ربما عثر العلماء في سيرن على قوة جديدة من قوى الطبيعة

عندما انطلق معجل سيرن العملاق ، مصادم الهدرونات الكبير ، قبل عشر سنوات ، تضاعفت الآمال في اكتشاف جسيمات جديدة قريبًا يمكن أن تساعدنا في كشف أعمق ألغاز الفيزياء. المادة المظلمة والثقوب السوداء المجهرية والأبعاد الخفية كانوا فقط بعض من الاحتمالات. ولكن بصرف النظر عن اكتشاف مذهل من بوزون هيغز ، فإن المشروع لديه رسبت في تقديم أي أدلة حول ما قد يكمن وراء النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، أفضل نظرياتنا الحالية عن الكون الصغير.

لذلك لدينا ورقة جديدة من LHCb ، إحدى التجارب الأربعة العملاقة لمصادم الهادرونات الكبير، من المرجح أن تجعل قلوب الفيزيائيين تنبض بشكل أسرع قليلاً. بعد تحليل تريليونات الاصطدامات التي حدثت خلال العقد الماضي ، قد نرى دليلاً على شيء جديد تمامًا – يحتمل أن يكون حاملًا لقوة جديدة تمامًا من الطبيعة.

لكن الحماسة يخففها الحذر الشديد. لقد صمد النموذج القياسي في وجه كل اختبار تجريبي تم إجراؤه عليه منذ أن تم تجميعه في السبعينيات ، لذا فإن الادعاء بأننا نرى أخيرًا شيئًا لا يمكنه تفسيره يتطلب أدلة غير عادية.

شذوذ غريب

يصف النموذج القياسي الطبيعة على أصغر المقاييس ، بما في ذلك الجسيمات الأساسية تُعرف باسم اللبتونات (مثل الإلكترونات) والكواركات (التي يمكن أن تتجمع لتشكيل جسيمات أثقل مثل البروتونات والنيوترونات) والقوى التي تتفاعل معها.

هناك العديد من أنواع الكواركات المختلفة ، بعضها غير مستقر ويمكن أن يتحلل إلى جسيمات أخرى. النتيجة الجديدة تتعلق بالشذوذ التجريبي الذي كان تم التلميح إليه لأول مرة في عام 2014 عندما اكتشف علماء فيزياء LHCb أن كواركات “الجمال” تتحلل بطرق غير متوقعة.

على وجه التحديد ، بدا أن كواركات الجمال تتحلل إلى لبتونات تسمى “الميونات” في كثير من الأحيان أقل مما تتحلل إلى إلكترونات. هذا غريب لأن الميون هو في جوهره نسخة كربونية من الإلكترون ، متطابق في كل شيء باستثناء أنه أثقل بحوالي 200 مرة.

قد تتوقع أن تتحلل كواركات الجمال إلى ميونات تمامًا كما تفعل مع الإلكترونات. الطريقة الوحيدة التي يمكن أن تحدث بها هذه الانحرافات بمعدلات مختلفة هي إذا كانت بعض الجسيمات التي لم يسبق رؤيتها من قبل تتورط في الاضمحلال وتقلب الموازين ضد الميونات.

في حين أن نتيجة 2014 كانت مثيرة للاهتمام ، إلا أنها لم تكن دقيقة بما يكفي للتوصل إلى نتيجة قاطعة. منذ ذلك الحين ، ظهر عدد من الحالات الشاذة الأخرى في العمليات ذات الصلة. لقد كانوا جميعًا بشكل فردي دقيقين للغاية بحيث لا يمكن للباحثين أن يكونوا واثقين من أنها كانت علامات حقيقية لفيزياء جديدة ، ولكن بشكل محير ، بدا أنهم جميعًا يشيرون في اتجاه مماثل.

كان السؤال الكبير هو ما إذا كانت هذه الحالات الشاذة ستزداد قوة مع تحليل المزيد من البيانات أو تذوب في لا شيء. في عام 2019 ، أجرى LHCb نفس القياس من كوارك الجمال يتحلل مرة أخرى ولكن مع بيانات إضافية مأخوذة في عامي 2015 و 2016. لكن الأمور لم تكن أوضح بكثير مما كانت عليه قبل خمس سنوات.

نتائج جديدة

تضاعف نتيجة اليوم مجموعة البيانات الحالية عن طريق إضافة العينة المسجلة في عامي 2017 و 2018. لتجنب حدوث تحيزات عن طريق الخطأ ، تم تحليل البيانات “عمياء” – لم يتمكن العلماء من رؤية النتيجة حتى يتم اختبار ومراجعة جميع الإجراءات المستخدمة في القياس .

ميتش باتلوصف عالم فيزياء الجسيمات في إمبريال كوليدج لندن وأحد رواد التجربة الإثارة التي شعر بها عندما حان الوقت للنظر في النتيجة. قال: “كنت في الواقع أرتجف” ، “أدركت أن هذا ربما كان أكثر الأشياء إثارة التي فعلتها خلال العشرين عامًا التي قضيتها في فيزياء الجسيمات.”

عندما ظهرت النتيجة على الشاشة ، كان الشذوذ لا يزال موجودًا – يتحلل حوالي 85 ميونًا لكل 100 إلكترون ، ولكن مع عدم يقين أقل من ذي قبل.

ما سيثير العديد من الفيزيائيين هو أن عدم اليقين في النتيجة قد انتهى الآن “الثلاث سيجما” – طريقة العلماء للقول أنه لا يوجد سوى حوالي واحد من كل ألف فرصة أن تكون النتيجة صدفة عشوائية للبيانات. تقليديًا ، يطلق علماء فيزياء الجسيمات على أي شيء أكثر من ثلاثة سيجما “دليل”. ومع ذلك ، ما زلنا بعيدين عن “الاكتشاف” أو “الملاحظة” المؤكدة – التي تتطلب خمسة سيجما.

أظهر المنظرون أنه من الممكن تفسير هذا الشذوذ (وغيره) من خلال التعرف على وجود جسيمات جديدة تمامًا تؤثر على الطرق التي تتحلل بها الكواركات. أحد الاحتمالات هو جسيم أساسي يسمى “Z Prime” – وهو في جوهره ناقل لقوة طبيعية جديدة تمامًا. ستكون هذه القوة ضعيفة للغاية ، ولهذا لم نر أي علامات عليها حتى الآن ، وسوف تتفاعل مع الإلكترونات والميونات بشكل مختلف.

خيار آخر هو الافتراضي “ليبتوكارك“- جسيم له قدرة فريدة على التحلل إلى كواركات ولبتونات في وقت واحد ويمكن أن يكون جزءًا من لغز أكبر يفسر سبب رؤيتنا للجسيمات التي نحدثها في الطبيعة.

تفسير النتائج

فهل رأينا أخيرًا دليلًا على وجود فيزياء جديدة؟ حسنًا ، ربما ، ربما لا. نحن نقوم بالكثير من القياسات في LHC ، لذلك قد تتوقع على الأقل أن يقع بعضها بعيدًا عن النموذج القياسي. ولا يمكننا أبدًا استبعاد احتمال وجود بعض التحيز في تجربتنا لم نأخذ في الحسبان بشكل صحيح ، على الرغم من أن هذه النتيجة قد تم فحصها بدقة غير عادية.

في النهاية ، ستصبح الصورة أكثر وضوحًا مع المزيد من البيانات. يخضع LHCb حاليًا لترقية كبيرة لزيادة معدل تسجيل الاصطدامات بشكل كبير.

حتى إذا استمرت الحالة الشاذة ، فمن المحتمل أن يتم قبولها تمامًا بمجرد تأكيد تجربة مستقلة النتائج. أحد الاحتمالات المثيرة هو أننا قد نكون قادرين على اكتشاف الجسيمات الجديدة المسؤولة عن التأثير الذي يتم إنشاؤه مباشرة في الاصطدامات في LHC. وفي الوقت نفسه ، فإن تجربة الحسناء الثاني في اليابان يجب أن تكون قادرة على إجراء قياسات مماثلة.

ما الذي يمكن أن يعنيه هذا إذن لمستقبل الفيزياء الأساسية؟ إذا كان ما نراه هو حقًا نذير لبعض الجسيمات الأساسية الجديدة ، فسيكون أخيرًا الاختراق الذي يتوق إليه الفيزيائيون منذ عقود.

سنكون قد رأينا أخيرًا جزءًا من الصورة الأكبر التي تقع خارج النموذج القياسي ، والتي قد تسمح لنا في النهاية بالكشف عن أي عدد من الألغاز المحددة. وتشمل هذه طبيعة المادة المظلمة غير المرئية التي تملأ الكون ، أو طبيعة بوزون هيغز. يمكن أن يساعد المنظرين حتى على توحيد الجسيمات والقوى الأساسية. أو ربما الأفضل من ذلك كله ، أنه يمكن أن يشير إلى شيء لم نفكر فيه أبدًا.

لذا ، هل يجب أن نكون متحمسين؟ نعم ، نتائج مثل هذه لا تأتي في كثير من الأحيان ، فالمطاردة جارية بالتأكيد. لكن يجب أن نكون حذرين ومتواضعين أيضًا ؛ تتطلب الادعاءات غير العادية أدلة غير عادية. فقط الوقت والعمل الجاد سيحددان ما إذا كنا قد رأينا أخيرًا أول بصيص لما يكمن وراء فهمنا الحالي لفيزياء الجسيمات.

هاري كليف هو فيزيائي الجسيمات و مجلدات بولا الفاريز محاضر في فيزياء الجسيمات بجامعة كامبريدج.

كونستانتينوس الكسندروس بيتريديس محاضر أول في فيزياء الجسيمات بجامعة بريستول.

ظهر هذا المقال لأول مرة في المحادثة.