في ربيع هذا العام ، أصدر تعاون عالمي من العلماء قياسًا كان من الممكن أن يقلب أهم نظرية في الفيزياء رأسًا على عقب. الرقم الذي كشفوا عنه يصف سلوك جسيم دون ذري يُعرف بالميون ، وكان السؤال الكبير هو ما إذا كان القياس سيتناسب مع تنبؤات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. إذا لم يكن الرقم مناسبًا ، فهذا يعني أن هناك شيئًا كبيرًا لا يفهمه علماء الفيزياء حول كيفية عمل الكون. عند الفتح الدرامي للمظروف الذي يحتوي على القياس ، صرخ الباحثون بحماس – الرقم يختلف مع النموذج القياسي. هناك حاجة إلى مزيد من التحقيق للتأكد من أنه ليس صدفة إحصائية ، ولكن ، مع ذلك ، تعمق لغز الميون.

لدراسة شيء صغير مثل الميون يتطلب مسرعات جسيمات ضخمة وكواشف حساسة وقدرة حاسوبية كبيرة. لكن هذا التعاون يتطلب أكثر من مجرد التكنولوجيا: إن مفتاح أي اكتشاف هو العلماء والثقافة التي ينشئونها ، بما في ذلك العلماء في بداية حياتهم المهنية الذين يقدمون عملاً نقديًا بل ويشكلون اتجاه البحث بشكل عام.

“نأتي برؤية خضراء جدًا للتجربة. لكن الكثير من الأسئلة التي طرحتها كانت مختلفة تمامًا عن تلك التي طُرحت من قبل “.

فقط اسأل Jessica Esquivel ، العالمة في تجربة Muon g-2 في Fermilab في إلينوي. عندما كانت حديثة التخرج من المدرسة العليا ، قامت Esquivel بترقية أجزاء من أجهزة الجهاز وعملت على برنامج يساعد في إصلاح تحليل البيانات استجابةً لأوجه الخلل التجريبية. الآن ، بعد بضع سنوات فقط ، قادت عملية جمع البيانات للتجربة كأحد منسقي التشغيل. لكن عملها وعلماء آخرين في بداية حياتهم المهنية لم يؤد إلى تشكيل النتائج العلمية فحسب ؛ كما ساعد في تغيير ثقافة المشروع.

قالت: “نأتي برؤية خضراء جدًا للتجربة”. “لكن الكثير من الأسئلة التي طرحتها كانت مختلفة تمامًا عن تلك التي تم طرحها من قبل” ، بما في ذلك أسئلة حول الأجهزة والبرامج والثقافة التي قد يتجاهلها شخص يعمل في مشروع منذ عقود.

تجربة Muon g-2 عبارة عن مغناطيس قطره 50 قدمًا يقيس خصائص ابن عم الإلكترون الأثقل ، الميون. في 7 أبريل ، أعلن باحثو التجربة أنهم قاموا بعمل قياس دقيق للغاية عن طريقة تذبذب الجسيم في المجال المغناطيسي. اختلف هذا القياس قليلاً عن تنبؤات الإطار الأساسي لفيزياء الجسيمات ، النموذج القياسي. تبلغ احتمالية أن يكون القياس صدفة حوالي 1 من 40000 ، لذلك لا يزال يتعين على الفريق أخذ المزيد من البيانات من أجل إعلان التناقض رسميًا على أنه “اكتشاف”. لكن إذا كان القياس صحيحًا ، فهذا يعني أن هناك ظواهر فيزيائية غير مفسرة ، تلك التي قد تؤدي إلى اكتشاف أو جسيمات جديدة أو الإجابة على بعض الأسئلة الكبيرة البارزة ، مثل الهوية الحقيقية للمادة المظلمة.

انضمت Esquivel إلى التجربة مرة أخرى في عام 2018 ، بعد وقت قصير من إكمال الدكتوراه ، حيث دربت شبكة عصبية للتعرف على نتائج التجارب على جسيم النيوترينو المبهم. تطلب الانتقال منحنى تعليمي حاد – كانت تدرس جسيمًا مختلفًا ومجموعة مختلفة مصاحبة من القواعد الفيزيائية ، بينما تنتقل في نفس الوقت من البرمجيات إلى الأجهزة. غاصت في رأسها أولاً. خلال الجولة الأولى ، كان جزء من التجربة يسمى Blumleins – يتألف من أنابيب معدنية ضخمة متحدة المركز مملوءة بزيت الخروع – كان ينفجر. كان عليها تصريف وتفكيك المكون بالكامل على طاولات كبيرة مع هياكل دعم للأنابيب لمعرفة الخطأ. اضطرت هي وزملاؤها إلى تنظيف الأنابيب واستبدال العزل ، كل ذلك بينما كانت تقفز في نفس الوقت بين المختبرات الأخرى وترقية الإلكترونيات وتطوير لوحات الدوائر واختبارها ولحامها لنقل الإشارة بين أجزاء التجربة.

انتقلت في النهاية إلى البحث الذي يتلاءم بشكل أكبر مع خبرتها في المدرسة العليا – برنامج التجربة – وتعديل حزمة تحليل البيانات من أجل استيعاب التأثيرات المغناطيسية التي أدخلتها المكونات المعيبة. قالت: “هناك أجزاء من سلسلة البرامج ليست براقة مثل العمل على التحليل النهائي نفسه”. “ولكن إذا لم أقم بتطوير إطار العمل لتشغيل وإيقاف الاستجابات لتلك المكونات التالفة ، فلن نتمكن من حساب عدم اليقين حول القيمة النهائية.”

إعلان “هناك أجزاء من سلسلة البرامج ليست براقة مثل العمل على التحليل النهائي نفسه. ولكن إذا لم أقم بتطوير إطار العمل لتشغيل وإيقاف الاستجابات لتلك المكونات التالفة ، فلن نتمكن من حساب عدم اليقين حول القيمة النهائية “.

بعد عامين فقط من التجربة ، اختار الفريق Esquivel للعمل كأحد منسقي الجري ، وهو الدور الذي تشغله حتى يومنا هذا. خلال الورديات التي تستغرق شهرًا ، قم بتشغيل المنسقين بمراجعة جميع الأعمال التي يجب على الفريق إكمالها ، وتعيين المهام ، والتأكد من إنجاز هذه المهام – بالإضافة إلى ذلك ، يجب عليهم التواصل مع قسم التسريع الذي يرسل حزمة الجسيمات المستخدمة لإنتاج الميونات في التجربة نفسها. أضاف جائحة كوفيد -19 مستوى إضافيًا من التعقيد ؛ قللت قواعد منشأة Fermilab من عدد الأشخاص المسموح لهم بالدخول إلى القاعة التجريبية في وقت واحد. كانت تجربة بالنار. وقالت: “في اليوم الأول الذي كنت فيه منسقة تشغيل ، كنا نحاول تشغيل التجربة بعد شهور من الإغلاق” ، في إشارة إلى إغلاق طويل مجدول بالفعل تم تمديده بسبب تفشي جائحة كوفيد -19 المستمر. لكنها صعدت إلى مستوى التحدي.

كمنسق تشغيل ، عمل Esquivel على دعم رفاهية باحثي ما بعد الدكتوراه وطلاب الدراسات العليا الذين يقومون بالكثير من الأعمال اليومية للتجارب. وأوضحت أن العلماء المرهقين يمكن أن يؤديوا إلى ظروف غير آمنة. “أنا ممتن لأنني أستطيع استخدام موقع القوة هذا ، حيث يستمع الناس إلي عندما أقول إنه لا ينبغي لنا دفع الطلاب إلى حدود عمل لا يمكن بلوغها.” إنها تشعر بأنها كانت قادرة على تقديم منظور فريد بأكثر من طريقة – بعد مقتل جورج فلويد على يد الشرطة ، كانت قادرة على قيادة محادثات معقدة مع علماء آخرين في Muon g-2 بصفتها امرأة سوداء حول الكفاح من أجل العدالة العرقية ، والمحادثات أن فريق العلماء تجنب سابقًا التحدث عنه علانية في مكان العمل.

قالت تامي والتون ، العالمة المشاركة في تجربة Muon G-2 التي عملت في Fermilab منذ حصولها على الدكتوراه في عام 2014 ، إن الثقافة في التجربة لم تشعر دائمًا بأنها تقدر مدخلات العلماء الشباب أو المتنوعين. أوضح أنه نظرًا لأن تجربة g-2 كانت استمرارًا لواحد تم إجراؤه في مختبر Brookhaven الوطني من 1997 إلى 2001 ، فقد ذهب العديد من الأدوار القيادية إلى علماء فيزيائيين مرموقين من التكرار السابق ، ووجد الجيل الأحدث من العلماء صعوبة في التحرك. في الأدوار القيادية. قالت والتون إن الأمر كان أكثر صعوبة بالنسبة لها ، كعالمة مبكرة وأول امرأة سوداء (وفي ذلك الوقت فقط) في التجربة.

يعود الفضل جزئيًا إلى والتون وآخرين ، بدأت الأمور تتغير بالنسبة للعلماء في بداية التجربة. قالت والتون إن القيادة التجريبية تثق بها وعلى الآخرين بشكل متزايد فيما يتعلق بقرارات مهمة حول اتجاه التجربة – عزت Esquivel هذا جزئيًا إلى والتون التي دعت إلى الظلم في التجربة عندما شاهدتها. في أبريل الماضي ، أخبرتني عالمة Fermilab المشاركة Sudeshna Ganguly في مقابلة بالفيديو أن العلماء الأصغر سنًا يتحملون الآن الكثير من المسؤولية عبر الأجهزة والبرامج والعمليات كمنسقين تشغيل وقادة مشروع – مسؤوليات تدربهم على مستقبل في أبحاث الفيزياء. أشار Esquivel إلى أنه خلال إعلان أبريل ، شجعت القيادة العليا للتعاون العلماء الشباب على تولي زمام المبادرة كمتحدثين باسم النتائج.

على الرغم من أن الصور النمطية التقليدية للعلماء تصور الرجال ذوي الشعر الرمادي ، بمعزل عن الرجال ، فإن التاريخ الفعلي للفيزياء يكشف عن أهمية العلماء الأصغر سنا في تقدم هذا المجال. حصل أينشتاين على جائزة نوبل عن عمله في سن 26 ، وهايزنبرغ عن العمل الذي قام به في سن 25 ؛ اكتشفت جوسلين بيل بورنيل النجوم النابضة عندما كانت طالبة دراسات عليا تبلغ من العمر 24 عامًا. اليوم ، يقوم طلاب الدراسات العليا والباحثون ما بعد الدكتوراه بأداء الكثير من العمل اليومي في تعاونات الفيزياء الكبيرة. العمر لا يتوقع النجاح.

في النهاية ، تأمل إسكيفيل أن تتمكن من تطبيق تقنيات التعلم الآلي التي اخترتها في كلية الدراسات العليا لمواصلة البحث عن الميون – وبالتالي تواصل إحداث ثغرات في أهم نظرية في فيزياء الجسيمات. لكنها وعلماء آخرون في بداية حياتهم المهنية تركوا بالفعل تأثيرًا نحو الأفضل.