحقاً للوصول إلى طاقات أعلى. كما أن الموارد البشرية اللازمة لبناء هذه الآلات كبيرة أيضاً، حيث تتراوح التقديرات بين 10,000 إلى 15,000 عامل بدوام كامل على مدار فترة البناء. ويؤكد المؤلفون أن القرار بشأن المسار الذي يجب اتخاذه يجب أن يُتخذ قريباً، حيث يُتوقع اتخاذ خيارات رئيسية بين عامي 2028 و2030، لضمان أن تكون الآلة الجديدة جاهزة للعمل بمجرد انتهاء دورة مصادم الهادرونات الكبير الحالية في عام 2041.

في النهاية، يخلص التقرير إلى أن "المصادم الدائري المستقبلي"، الذي يبدأ بمرحلة الإلكترون-بوزيترون ويتطور إلى مصادم بروتونات، يمثل المسار الأكثر قوة وواقعية لمستقبل فيزياء الجسيمات الأوروبية. فهو يوازن بين الحاجة إلى قياسات عالية الدقة لبوزون هيغز وبين الطموح طويل الأمد لاستكشاف أعلى حدود الطاقة. وبينما تمتلك الخيارات الأخرى مثل المصادمات الخطية أو آلات الميونات مزاياها الخاصة، يشير التقرير إلى أنها إما أقل كفاءة للأهداف الفورية أو أنها بعيدة جداً عن النضج التقني لتكون التركيز الأساسي. وتعد هذه الدراسة دليلاً شاملاً، يضع الحقائق والتحديات والفرص، حتى يتمكن المجتمع العلمي وشركاؤه من اتخاذ قرار مستنير حول كيفية مواصلة البحث لفهم الكون.