الجسيمات الغريبة التي يمكنها أخيرًا كسر النموذج القياسي

يعلم الفيزيائيون أن وصفهم النظري الأنيق للقوى والجسيمات ــ النموذج القياسي ــ لا بد أن يكون غير كامل، لأن هناك مجموعة من الظواهر التي لا يستطيع تفسيرها، مثل وجود المادة المظلمة.

لكن الملاحظات تستمر في تأكيد دقة النموذج بدقة أكبر من أي وقت مضى. حتى القياسات التي بدت وكأنها تكسر القالب، مثل أ التناقض في كتلة جسيم يسمى بوزون W، تبخرت تحت مزيد من التحقيق.

الآن، يشير تحليل من تجربة أجريت في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN، وهو مختبر فيزياء الجسيمات الأوروبي بالقرب من جنيف بسويسرا، إلى أن هناك انحرافًا واحدًا عن النموذج القياسي قد زاد. يتعلق الأمر بتحلل جسيمات تسمى الميزونات B إلى جسيمات أخرى. النتيجة التي تم قبولها للنشر في رسائل المراجعة البدنية، هي واحدة من آخر الحالات الشاذة المتبقية لعلماء فيزياء الجسيمات، الذين يبحثون عن فيزياء جديدة في الحطام الناتج عن اصطدامات البروتون بالبروتون التي تحول الطاقة إلى مادة.

طبيعة يستكشف أحدث النتائج من تجربة LHCb في CERN، والجسيمات الغريبة التي يمكن أن تفسرها.

ماذا وجدت التجربة؟

بدلًا من البحث عن جسيمات ثقيلة جديدة بشكل مباشر، يبحث LHCb بشكل غير مباشر عن تأثيراتها الدقيقة، بما في ذلك عندما تظهر بشكل عابر على أنها “جسيمات افتراضية” تؤثر على الاضمحلال. وللبحث عن هذه التأثيرات، قام الباحثون بتحليل التردد والزاوية التي تظهر بها الجسيمات من التحلل، للتحقق مما إذا كانت تتطابق مع تلك التي تنبأ بها النموذج القياسي. يبحث التحليل الجديد عندما يتحلل الميزون B – وهو جسيم يتكون من كوارك سفلي وكوارك أخف آخر – إلى ميزون آخر يحتوي على كوارك غريب، يُعرف باسم كاون، بالإضافة إلى اثنين من الميونات (أبناء عمومة أثقل للإلكترون). ووجدوا أن الزاوية التي تظهر بها المنتجات النهائية من الاضمحلال لا تتوافق مع تلك التي تنبأ بها النموذج القياسي. وقد تزايدت الأدلة على هذا الشذوذ منذ عام 2015.

كيف يشير هذا إلى الفيزياء الجديدة؟

يعتقد الفيزيائيون أن اضمحلال الميزون B هذا – المعروف باسم اضمحلال البطريق – يجب أن يكون حساسًا بشكل خاص للفيزياء غير المكتشفة بعد. (في عام 1977، صاغ المنظر البريطاني جون إليس هذا المصطلح، بسبب تشابه مخطط الاضمحلال مع البطريقبعد خسارته رهانًا أجبره على إدراج الكلمة في ورقته التالية¹). يتضمن الاضمحلال حلقة كمومية، حيث يتحول الكوارك السفلي إلى كوارك غريب، عبر انتقال مؤقت إلى جسيمات “افتراضية” تظهر داخل الوجود وتختفي منه. تسمح فيزياء الكم حتى للجسيمات الثقيلة وغير القياسية بالدخول إلى هذه الحلقة بشكل عابر وترك المنتجات النهائية بخصائص غير ممكنة من الجسيمات المعروفة فقط.

وبما أن هذا الاضمحلال نادر جدًا – حيث يتحلل حوالي واحد من مليار ميزون B بهذه الطريقة – فيجب أن يكون اكتشاف تأثير الجسيمات الجديدة أسهل من اكتشاف الاضمحلالات الأخرى الأكثر شيوعًا، حيث يتم حجب الإشارة.

هل يجب أن نكون متحمسين؟

يتضمن التحليل حوالي 650 مليار اضمحلال تم تجميعها في LHC خلال جولتين بين عامي 2011 و2018. وتختلف قياسات زوايا الجسيمات الناشئة مع النموذج القياسي بأهمية تبلغ حوالي 4 سيجما. وهذا يعني أن احتمال أن تنتج الضوضاء العشوائية الناتجة عن عمليات النموذج القياسي العادية هذه الإشارة يبلغ حوالي 1 في 16000، كما يقول ويليام بارتر، عالم فيزياء الجسيمات بجامعة إدنبرة بالمملكة المتحدة، الذي يعمل على LHCb. يقول بارتر: “هذه من بين أهم النتائج التي تم تحقيقها في السنوات القليلة الماضية في LHC”. المثير بشكل خاص هو أن النتيجة تبدو مدعمة مبدئيًا من خلال تجربة أخرى لمصادم LHC، وهي تجربة CMS، التي لاحظت وجود تناقض في اضمحلال الميزون B، وإن كان مع أهمية إحصائية أقل.

لكنه يضيف أن الإثارة تكون معتدلة، لأن الاضمحلال المنافس الذي يتضمن جسيمات تسمى الكواركات الساحرة يمكن أن يخلق نفس المنتجات تمامًا مثل الانتقال من القاع إلى الغريب، ومن الصعب على المنظرين التنبؤ بدقة بكيفية تأثير هذه “البطاريق الساحرة” على زوايا منتجات الاضمحلال النهائية. وتشير النظرية إلى أن هذا الاضمحلال من غير المرجح أن يفسر الانحراف الكامل عن النموذج القياسي، ولكن وجوده يعطي مجالا للحذر.

إذا كانت الإشارة حقيقية، فما هي الجسيمات الجديدة التي يمكن أن تفسرها؟

أحد الاحتمالات التي يمكن أن تفسر هذا التناقض هو ما إذا كان الجسيم المعروف باسم Z’ (يُنطق Z prime) هو جسيم افتراضي يشارك في تفكيك الميزونات B كجزء من انتقال الكوارك السفلي إلى الغريب. ويفترض الفيزيائيون أن هذا الجسيم – الذي سيرتبط بقوة جديدة غير مكتشفة بعد – سيكون مشابهًا للبوزون Z، وهو أحد الجسيمين اللذين يتوسطان القوة النووية الضعيفة. لكن Z سيكون أثقل، مع تفضيل للتفاعل مع عائلات معينة من الجسيمات، كما يقول بن ألاناتش، عالم الفيزياء النظرية بجامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة. ويضيف أن حرف Z سوف يتوسط قوة تميز بين “النكهات” المختلفة للجسيمات. يمكن أن تساعد هذه النظرية أيضًا في تفسير سبب اختلاف كتل الجسيمات في النموذج القياسي بشكل جذري.

الاحتمال الآخر هو وجود اللبتوكوارك، وهو جسيم قصير العمر، يُفترض أنه عند الطاقات العالية يأخذ خصائص عائلتين من الجسيمات: اللبتونات والكواركات. يقول بارتر إن اللبتوكواركات توفر طريقة أخرى يمكن من خلالها أن تتحول الكواركات السفلية إلى كواركات غريبة، ويمكن أن تسبب أيضًا زوايا الاضمحلال المرصودة.