غارغاميل

كان جهاز غارغاميل كاشفًا يعمل بغرفة فقاعات سائلة ثقيلة، وكان قيد التشغيل في مركز سيرن بين عامي 1970 و1979. صُمم الجهاز لكشف النيوترينوات والنيوترينوات المضادة ، التي كانت تُنتج باستخدام حزمة من مسرع البروتونات ( PS ) بين عامي 1970 و1976، قبل نقل الكاشف إلى مسرع البروتونات الفائق ( SPS ). ^{[ 1 ]} في عام 1979، اكتُشف صدع لا يمكن إصلاحه في غرفة الفقاعات، وتم إيقاف تشغيل الكاشف. وهو حاليًا جزء من معرض "العالم المصغر" في سيرن، وهو مفتوح للجمهور.

تُعرف تجربة غارغاميل بأنها التجربة التي اكتشفت التيارات المحايدة . ففي يوليو 1973، تم اكتشاف التيارات المحايدة، وكانت أول مؤشر تجريبي على وجود بوزون Z ⁰ ، وبالتالي خطوة رئيسية نحو التحقق من النظرية الكهروضعيفة .

قد يشير مصطلح غارغاميل إلى جهاز الكشف ذي حجرة الفقاعات نفسه، أو إلى تجربة فيزياء الطاقة العالية التي تحمل الاسم نفسه. ويُشتق الاسم من رواية تعود إلى القرن السادس عشر للكاتب فرانسوا رابليه ، بعنوان "حياة غارغانتوا وبانتاغرويل" ، حيث تُصوَّر العملاقة غارغاميل كأم لغارغانتوا. ^{[ 1 ]}

في سلسلة من الأعمال المنفصلة في ستينيات القرن العشرين ، وضع شيلدون غلاشو وستيفن واينبرغ وعبد السلام نظريةً توحد التفاعل الكهرومغناطيسي والتفاعل الضعيف بين الجسيمات الأولية - وهي نظرية التفاعل الكهروضعيف - والتي نالوا عنها جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979. ^{[ 2 ]} تنبأت نظريتهم بوجود بوزونات W ^± وZ⁰ ^{كناقلات} للقوة الضعيفة . تحمل بوزونات W ^{± شحنة كهربائية، إما موجبة ( W⁺} ) أو سالبة (W⁻ ⁾ ، بينما لا تحمل بوزونات Z⁰ أي شحنة. ينقل تبادل بوزون Z⁰ ^الزخم والدوران والطاقة ^، لكنه لا يؤثر على الأعداد الكمومية للجسيم - الشحنة، والنكهة ، وعدد الباريونات ، وعدد الليبتونات ، إلخ. ولأنه لا يوجد انتقال للشحنة الكهربائية، يُشار إلى تبادل Z⁰ ^{باسم "} التيار المحايد ". كانت التيارات المحايدة أحد تنبؤات نظرية التفاعل الكهروضعيف.

في عام 1960، اقترح ملفين شوارتز طريقةً لإنتاج حزمة نيوترينو عالية الطاقة . ^{[ 3 ]} ثم استخدم شوارتز وآخرون هذه الحزمة في تجربة أجروها عام 1962 في مختبر بروكهافن الوطني ، والتي أظهرت وجود أنواع مختلفة من النيوترينوات: نيوترينوات الميون ونيوترينوات الإلكترون . وقد نال شوارتز جائزة نوبل في الفيزياء عام 1988 لاكتشافه هذا. ^{[ 4 ]} قبل فكرة شوارتز، كانت التفاعلات الضعيفة تُدرس فقط في تحلل الجسيمات الأولية، وخاصة الجسيمات الغريبة . وقد أدى استخدام حزم النيوترينو الجديدة هذه إلى زيادة كبيرة في الطاقة المتاحة لدراسة التفاعل الضعيف. وكانت تجربة غارغاميل من أوائل التجارب التي استخدمت حزمة نيوترينو، تم إنتاجها باستخدام حزمة بروتونات من مصادم البروتونات.

غرفة الفقاعات هي ببساطة وعاء مملوء بسائل شديد التسخين. يترك الجسيم المشحون الذي يمر عبر الغرفة أثر تأين ، يتبخر السائل حوله مكونًا فقاعات مجهرية. تخضع الغرفة بأكملها لمجال مغناطيسي ثابت، مما يتسبب في انحناء مسارات الجسيمات المشحونة. يتناسب نصف قطر الانحناء طرديًا مع زخم الجسيم. تُصوَّر المسارات، ومن خلال دراستها يمكن معرفة خصائص الجسيمات المكتشفة. لم يترك شعاع النيوترينو الذي مر عبر غرفة فقاعات غارغاميل أي آثار في الكاشف، لأن النيوترينوات عديمة الشحنة. لذلك، تم الكشف عن التفاعلات مع النيوترينوات من خلال مراقبة الجسيمات الناتجة عن تفاعلات النيوترينوات مع مكونات المادة. تتميز النيوترينوات بمقاطع عرضية صغيرة للغاية ، أي أن احتمال التفاعل ضئيل جدًا. في حين أن غرف الفقاعات عادة ما تمتلئ بالهيدروجين السائل ، فقد تم ملء غارغاميل بسائل ثقيل - _CBrF3 ( الفريون) - مما يزيد من احتمالية رؤية تفاعلات النيوترينو. ^{[ 1 ]}

شهد مجال فيزياء النيوترينو توسعًا سريعًا في ستينيات القرن العشرين. كانت تجارب النيوترينو باستخدام غرف الفقاعات تُجرى بالفعل في أول مسرع جسيمات سنكروتروني في سيرن، وهو PS، وكان موضوع الجيل التالي من غرف الفقاعات مطروحًا منذ فترة. كتب أندريه لاغاريغ ، الفيزيائي المرموق في المدرسة المتعددة التقنيات في باريس ، وبعض زملائه، أول تقرير منشور، بتاريخ 10 فبراير 1964، يقترحون فيه بناء غرفة سائل ثقيل تحت إشراف سيرن. ^{[ 5 ]} وشكّل فريقًا تعاونيًا ضم سبعة مختبرات: المدرسة المتعددة التقنيات في باريس ، وجامعة آخن التقنية ، وجامعة بروكسل الحرة ، ومعهد الفيزياء بجامعة ميلانو ، ومختبر أورساي ، وكلية لندن الجامعية ، وسيرن. ^{[ 6 ]} اجتمعت المجموعة في ميلانو عام 1968 لتحديد أولويات الفيزياء للتجربة: تشتهر غارغاميل اليوم باكتشافها للتيارات المحايدة، ولكن أثناء إعداد البرنامج الفيزيائي، لم يُناقش هذا الموضوع، وفي المقترح النهائي، صُنِّف في المرتبة الخامسة من حيث الأولوية. ^{[ 7 ]} في ذلك الوقت، لم يكن هناك إجماع حول نظرية التفاعل الكهروضعيف، وهو ما قد يفسر قائمة الأولويات. كما أن التجارب السابقة التي بحثت عن التيارات المحايدة في تحلل الكاون المحايد إلى لبتونين مشحونين ، قد سجلت حدودًا صغيرة جدًا تبلغ حوالي ^10⁻⁷ .

بسبب أزمة مالية، لم تتم الموافقة على التجربة في عام 1966، خلافًا للتوقعات. قرر فيكتور فايسكوف ، المدير العام لمركز سيرن ، وبرنارد غريغوري ، المدير العلمي، تمويل المشروع بأنفسهم، حيث عرض الأخير قرضًا على المركز لتغطية القسط المستحق لعام 1966. ^{[ 5 ]} وُقِّع العقد النهائي في 2 ديسمبر 1965، لتكون هذه المرة الأولى في تاريخ سيرن التي لا يُعتمد فيها استثمار من هذا النوع من قبل المجلس، بل من قبل المدير العام مستخدمًا سلطته التنفيذية.

تم بناء غرفة غارغاميل بالكامل في ساكلاي . وعلى الرغم من تأخر البناء لمدة عامين تقريبًا، فقد تم تجميعها أخيرًا في سيرن في ديسمبر 1970، وأجريت أول عملية لجمع البيانات في مارس 1971. ^{[ 5 ]}

كان الهدف الرئيسي الأول لمسبار غارغاميل هو البحث عن أدلة على التشتت القوي لنيوترينوات الميون ومضادات النيوترينو عن النيوكليونات . تغيرت الأولويات في مارس 1972، عندما بدأت تظهر أولى الدلائل على وجود تيار محايد هادروني . ^{[ 9 ]} حينها تقرر اتباع نهج مزدوج في البحث عن مرشحين للتيار المحايد. يتمثل أحد هذين النهجين في البحث عن أحداث ليبتونية - وهي أحداث تتضمن التفاعل مع إلكترون في الحالة السائلة، مثل ν_μ +e ⁻→ ν_μ +e ⁻أو ν_μ +e ⁻→ ν_μ +e ⁻أما الخط الآخر فسيبحث عن الأحداث الهادرونية - التي تتضمن نيوترينو متناثرًا من هادرون، على سبيل المثال ν + p → ν + p ، ν + n → ν + p + π ⁻أو p → ν + n + π ⁺بالإضافة إلى الأحداث التي تتضمن العديد من الهادرونات. تتميز الأحداث الليبتونية بمقاطع عرضية صغيرة ، ولكن بخلفية صغيرة مماثلة. أما الأحداث الهادرونية فتتميز بخلفيات أكبر، ويعود ذلك في الغالب إلى النيوترونات الناتجة عن تفاعل النيوترينوات في المادة المحيطة بالحجرة. ولأن النيوترونات عديمة الشحنة، فلن يتم رصدها في حجرة الفقاعات، وسيؤدي رصد تفاعلاتها إلى محاكاة أحداث التيارات المحايدة. ولتقليل خلفية النيوترونات، كان لا بد أن تكون طاقة الأحداث الهادرونية أكبر من 1 جيجا إلكترون فولت.

تم اكتشاف أول مثال لحدث ليبتوني في ديسمبر 1972 في تجربة غارغاميل على يد طالب دراسات عليا من آخن . وبحلول مارس 1973، تم رصد 166 حدثًا هادرونيًا، منها 102 حدثًا باستخدام حزمة النيوترينو و64 حدثًا باستخدام حزمة مضادات النيوترينو. ^{[ 9 ]} ومع ذلك، ظلّت مسألة الخلفية النيوترونية تُلقي بظلالها على تفسير الأحداث الهادرونية. وقد حُلّت هذه المشكلة بدراسة أحداث التيار المشحون التي ارتبطت أيضًا بتفاعل نيوتروني يُلبي معايير اختيار الأحداث الهادرونية. ^{[ 10 ]} وبهذه الطريقة، أصبح بالإمكان رصد تدفق الخلفية النيوترونية. وفي 19 يوليو 1973، قدّم فريق غارغاميل اكتشاف التيارات المحايدة في ندوة عُقدت في سيرن.

اكتشف فريق غارغاميل كلاً من التيارات المحايدة الليبتونية - وهي أحداث تتضمن تفاعل النيوترينو مع الإلكترون - والتيارات المحايدة الهادرونية - وهي أحداث تحدث عند تشتت النيوترينو من نيوكليون. كان هذا الاكتشاف بالغ الأهمية لدعمه نظرية التفاعل الكهروضعيف ، التي تُعد اليوم ركيزة أساسية من ركائز النموذج القياسي . وجاء الدليل التجريبي النهائي على صحة نظرية التفاعل الكهروضعيف عام 1983، عندما اكتشف فريقا UA1 و UA2 بوزونات W ^± و ^Z⁰ .

كانت الأولوية الأولى لتجربة غارغاميل هي قياس مقاطع التشتت ودوال البنية للنيوترينو والنيوترينو المضاد . وكان الهدف من ذلك اختبار نموذج الكواركات للنيوكليون. في البداية، تبين أن مقاطع التشتت للنيوترينو والنيوترينو المضاد تتناسب خطيًا مع الطاقة، وهو ما يُتوقع لتشتت المكونات النقطية في النيوكليون. وقد سمح دمج دوال البنية للنيوترينو والنيوترينو المضاد بتحديد العدد الصافي للكواركات في النيوكليون، وكان هذا العدد متوافقًا بشكل جيد مع القيمة 3. بالإضافة إلى ذلك، وبمقارنة نتائج النيوترينو مع نتائج مركز ستانفورد للمسرع الخطي (SLAC) في الولايات المتحدة، باستخدام حزمة إلكترونية، وُجد أن للكواركات شحنات كسرية، وتم إثبات قيم هذه الشحنات تجريبيًا: +2/3 e ، -1/3 e . نُشرت النتائج في عام 1975، مما وفر دليلًا حاسمًا على وجود الكواركات. ^{[ 11 ]}  

في عام 2009، حصل فريق غارغاميل على جائزة فيزياء الجسيمات عالية الطاقة من الجمعية الفيزيائية الأوروبية "لرصده تفاعل التيار المحايد الضعيف". ^{[ 12 ]}

• مسرع البروتون
• تجربة UA1
• تجربة UA2
• بوزونات W و Z
• غرفة الفقاعات

• جامعة نوتنغهام، "غارغاميل والتيارات المحايدة"

• تسجيل تجربة غارغاميل على INSPIRE-HEP