تم اكتشاف جسيم جديد في مصادم الهادرونات الكبير

اكتشف تعاون LHCb جسيمًا جديدًا يحتوي على كوارك واحد غريب واثنين من الكواركات الساحرة. وبهذا أكمل الفيزيائيون اكتشاف عائلة الباريونات ذات السحر المزدوج بأكملها -وهي جسيمات تتكون من كواركين ساحرين وكوارك إضافي واحد- ووضعوا حدًا لقصة استمرت لأكثر من ستة عقود.

الكواركات هي اللبنات الأساسية للمادة. هناك ستة أنواع في المجمل (العلوي، والسفلي، والمسحور، والغريب، والحقيقي، والساحر)، وهي تتحد في أزواج أو ثلاثة توائم لتشكل الميزونات والباريونات، على التوالي. قبل ستين عامًا، عندما بدأت التجارب تظهر لأول مرة أن المادة مصنوعة من الكواركات، كان الباحثون يبنون بالفعل نماذج نظرية لتصنيف المجموعات المحتملة من الكواركات إلى جسيمات مركبة، وسرعان ما تعلموا التنبؤ بخصائص الجسيمات غير المكتشفة بعد.

كانت نقطة التحول هي اكتشاف جسيم جديد في مختبر بروكهافن الوطني في عام 1964. وكان يتألف من ثلاثة كواركات غريبة وتنبأ به المنظرون مسبقًا؛ أثبت التأكيد التجريبي لوجوده وخصائصه بوضوح قوة التنظير.

مسحور مرتين

وبعد عشر سنوات، في عام 1974، هز اكتشاف آخر عالم فيزياء الجسيمات، وهو اكتشاف الكوارك الساحر الرابع. وهذا يعني أنه يجب توسيع النماذج لتشمل العديد من المجموعات الجديدة المحتملة من الكواركات. ومن بين هذه التنبؤات كانت الباريونات ذات السحر المزدوج. وهي تتكون من كواركين ساحرين، والثالث إما كوارك علوي، أو كوارك سفلي، أو كوارك غريب. يهتم الفيزيائيون بشكل خاص بهذه العائلة لأن الاختلافات الكبيرة في كتل الكواركات يمكن أن توفر معلومات قيمة حول القوة القوية، وهي القوة التي تربط الكواركات معًا داخل الجسيمات المكونة لها.

ومع ذلك، فإن التجارب في ذلك الوقت لم تكن قادرة على إنتاج باريونات ذات سحر مضاعف بكميات كافية ولم تكن حساسة بما يكفي لاكتشافها. ولوضع ذلك في نصابه الصحيح، تم الاكتشاف التاريخي لجسيمات الكواركات الثلاثة الغريبة في عام 1964 من خلال النظر إلى 80 ألف صورة فوتوغرافية لتصادمات الجسيمات في غرف الفقاعات. إن البحث عن الباريونات ذات السحر المزدوج على أساس جدي يتطلب طاقات أعلى بكثير من مصادم الهادرونات الكبير (LHC) وتحليل تريليونات من تصادمات الجسيمات.

سلسلة الاكتشافات

تم اكتشاف أول هذه الباريونات من خلال تعاون LHCb في عام 2017، والثاني الربيع الماضي. والآن، بعد مرور 50 عامًا على التنبؤ لأول مرة، تم اكتشاف العضو الثالث والأخير في العائلة.

افتتاح قدم في المؤتمر الدولي الحادي والعشرين للفيزياء ب في مصادمات الجيل القادم في ماستريخت. ويستند إلى البيانات التي تم جمعها في عام 2024 من اصطدامات البروتونات عالية الطاقة في LHC. في هذه الاصطدامات، وُلدت باريونات جديدة ذات سحر مضاعف، لكنها قصيرة العمر للغاية – بعد تحليق جزء من المليمتر في الكاشف، فإنها تتحلل إلى جسيمات أكثر استقرارًا. قام أعضاء فريق LHCb بتتبع المسارات التي خلفتها الجسيمات في الكاشف إلى نقاط ميلادهم. وهكذا، تم اكتشاف الأثر المميز لجسيم جديد قصير العمر بكتلة أكبر بحوالي أربع مرات من كتلة البروتون.

“هذه لحظة ذات أهمية تاريخية كبيرة. من بين 85 جسيمًا مركبًا تم اكتشافها في LHC حتى الآن، تعد هذه الباريونات الثلاثة ذات السحر المزدوج فريدة من نوعها. إنها تتحلل من خلال تفاعلات ضعيفة وتعيش لفترة كافية حتى يتم قياس المسافة التي تقطعها. وقد أصبح هذا الاكتشاف ممكنًا من خلال ترقيات كاشف LHCb وقدرته المتزايدة على تتبع وتحديد الجسيمات”، أوضحت الفيزيائية باولا كولينز، نائب مدير تجربة LHCb القادم.

ما هو التالي

لكن القصة لا تنتهي عند هذا الحد. ستستخدم الدراسات المستقبلية أحدث البيانات من تجربة LHCb لإجراء قياسات دقيقة لخصائص الجسيم الجديد، بما في ذلك كتلته وعمره، بالإضافة إلى تحسين المعلمات المقابلة للباريونات ذات السحر المزدوج المعروفة بالفعل. بالإضافة إلى ذلك، لم يتم بعد اكتشاف الحالات المثارة لهذه الجسيمات، وكذلك الباريونات الجديدة التي تحتوي على كواركات الجمال، إما بدلاً من الكواركات الساحرة أو بالإضافة إليها.