كمشكلة ضخمة للفيزيائيين ، فإن الجسيم الأساسي يزن أثقل مما كان متوقعًا

النموذج الذي لدينا لفهم الكون الجسيمات الأساسية يشبه إلى حد ما علبة التروس: تغيير طفيف واحد على خصائص أي جسيم منفرد يلقي بميكانيكا الجسيمات الأخرى أيضًا.

لذلك عندما تُنشر ورقة بحثية تكتشف أن كتلة جسيم أساسي واحد تختلف قليلاً عما كان مقبولاً سابقًا ، فإنها تفعل أكثر من مجرد إثارة الدهشة في عالم الفيزياء. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن مثل هذا الاكتشاف قد يعني أن الفيزياء الأساسية “خاطئة” بطريقة لم يتم تحديدها بعد ، وستتغير فيزياء الجسيمات لعقود قادمة.

يُعد فهمنا للجسيمات الأساسية ، وهو ما يُعرف بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، أحد أعظم الإنجازات البشرية على مدار المائة وخمسين عامًا الماضية. استغرق الأمر الآلاف من الفيزيائيين والمهندسين الذين عملوا لأكثر من قرن من الزمن لتجميع كل القطع ، بدءًا من اكتشاف الإلكترون في عام 1897 وانتهاءً بـ اكتشاف من Higgs Boson طويل النظر في عام 2012.

في وقت سابق من هذا الشهر ، بعد 20 عامًا من التحليل ، أعلن العلماء في Collider Detector في Fermilab (CDF) أنهم أجروا القياس الأكثر دقة لكتلة بوزون دبليو. بعد ملايين التجارب والملاحظات ، وصل قياس الكتلة إلى 1.43385738 × 10^-22 جرامات. (هذا يبدو خفيفًا ، لكنه أثقل مما ينبغي).

إن الدقة في قياس أحد الجسيمات الحاملة للقوة في الطبيعة رائعة: يقول العلماء إن الكتلة المعدلة للجسيم تبلغ دقتها 0.01٪ – ضعف دقة القياس الأفضل السابق. نُشرت النتائج في مجلة Science.

ذات صلة: لماذا يشك بعض علماء الفيزياء في تجربة الميون التي تلمح إلى “فيزياء جديدة”

لكن هناك مشكلة واحدة كبيرة: يتعارض هذا القياس مع القيمة التي يستخدمها العلماء في المدخلات النظرية للنموذج القياسي. بعبارة أخرى ، إذا كان هذا صحيحًا ، فإن قياس الكتلة يشير إلى أن النموذج القياسي للفيزياء – وهي نظرية قياسية ذهبية تشرح القوى الأربع المعروفة في الكون وجميع الجسيمات الأساسية – على أرضية مهتزة.

على عكس الجسيمات الأساسية الأخرى مثل الكواركات والإلكترونات والفوتونات ، فإن البوزون W ليس جسيمًا يتعلمه المرء عادةً في العلوم المدرسية. ومع ذلك ، مثل هذه الجسيمات ، فهي أساسية لتكوين المادة في الكون. بوزون W هو جسيم رسول فيما يعرف باسم “القوة النووية الضعيفة” ، والتي تشكل جزءًا من التفاعلات الأساسية الأربعة المعروفة في فيزياء الجسيمات. الآخرون هم الكهرومغناطيسية والتفاعل القوي والجاذبية. في حين أن القوة الكهرومغناطيسية والجاذبية هما أمران عاديان للتفاعلات البشرية والحياة اليومية ، والقوة القوية هي التي تربط النوى الذرية معًا ، فإن التفاعل الضعيف لا يكون مرئيًا بشكل واضح. ومع ذلك ، فإن القوة الضعيفة متورطة في التحلل الإشعاعي للذرات ، وهي لا غنى عنها تمامًا مثل القوى الأخرى للطريقة التي يبدو بها كوننا اليوم مثل أي من القوى الثلاث الأخرى. ولا يمكن أن يحدث التفاعل الضعيف بدون مساعدة من بوزون دبليو.

من أجل إجراء القياس الجديد لكتلة بوزون دبليو ، استخدم الباحثون بيانات الاصطدام من معمل فرمي الوطني المعجل ، مسرع جسيمات خارج الخدمة الآن في إلينوي. يطلق مسرع الجسيمات في Fermilab البروتونات والبروتونات المضادة على بعضها البعض بسرعة قريبة من سرعة الضوء ويلاحظ عن كثب انفجار الجسيمات النشطة التي نتجت عن العواقب ، ثم يستنبط خصائصها.

خلال تشغيله ، تمكن المسرع من تجميع أربعة ملايين بوزون مرشح ، تم قياس خصائصه مرارًا وتكرارًا. من خلال حسابات مكثفة ، استقر العلماء على قياساتهم ، والتي كانت دقيقة لسبعة انحرافات معيارية – أعلى بكثير من الانحرافات المعيارية الخمسة التي تؤدي إلى نتيجة إحصائية قياسية ذهبية.

Kotwal من جامعة ديوك ، الذي قاد التحليل وهو واحد من 400 عالم في تعاون CDF ، قالتفي بيان صحفي. “لقد أخذنا في الاعتبار فهمنا المحسن لكاشف الجسيمات لدينا بالإضافة إلى التقدم في الفهم النظري والتجريبي لتفاعلات بوزون W مع الجسيمات الأخرى. وعندما كشفنا أخيرًا عن النتيجة ، وجدنا أنها تختلف عن تنبؤ النموذج القياسي.”

الفرق؟ وضعت القياسات الجديدة البوزون W في حوالي عُشر واحد في المائة كتلة أكبر مما كان متوقعًا ومقبولًا سابقًا. يبدو هذا صغيرًا ، لكنه كافٍ للتسبب في مشكلة كبيرة لفيزياء الجسيمات – إذا كان هذا صحيحًا.

“حقيقة أن الكتلة المقاسة للبوزون W لا تتطابق مع الكتلة المتوقعة في النموذج القياسي يمكن أن تعني ثلاثة أشياء. إما أن تكون الرياضيات خاطئة أو القياس خاطئ أو أن هناك شيئًا مفقودًا من النموذج القياسي ،” يكتب عالم فيزياء الجسيمات عالية الطاقة جون كونواي في المحادثة.

بعبارة أخرى ، فإن إجراء أي تغييرات على النموذج القياسي لن يؤثر فقط على النموذج القياسي – بل يمكن أن يهز جميع الفيزياء وفهمنا للكون.

وقال المتحدث باسم CDF ديفيد توباك في بيان صحفي: “الأمر متروك الآن لمجتمع الفيزياء النظرية والتجارب الأخرى لمتابعة هذا وإلقاء الضوء على هذا اللغز”. “إذا كان الاختلاف بين القيمة التجريبية والقيمة المتوقعة ناتجًا عن نوع ما من الجسيمات الجديدة أو التفاعل دون الذري ، وهو أحد الاحتمالات ، فهناك فرصة جيدة أنه شيء يمكن اكتشافه في التجارب المستقبلية.”

لقد أثبت النموذج القياسي نجاحه بشكل لا يصدق في التنبؤ بخصائص الجسيمات المكونة له ، وحتى خصائص الجسيمات غير المرئية من قبل. بسبب طبيعتها النبوية الرائعة ، يتوق الفيزيائيون إلى محاولة إحداث ثقوب ، والتي يمكن أن تسفر عن اكتشافات جديدة وفيزياء جديدة. في الواقع ، كما ذكرت صالون في عام 2021 ، أنتجت تجربة Fermilab’s Muon g-2 نتائج غريبة كانت مختلفة قليلاً عما توقعه النموذج القياسي – على الرغم من أن هذه النتائج لم تتجاوز “المعيار الذهبي” للانحراف المعياري الخمسة الذي سيجعلها نهائية.

هل تريد المزيد من القصص الصحية والعلمية في بريدك الوارد؟ اشترك في النشرة الإخبارية الأسبوعية للصالون العالم المبتذل.

ولكن عندما يتعلق الأمر بإجراء قياسات دقيقة جدًا وبهامش خطأ صغير ، يقول بعض الفيزيائيين إنه من المحتمل أيضًا أن تكون التجربة بها عيوب ، بدلاً من النموذج القياسي.

“يمكنك أن تسأل ،” هل يمكن أن يكون هذا تأثيرًا تجريبيًا ، وخطأ تجريبيًا ، وهل يمكن أن تكون المعايرة هي مصدر ذلك؟ حسنًا ، إنه أحد الاحتمالات “، هكذا قال بروس شوم ، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا- سانتا كروز ، ومؤلف كتاب أ كتاب شعبي في فيزياء الجسيمات ، قال لصالون. “إذا كان الاختلاف [in mass] هو خطأ ، ربما نعم ، تعد معايرة الكاشف مصدرًا مرجحًا جدًا لهذا الخطأ ، لذلك الخطأ “.

قال شوم إنه من المهم التمييز بين صحة و الاحكام، مع ملاحظة أنه قد يتم إجراء قياس غير دقيق بدقة شديدة.

وقال شوم: “الدقة هي حجم عدم اليقين والدقة هي حجم الخطأ المحتمل”. “يمكن أن يكون لديك شيء دقيق للغاية ، لكنه خاطئ بشكل كبير.”

قال شوم إن القياس الجديد لكتلة W boson من CDF كان “يفتقد إلى مسدس دخان” – على وجه التحديد ، سبب محدد بوضوح أن القياسات الأخرى من تجارب مختلفة لا تتفق مع نتيجة CDF لكتلة W boson.

قال شوم: “من المتصور أن جميع القياسات الأخرى تفتقد شيئًا ما وأن قياس CDF قام بذلك بعناية أكبر ويحصل على الإجابة الصحيحة”. “لكنني أعتقد في جميع الاحتمالات ، إما أن نتيجة CDF خاطئة ، أو أن مجموعة النتائج الأخرى خاطئة.”

في السابق ، قال شوم لصالون إنه “من المبالغة في الدرامية” القول إن النموذج القياسي ستتم إعادة كتابته بالكامل أو التراجع عنه.

قال شوم: “كان النموذج القياسي دائمًا ، منذ يوم اختراعه ، معروفًا بأنه ما يسمى بـ” النظرية الفعالة “. وشبه النموذج القياسي بـ “قمة جبل جليدي” ، حيث يتم ملاحظة الطرف وفهمه جيدًا حتى لو كنا لا نعرف تمامًا ما يكمن تحت الماء. “سأراهن بأي مبلغ من المال [the Standard Model] لن يتم الإطاحة به أبدًا ، كتمثيل لتلك القمة من الجبل الجليدي “.

اقرأ المزيد عن فيزياء الجسيمات: