الفيزياء الأساسية الجديدة؟ ظواهر غير قابلة للتفسير من تجربة مصادم الهادرونات الكبير

حدث نموذجي LHCb أعيد بناؤه بالكامل. تظهر الجسيمات التي تم تحديدها على أنها بيونات ، كاون ، وما إلى ذلك بألوان مختلفة. الائتمان: CERN ، LHCb Collaboration

النتائج التي أعلنتها تجربة LHCb في سيرن كشفت المزيد من التلميحات عن الظواهر التي لا يمكن تفسيرها من خلال نظريتنا الحالية للفيزياء الأساسية.

في مارس 2020 ، أصدرت نفس التجربة دليلاً على كسر الجسيمات لأحد المبادئ الأساسية للنموذج القياسي – أفضل نظرية لدينا عن الجسيمات والقوى – مما يشير إلى احتمال وجود جسيمات وقوى أساسية جديدة.

حاليا، مزيد من القياسات بواسطة الفيزيائيين في مختبر كافنديش في كامبريدج ، وجدوا تأثيرات مماثلة ، مما عزز قضية الفيزياء الجديدة.

يصف النموذج القياسي جميع الجسيمات المعروفة التي يتكون منها الكون والقوى التي تتفاعل من خلالها. لقد اجتاز كل اختبار تجريبي حتى الآن ، ومع ذلك يعرف الفيزيائيون أنه لا بد أنه غير مكتمل. لا يشمل قوة الجاذبية ، ولا يمكنه تفسير كيفية إنتاج المادة خلال الانفجار العظيم، ولا يحتوي على جسيم يمكن أن يفسر المادة المظلمة الغامضة التي يخبرنا علم الفلك أنها أكثر وفرة بخمس مرات من الأشياء التي تشكل العالم المرئي من حولنا.

نتيجة لذلك ، لطالما سعى الفيزيائيون إلى البحث عن علامات فيزيائية تتجاوز النموذج القياسي قد تساعدنا في معالجة بعض هذه الألغاز.

واحدة من أفضل الطرق للبحث عن جسيمات وقوى جديدة هي دراسة الجسيمات المعروفة باسم كواركات الجمال. هؤلاء هم أبناء عمومة غريبون للكواركات العلوية والسفلية التي تشكل نواة كل منها ذرة.

لا توجد كواركات الجمال بأعداد كبيرة في جميع أنحاء العالم لأنها قصيرة العمر بشكل لا يصدق – فهي تعيش في المتوسط ​​لمدة تريليون من الثانية فقط قبل أن تتحول أو تتحلل إلى جسيمات أخرى. ومع ذلك ، يتم إنتاج المليارات من كواركات الجمال كل عام بواسطة معجل الجسيمات العملاق التابع لـ CERN ، مصادم الهادرونات الكبير ، والذي يتم تسجيله بواسطة كاشف مبني لهذا الغرض يسمى LHCb.

كهف تجربة LHCb في LHC- IP 8. Credit: CERN

يمكن أن تتأثر طريقة اضمحلال كواركات الجمال بوجود قوى أو جسيمات غير مكتشفة. في مارس ، أصدر فريق من الفيزيائيين في LHCb نتائج تظهر أدلة على أن كواركات الجمال كانت تتحلل إلى جسيمات تسمى الميونات في كثير من الأحيان أقل من نظيراتها الأخف وزنا ، الإلكترونات. من المستحيل تفسير هذا في النموذج القياسي ، الذي يعالج الإلكترونات والميونات بشكل متماثل ، بصرف النظر عن حقيقة أن الإلكترونات أخف بحوالي 200 مرة من الميونات. نتيجة لذلك ، يجب أن تتحلل كواركات الجمال إلى ميونات وإلكترونات بمعدلات متساوية. وبدلاً من ذلك ، وجد الفيزيائيون في LHCb أن تحلل الميون كان يحدث فقط بنسبة 85٪ تقريبًا مع اضمحلال الإلكترون.

كان الفرق بين نتيجة LHCb والنموذج القياسي حوالي ثلاث وحدات من الخطأ التجريبي ، أو “3 سيجما” كما هو معروف في فيزياء الجسيمات. هذا يعني أنه لا يوجد سوى احتمال واحد في الألف للنتيجة ناتجة عن صدفة إحصائية.

بافتراض أن النتيجة صحيحة ، فإن التفسير الأكثر ترجيحًا هو أن القوة الجديدة التي تسحب الإلكترونات والميونات بقوى مختلفة تتداخل مع كيفية تحلل كواركات الجمال هذه. ومع ذلك ، للتأكد مما إذا كان التأثير حقيقيًا ، هناك حاجة إلى مزيد من البيانات لتقليل الخطأ التجريبي. فقط عندما تصل النتيجة إلى عتبة “5 سيجما” ، عندما يكون هناك فرصة أقل من واحد في المليون لكونها بسبب الصدفة العشوائية ، سيبدأ علماء فيزياء الجسيمات في اعتبارها اكتشافًا حقيقيًا.

قال الدكتور هاري كليف من مختبر كافنديش: “حقيقة أننا رأينا نفس التأثير الذي شاهده زملاؤنا في مارس يعزز بالتأكيد فرص أننا قد نكون حقًا على وشك اكتشاف شيء جديد”. “من الرائع إلقاء المزيد من الضوء على اللغز.”

اليوم نتيجة فحص اثنين من كوارك الجمال الجديد المتحلل من نفس عائلة الاضمحلال كما هو مستخدم في نتيجة مارس. وجد الفريق نفس التأثير – اضمحلال الميون كان يحدث فقط حوالي 70٪ كلما تحلل الإلكترون. هذه المرة الخطأ أكبر ، مما يعني أن الانحراف يقارب “2 سيجما” ، مما يعني أن هناك فرصة تزيد قليلاً عن 2٪ لكونه ناتجًا عن خلل إحصائي في البيانات. في حين أن النتيجة ليست قاطعة من تلقاء نفسها ، إلا أنها تضيف المزيد من الدعم إلى كومة متزايدة من الأدلة على وجود قوى أساسية جديدة تنتظر من يكتشفها.

قال البروفيسور فال جيبسون: “تتزايد الإثارة في مصادم الهادرون الكبير في الوقت الذي يوشك فيه كاشف LHCb الذي تمت ترقيته على العمل وجمع المزيد من البيانات التي ستوفر الإحصاءات اللازمة إما للادعاء أو دحض اكتشاف كبير”. مختبر كافنديش.