Physics in Safety and Safety in Physics: Lessons from the LHC and its Underground Experiments

في أعماق الأرض، تحت التلال المتموجة للحدود السويسرية الفرنسية، تكمن آلة بُنيت للإجابة على الأسئلة الأكثر جوهرية حول الكون. إنها حلقة من المغناطيسات فائقة التوصيل، وأنابيب الفراغ، والكواشف التي تمتد لمسافة سبعة وعشرين كيلومتراً في محيطها، صُممت لضرب البروتونات معاً بسرعات تقترب من سرعة الضوء. هذا هو مصادم الهادراتون الكبير (LHC)، وهو إنجاز هندسي يولد كميات هائلة من الطاقة، ويخلق مجالات مغناطيسية قوية، ويعمل في درجات حرارة أبرد من أعماق الفضاء. بالنسبة للمراقب الخارجي، يبدو الهدف بسيطاً: تصادم الجسيمات لاكتشاف قوانين جديدة للطبيعة. ولكن بالنسبة للعلماء والمهندسين الذين يديرون هذه الآلة، فإن الطريق نحو الاكتشاف معبد بنوع مختلف من التحديات. فالقوى ذاتها التي تجعل التجربة ممكنة — الطاقة المخزنة في الحزم، والمجالات المغناطيسية التي تثبتها في مكانها، والهيليوم السائل الذي يحافظ على برودة المغناطيسات — هي أيضاً مصادر الأخطار الأكثر جسامة. فإذا حدث خطأ ما، فإن الطاقة المتحررة قد تدمر الآلة، أو تضر الأشخاص العاملين بالقرب منها، أو تغير البيئة في الأنفاق.

لعقود من الزمن، تعامل المجتمع العلمي مع فيزياء التجربة وسلامة المنشأة كمسارين منفصلين. فريق يصمم التصادمات لتعظيم البيانات، وفريق آخر يبني السياجات والإنذارات ومفاتيح الإيقاف الطارئة للحفاظ على سلامة الجميع. يقترح ألكسندر ساخاروف، وهو فيزيائي لديه خبرة في كل من جامعة مانهاتن وسيرن (CERN)، أن هذا الفصل هو مجرد وهم. في تحليل جديد، يجادل بأن السلامة ليست طبقة خارجية تُضاف إلى الآلة بعد انتهاء تصميمها، بل إن السلامة منسوجة في النسيج الفيزيائي للتجربة نفسها. فالقوانين الفيزيائية التي تسمح للمصادم بالعمل هي ذاتها التي تحدد بدقة كيف يمكن أن يفشل، والأنظمة المبنية لمنع تلك الإخفاقات هي التي تحدد الحدود التي يمكن للعلم أن يحدث ضمنها.

يعيد عمل ساخاروف صياغة العلاقة بين الآلة وأنظمة الحماية الخاصة بها. فهو يقترح أنه يجب علينا التفكير في المصادم ليس فقط كمجموعة من الأجزاء، بل كنظام واحد معقد يتحرك عبر مساحة شاسعة من الحالات المحتملة. بعض هذه الحالات آمنة، بينما تؤدي حالات أخرى إلى الكوارث. إن هدف هندسة السلامة ليس مجرد إيقاف الآلة عند تعطلها، بل رسم المسارات الآمنة التي يمكن للآلة أن تسلكها. المسار الآمن لا يتعلق فقط بالتواجد في مكان آمن في لحظة معينة؛ بل يتعلق بكيفية وصول الآلة إلى هناك وكيفية انتقالها إلى الخطوة التالية. تماماً كما يجب على السائق اتباع مسار محدد لتجنب المنحدر، يجب على المصادم اتباع تسلسل محدد من الإجراءات لتجنب إطلاق طاقته المخزنة بطريقة تسبب الضرر. إذا حاولت الآلة الانتقال من حالة إلى أخرى بسرعة كبيرة، أو إذا مرت بتكوين لم يتم التحقق من صحته، فإن أنظمة السلامة ستوقفها.

تستخدم الورقة البحثية مصادم الهادراتون الكبير وكاشفيه الضخمين، ATLAS وCMS، كأمثلة رئيسية لتوضيح هذه الفكرة. هذه الكواشف ليست أدوات سلبية؛ بل هي أنظمة نشطة وطاقية في حد ذاتها. فهي تحتوي على مغناطيساتها فائقة التوصيل الخاصة، والتي تخزن جيجا جول من الطاقة، وشبكات معقدة من أنظمة التبريد والكهرباء. عندما يفقد أحد المغناطيسات قدرته المفاجئة على التوصيل الفائق، وهي ظاهرة تُعرف باسم "الخمد" (quench)، يجب تبديد الطاقة المغناطيسية المخزنة بأمان، وإلا فقد تتسبب في صهر المعدات. وبالمثل، فإن الهيليوم السائل المستخدم لتبريد المغناطيسات يتمدد بمقدار ألف ضعف إذا ارتفعت حرارته وتحول إلى غاز. وإذا حدث هذا في نفق تحت الأرض، فإنه يمكن أن يزيح الأكسجين، مما يخلق خطراً على أي شخص يعمل هناك. يوضح ساخاروف أن النماذج الفيزيائية المستخدمة للتنبؤ بكيفية سلوك حزمة من البروتونات هي ذات النماذج المطلوبة للتنبؤ بكيفية انتشار تسرب الهيليوم. إن علم التصادم وعلم المخاطر هما شيء واحد.

تأتي إحدى الرؤى الأكثر لفتاً للنظر في الورقة من خلال النظر في تاريخ المنشأة. في عام 2008، وبعد فترة وجيزة من بدء تشغيل المصادم، تسبب عطل كهربائي في قسم معين من النفق في إطلاق كميات هائلة من الهيليوم. أدى هذا الحدث إلى تضرر الآلة وفرض إغلاقاً طويلاً. يشير ساخاروف إلى أن هذا الحادث لم يكن مجرد فشل في مكون ما؛ بل كان فشلاً في نموذج السلامة. لقد توقع المهندسون كمية الهيليوم التي قد تتحرر، لكن الحدث الفعلي تجاوز تلك التوقعات. الدرس المستفاد هو أن المعرفة بالسلامة يجب أن تتطور جنباً إلى جنب مع الآلة. فبينما تعمل المنشأة وتجري الاختبارات وتواجه حالات وشيكة الوقوع، يتغير فهم كيفية انتشار المخاطر. ومن ثم تُحدث أنظمة السلامة لتعكس هذه المعرفة الجديدة، مما يخلق حلقة تغذية راجعة حيث تعمل خبرة الآلة على تحسين حماية الآلة.

كما تسلط الورقة الضوء على أن أجزاء مختلفة من المنشأة لها احتياجات سلامة مختلفة، حتى لو بدت متشابهة. تجربة ATLAS وتجربة CMS، رغم وجودهما في نفس النفق تحت الأرض، تمتلكان تصميمات مختلفة لمغناطيساتهما وكواشفهما. وبالتالي، فإن أنظمة السلامة الخاصة بهما ليست متطابقة. تستخدم ATLAS ترتيباً معيناً من المغناطيسات يتطلب نوعاً واحداً من الحماية، بينما يستخدم CMS ترتيباً مختلفاً يتطلب نوعاً آخر. وهذا يثبت أن السلامة لا يمكن أن تكون كتاب قواعد يصلح للجميع، بل يجب أن تُصمم خصيصاً لتناسب البنية الفيزيائية لكل تجربة. إن الطريقة التي يُبنى بها الكاشف تحدد كيف يمكن أن يفشل، وبالتالي تحدد كيف يجب حمايته.

جزء حاسم من حجة ساخاروف هو مفهوم "المسار الآمن". لا يكفي أن تكون الآلة في حالة آمنة؛ بل يجب أن يكون المسار الذي تسلكه للوصول إلى هناك آمناً أيضاً. على سبيل المثال، عملية رفع التيار في المغناطيس للوصول إلى مستوى التشغيل تستغرق وقتاً. إذا زاد التيار بسرعة كبيرة، فقد يحدث "خمد" للمغناطيس. وإذا زاد ببطء شديد، فقد لا يصل إلى الحالة المطلوبة قبل فشل الأنظمة الأخرى. يجب على نظام السلامة مراقبة ليس فقط القيمة النهائية للتيار، بل أيضاً السرعة التي يتغير بها وتسلسل الأحداث الأخرى التي تحدث في الوقت نفسه. وهذا يعني أن السلامة هي خاصية ديناميكية؛ فهي تعتمد على توقيت الإجراءات، وترتيب العمليات، والقدرة على استجابة النظام للتغيرات قبل أن تصبح غير قابلة للانعكاس.

تتناول الورقة أيضاً فكرة أن السلامة غالباً ما تُرى كعائق أمام العلم. قد يعتقد المهندسون أن قواعد السلامة تمنعهم من دفع الآلة إلى أقصى حدودها. يجادل ساخاروف بالعكس؛ فهو يقترح أن أنظمة السلامة القوية تتيح في الواقع علماً أكثر طموحاً. فمن خلال امتلاك أنظمة حماية موثوقة يمكنها اكتشاف المشكلة وإيقافها قبل أن تسبب ضرراً، يمكن للعلماء تشغيل الآلة بطاقات أعلى وحزم أكثر كثافة مما يمكنهم فعله لولا ذلك. فبدون هذه الأنظمة، ستكون مخاطر الفشل الكارثي عالية جداً بحيث لا يمكن تبرير التشغيل. وبهذه الطريقة، لا تعد السلامة حاجزاً أمام الاكتشاف، بل هي الأساس الذي يجعل التشغيل عالي الأداء ممكناً. إنها تسمح للمنشأة باستكشاف مناطق فيزيائية خطيرة بثقة، مع العلم أن الحدود محددة جيداً والمخارج واضحة.

يمتد النقاش إلى مستقبل فيزياء الجسيمات، بما في ذلك مشروع "مصادم الهادراتون عالي اللمعان" (High-Luminosity LHC) المقترح وحتى المشاريع الأكثر طموحاً مثل "المصادم الدائري المستقبلي" (Future Circular Collider). ومع ازدياد حجم هذه الآلات وقوتها، ستزداد الطاقة المخزنة والمخاطر المحتملة. يجادل ساخاروف بأن تصميم هذه المرافق المستقبلية يجب أن يدمج السلامة منذ البداية. فبدلاً من تصميم الآلة أولاً ثم إضافة السلامة لاحقاً، يجب على المهندسين تصميم الآلة وأنظمة سلامتها معاً. هذا النهج، الذي يسميه "السلامة من خلال التصميم"، يضمن أن التخطيط الفيزيائي للمنشأة يدعم أنظمة الحماية. على سبيل المثال، وضع فتحات التهوية، وتقسيم الأنظمة الكهربائية، وإمكانية الوصول إلى المكونات للصيانة، كلها قرارات تؤثر على السلامة. إذا تم أخذ هذه الأمور في الاعتبار خلال مرحلة التصميم الأولية، فستكون المنشأة أسهل في التشغيل وأكثر أماناً في الصيانة طوال عمرها الافتراضي.

تختتم الورقة بالتأكيد على أن السلامة عملية مستمرة، وليست إنجازاً يتم لمرة واحدة. فالمنشأة تكون آمنة فقط طالما كانت أنظمة الحماية الخاصة بها تعمل، ومشغلوها مدربون، ونماذجها محدثة. ومع تقادم الآلة، واستبدال المكونات، وإدخال تقنيات جديدة، يجب إعادة تقييم متطلبات السلامة. إن تاريخ مصادم الهادراتون الكبير يظهر أن أكثر الأنظمة تخطيطاً بعناية يمكن أن تواجه مشكلات غير متوقعة. المفتاح هو امتلاك إطار يسمح بالتعلم والتكيف. ومن خلال التعامل مع السلامة كجزء أصيل من الفيزياء، وليس كقيد خارجي، يمكن للمجتمع العلمي بناء منشآت ليست قادرة على تحقيق اكتشافات عظيمة فحسب، بل قادرة أيضاً على استدامة تلك الاكتشافات عبر عقود من التشغيل.

في النهاية، تقدم الورقة رؤية موحدة للمصادم. إنه مكان تخلق فيه قوانين الفيزياء فرصة للاكتشاف وإمكانية للخطر في آن واحد. فالأنظمة التي تبقي الآلة تعمل والأنظمة التي تحافظ على سلامة الناس هما وجهان لعملة واحدة؛ فهما مرتبطان ببعضهما البعض عبر نفس المبادئ الفيزيائية، ونفس تدفقات الطاقة، ونفس الحاجة إلى الدقة. إن فهم هذا الارتباط أمر ضروري لمستقبل فيزياء الطاقات العالية. وهو يذكرنا بأننا لكي ندفع حدود ما هو معروف، يجب أن نفهم أولاً حدود ما هو آمن. وبذلك، نجد أن الطريق إلى المجهول معبد بالعمل الدقيق والمتعمد والفيزيائي العميق للحماية.