على مدار قرن استخدمت حِزَم الجسيمات للكشف عن البنية الداخلية للذرات، وقد تطورت هذه الحزم بدايةً من جسيمات ألفا وبيتا الموجودة طبيعيًّا بفضل النشاط الإشعاعي الطبيعي، مرورًا بالأشعة الكونية، ووصولاً إلى الحزم المركزة من الإلكترونات والبروتونات والجسيمات الأخرى داخل المعجلات الحديثة. وبواسطة قصف هدف محدد بحزمة من الجسيمات الأساسية، من الممكن تحويل بعض الطاقة إلى جسيمات جديدة، والتي يمكن تجميعها هي الأخرى على صورة حزمة ثانوية. وهكذا جرى إنتاج حزم البايونات والنيوترينوات، إضافةً إلى جسيمات أخرى تُسمَّى الكاوونات والميوونات، إلى جانب جسيمات مضادة على غرار البوزيترون والبروتون المضاد. بل إن ثمة حزما من الأيونات الثقيلة - ذرات مجردة من إلكتروناتها - تمكننا من دراسة التصادمات العنيفة بين الأنوية الثقيلة.

تسبر الجسيمات المختلفة المادة بصور متكاملة. ومن خلال جمع المعلومات من هذه الطرق المختلفة ظهرت الصورة الثرية التي نملكها في الوقت الحالي. أحيانًا تُوجه الحزم صوب أهداف ساكنة، لكن في السنوات القليلة الماضية كانت الاستراتيجية السائدة هي إحداث صدام بين حِزَم الجسيمات وحِزَم الجسيمات المضادة التي تدور على نحو معاكس لبعضها، على غرار مصادمة الإلكترونات والبوزيترونات أو البروتونات والبروتونات المضادة، وذلك على نحو مباشر. هذه الطرق تمكننا من البحث في أسئلة كان من شأن إجاباتها دون ذلك أن تظل مستحيلة.

أيضًا تجدد الاهتمام بالأشعة الكونية؛ إذ توفّر الطبيعة جسيمات على طاقات أبعد بكثير عما يمكننا التفكير في تحقيقه على الأرض. المشكلة أن هذه الأشعة تأتي بصورة عشوائية، وهي أقل في شدتها من الحزم المكوَّنة داخل المعجلات. إن الرغبة في محاكاة الأشعة الكونية في ظروف محكومة هي التي أدت إلى تجارب الفيزياء الحديثة العالية الطاقة داخل المعجلات. واليوم، بتنا ندرك أن الانفجار العظيم ربما أنتج جسيمات عجيبة، أثقل بكثير مما يمكننا إنتاجه يومًا على الأرض، لكنها تصلنا عبر الأشعة الكونية من حين لآخر. وقد اكتشفنا جسيمات عجيبة في الأشعة الكونية ولاحقا أخضعناها للتنظيم في تجارب المعجلات، وثمة أمل أن ينتظرنا حظ سعيد كهذا في المستقبل.

تطلق النجوم والمستعرات العظمى (السوبر نوفا) النيوترينوات، وقد شيدت مختبرات خاصة تحت الأرض بحيث تُحجب الجسيمات كافة خلا أقدرها على الاختراق كالنيوترينوات. إن علم فلك النيوترينوات فرع علمي جديد، ومن المتوقع أن يزدهر في العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين. هناك أيضًا محاولات للعثور على دليل على الأحداث الشديدة الندرة، على غرار إمكانية أن تكون البروتونات غير مستقرة وأن تتحلل حتى وإن كان نصف عمرها يفوق 10³² أعوام. والطريقة المستخدمة هي امتلاك عينة ضخمة بحجم عدة مسابح من الماء الصافي. ورغم أن البروتونات في المتوسط لها مثل هذا المدى العمري الطويل للغاية، فإن ميكانيكا الكم تقضي بأن البروتونات المنفردة قد تعيش أطول من ذلك، أو أقصر من هذا العمر. ومن ثَمَّ في عينة كبيرة بحجم 10³³ بروتونات - كالتي توجد في مسبح مياه كبير - ربما يتحلّل بروتون أو اثنان في غضون عام. وإذا انتظرت طويلًا بما يكفي، فربما تكون محظوظا وتشهد حدوث ذلك الأمر.

هذه أمثلة على ما يُعرَف بالفيزياء غير المعتمدة على المعجلات، التي فيها تكون عمليات طبيعية قد أنتجت الجسيمات ونكشف نحن عن تأثيراتها. هنا على الأرض يمكننا صنع حزم مركزة من الجسيمات العالية الطاقة في المختبرات بواسطة معجلات الجسيمات.

تُعجَّل الجسيمات ذات الشحنة الكهربية بواسطة قوى كهربية. فإذا سلطت قوة كهربية كافية على الإلكترون، مثلا، فسيتحرك على نحو أسرع وأسرع في خط مستقيم، كما في المعجل الخطي في ستانفورد بكاليفورنيا، الذي يستطيع تعجيل الإلكترونات حتى طاقات قدرها 50 جيجا إلكترون فولت.

تحت تأثير مجال مغناطيسي، سينحني مسار الجسيم المشحون، وباستخدام المجالات الكهربية لتعجيل الجسيمات والمجالات المغناطيسية لإحناء مسارها، يمكننا توجيه الجسيمات لتتحرك في دوائر مرارا وتكرارًا. هذه هي الفكرة الأساسية الكامنة خلف الحلقات الضخمة، كذلك المعجل البالغ طوله 27 كيلومترًا في مختبر سيرن بجنيف.

مواضيع ذات صلة

Normal modes

Waves in three dimensions

Probability amplitudes for particles

The random walk

Nuclei and particles

الزخات الهوائية Air Showers

النيوترينات Neutrinos

النيوكليونات Nucleons

النوى الثقيلة Heavy Nuclei

المركبة الكهرومغناطيسية

الميونات Mouns

الأشعة الكونية الثانوية Secondary Cosmic Rays