مع تصاعد مصادم الهادرونات الكبير ، ارتفعت آمال الفيزيائيين

في أبريل ، أطلق العلماء في المركز الأوروبي للأبحاث النووية ، أو CERN ، بالقرب من جنيف ، مرة أخرى مدفعهم الكوني ، مصادم الهادرونات الكبير. بعد توقف دام ثلاث سنوات للإصلاحات والتحديثات ، استأنف المصادم إطلاق البروتونات – الأجزاء الداخلية من ذرات الهيدروجين – حول مضمار السباق الكهرومغناطيسي تحت الأرض الذي يبلغ طوله 17 ميلًا. في أوائل يوليو ، سيبدأ المصادم في تحطيم هذه الجسيمات معًا لتكوين شرارات من الطاقة البدائية.

وهكذا توشك لعبة مطاردة سر الكون الكبرى أن تستأنف ، وسط تطورات جديدة وآمال متجددة من علماء فيزياء الجسيمات. حتى قبل تجديده ، ألمح المصادم إلى أن الطبيعة قد تخفي شيئًا مذهلاً. وصف ميتيش باتيل ، عالم فيزياء الجسيمات في إمبريال كوليدج لندن والذي يجري تجربة في سيرن ، البيانات من تجاربه السابقة بأنها “أكثر مجموعة من النتائج إثارة رأيتها في حياتي المهنية”.

قبل عشر سنوات ، احتل الفيزيائيون في CERN عناوين الصحف العالمية باكتشاف جسيم هيغز بوزون الذي طال انتظاره ، وهو الجسيم الذي يعطي كتلة لجميع الجسيمات الأخرى في الكون. ماذا بقي لتجد؟ يقول علماء الفيزياء المتفائلون كل شيء تقريبًا.

عندما تم تشغيل مصادم CERN لأول مرة في عام 2010 ، كان الكون جاهزًا للإمساك به. تم تصميم أكبر وأقوى آلة تم تصنيعها على الإطلاق للعثور على بوزون هيغز. هذا الجسيم هو حجر الزاوية في النموذج القياسي ، وهو مجموعة من المعادلات التي تشرح كل شيء تمكن العلماء من قياسه حول العالم دون الذري.

لكن هناك أسئلة أعمق حول الكون لا يشرحها النموذج القياسي: من أين أتى الكون؟ لماذا هي مصنوعة من المادة وليس المادة المضادة؟ ما هي “المادة المظلمة” التي تتغلغل في الكون؟ كيف يكون لجسيم هيغز نفسه كتلة؟

كان الفيزيائيون يأملون في أن تتحقق بعض الإجابات في عام 2010 عندما تم تشغيل المصادم الكبير لأول مرة. لم يظهر شيء باستثناء هيغز – على وجه الخصوص ، لم تظهر جسيمات جديدة يمكنها تفسير طبيعة المادة المظلمة. بشكل محبط ، ظل النمط القياسي ثابتًا.

تم إغلاق المصادم في أواخر عام 2018 لإجراء ترقيات وإصلاحات رئيسية. وفقًا للجدول الزمني الحالي ، سيعمل المصادم حتى عام 2025 ، ثم يتم إغلاقه لمدة عامين آخرين لتثبيت ترقيات رئيسية أخرى. من بين هذه المجموعة من التحسينات تحسينات على أجهزة الكشف العملاقة الموجودة في النقاط الأربع حيث تصطدم أشعة البروتون وتحلل حطام الاصطدام. اعتبارًا من يوليو ، سيتم قطع عمل هذه الكواشف عنهم. تم ضغط حزم البروتون لجعلها أكثر شدة ، مما يزيد من فرصة اصطدام البروتونات عند نقاط العبور – ولكن يتم الخلط بين أجهزة الكشف وأجهزة الكمبيوتر في شكل بخاخات متعددة من الجسيمات التي يجب تمييزها عن بعضها البعض.

قال الدكتور باتيل: “ستأتي البيانات بمعدل أسرع بكثير مما اعتدنا عليه”. حيث حدثت مرة واحدة فقط عدد قليل من الاصطدامات مع كل تقاطع شعاع ، سيكون هناك الآن أكثر من خمسة.

وقال: “هذا يجعل حياتنا أكثر صعوبة بمعنى ما لأنه يجب أن نكون قادرين على العثور على الأشياء التي تهمنا بين كل هذه التفاعلات المختلفة”. “لكن هذا يعني أن هناك احتمالية أكبر لرؤية الشيء الذي تبحث عنه.”

في غضون ذلك ، كشفت مجموعة متنوعة من التجارب عن تصدعات محتملة في النموذج القياسي – وألمحت إلى نظرية أوسع وأعمق للكون. تشير هذه النتائج إلى سلوكيات نادرة للجسيمات دون الذرية التي تكون أسماؤها غير مألوفة لمعظمنا في المدرجات الكونية.

خذ الميون ، جسيم دون ذري اشتهر لفترة وجيزة العام الماضي. غالبًا ما تسمى الميونات بالإلكترونات الدهنية. لديهم نفس الشحنة الكهربائية السالبة ولكن كتلتها أكبر بـ 207 مرة. ”من الذي طلب هذا؟ قال الفيزيائي إيزادور رابي عندما اكتشف الميون في عام 1936.

لا أحد يعرف مكان وجود الميونات في المخطط الكبير للأشياء. يتم إنشاؤها عن طريق تصادمات الأشعة الكونية – وفي أحداث المصادم – وتتحلل إشعاعيًا في غضون ميكروثانية إلى إلكترونات وجسيمات شبحية تسمى نيوترينوات.

في العام الماضي ، أفاد فريق من حوالي 200 عالم فيزيائي مرتبطين بمختبر فيرمي الوطني للمسرعات في إلينوي بذلك كانت الميونات التي تدور في مجال مغناطيسي تتذبذب بسرعة أكبر مما توقعه النموذج القياسي.

جاء التناقض مع التوقعات النظرية في الرقم العشري الثامن لقيمة معلمة تسمى g-2 ، والتي تصف كيفية استجابة الجسيم للمجال المغناطيسي.

عزا العلماء الاختلاف الجزئي ولكن الحقيقي إلى النفخة الكمومية لجسيمات غير معروفة حتى الآن والتي من شأنها أن تتجسد لفترة وجيزة حول الميون وتؤثر على خصائصه. إن تأكيد وجود الجسيمات سيؤدي في النهاية إلى كسر النموذج القياسي.

لكن لا تزال مجموعتان من المنظرين تعملان على التوفيق بين تنبؤاتهم بشأن ما يجب أن يكون عليه g-2 ، في انتظار المزيد من البيانات من تجربة Fermilab.

قالت عايدة إكس الخضراء ، عالمة الفيزياء في جامعة إلينوي ، والتي ساعدت في قيادة جهود استمرت ثلاث سنوات تسمى مبادرة نظرية مون جي 2 للتوصل إلى توقع إجماعي: “لا يزال شذوذ جي 2 على قيد الحياة إلى حد كبير”. “أنا شخصياً متفائل بأن الشقوق النموذجية ستتحول إلى زلزال. ومع ذلك ، يمكن أن يظل الموضع الدقيق للشقوق هدفًا متحركًا.

يظهر الميون أيضًا في حالة شاذة أخرى. الشخصية الرئيسية ، أو ربما الشرير ، في هذه الدراما هي جسيم يسمى B كوارك ، وهو واحد من ستة أنواع من الكواركات التي تشكل جسيمات أثقل مثل البروتونات والنيوترونات. يمثل الحرف B الجوهر أو ربما الجمال. توجد هذه الكواركات في جسيمات ثنائية الكوارك تسمى الميزونات B. لكن هذه الكواركات غير مستقرة وتميل إلى الانهيار بطرق يبدو أنها تنتهك النموذج القياسي.

تتضمن بعض حالات الاضمحلال النادرة للكوارك B سلسلة من التفاعلات ، تنتهي بنوع مختلف وأخف من الكوارك وزوج من جسيمات الضوء تسمى اللبتونات ، إما الإلكترونات أو أبناء عمومتها الممتلئين ، الميونات. يرى النموذج القياسي أن الإلكترونات والميونات من المرجح أن تظهر في هذا التفاعل. (يوجد لبتون ثالث أثقل وزنًا يسمى تاو ، لكنه يتحلل سريعًا جدًا بحيث يتعذر ملاحظته.) ولكن وجد الدكتور باتيل وزملاؤه عددًا من أزواج الإلكترونات أكثر من أزواج الميون ، مما يخالف مبدأ يسمى عالمية اللبتونات.

قال الدكتور باتيل ، الذي درس فريقه الكواركات B بأحد الكواشف الكبيرة في مصادم الهادرونات الكبير LHCb: “يمكن أن يكون نموذجًا قاتلًا قياسيًا”. هذا الشذوذ ، مثل شذوذ الميون المغناطيسي ، يلمح إلى “مؤثر” غير معروف – جسيم أو قوة تتداخل مع التفاعل.

يقول الدكتور باتيل إن أحد أكثر الاحتمالات الدراماتيكية ، إذا صمدت هذه البيانات في الجولة التالية للمصادم ، هو تكهنات دون ذرية تسمى leptoquark. إذا كان الجسيم موجودًا ، فيمكنه سد الفجوة بين فئتين من الجسيمات التي يتكون منها الكون المادي: اللبتونات الخفيفة – الإلكترونات والميونات وأيضًا النيوترينوات – والجسيمات الأثقل مثل البروتونات والنيوترونات ، والتي تتكون من كواركات. من الغريب أن هناك ستة أنواع من الكواركات وستة أنواع من اللبتونات.

قال الدكتور باتيل: “ندخل هذا السباق بمزيد من التفاؤل بإمكانية حدوث ثورة في المستقبل”. “تمنيت.”

هناك جسيم آخر غريب يتصرف في حديقة الحيوانات هذه: البوزون W ، والذي يحمل ما يسمى بالقوة الضعيفة المسؤولة عن التحلل الإشعاعي. في مايو ، علماء الفيزياء في Fermilab’s Collider Detector ، أو CDF ، أبلغت عن جهد استمر 10 سنوات لقياس كتلة هذا الجسيماستنادًا إلى حوالي 4 ملايين بوزونات تم حصادها من الاصطدامات في Tevatron من Fermilab ، والذي كان أقوى مصادم في العالم حتى تم بناء مصادم الهدرونات الكبير.

وفقًا للنموذج القياسي وقياسات الكتلة السابقة ، يجب أن يزن البوزون W حوالي 80.357 مليار إلكترون فولت ، وهي وحدة الكتلة والطاقة التي يفضلها الفيزيائيون. وبالمقارنة ، فإن بوزون هيغز يزن 125 مليار إلكترون فولت ، أي ما يعادل وزن ذرة اليود. لكن قياس CDF لـ W ، وهو الأكثر دقة على الإطلاق ، كان أعلى من المتوقع عند 80.433 مليار. حسب المجربون أن هناك فرصة واحدة فقط من كل 2 تريليون – 7 سيجما ، في لغة الفيزياء – أن هذا التناقض كان صدفة إحصائية.

ترتبط كتلة البوزون W بكتل الجسيمات الأخرى ، بما في ذلك Higgs سيئ السمعة. لذا فإن هذه الفجوة الجديدة ، إذا استمرت ، يمكن أن تكون صدعًا آخر في النموذج القياسي.

ومع ذلك ، فإن الانحرافات الثلاث وآمال المنظرين في الثورة يمكن أن تتبخر مع المزيد من البيانات. لكن بالنسبة إلى المتفائلين ، يشير الثلاثة جميعًا في نفس الاتجاه المشجع للجسيمات أو القوى المخفية التي تتدخل في الفيزياء “المعروفة”.

قال كايل كرانمر ، الفيزيائي بجامعة ويسكونسن والذي يعمل على تجارب أخرى في سيرن: “لذا فإن الجسيم الجديد الذي يمكن أن يفسر كلاً من g-2 والكتلة W يمكن أن يكون في متناول اليد في LHC”.

أشار جون إليس ، المنظر في CERN و Kings College London ، إلى أنه تم نشر ما لا يقل عن 70 ورقة بحثية تقترح تفسيرات للاختلاف الشامل الجديد W.

وقال: “تتطلب العديد من هذه التفسيرات أيضًا جسيمات جديدة يمكن أن تكون في متناول المصادم LHC”. “هل ذكرت المادة المظلمة؟ الكثير من الاشياء احترس منها!

وقال الدكتور باتيل عن السباق القادم: “سيكون مثيرًا. سيكون عملاً شاقًا ، لكننا نتطلع حقًا إلى رؤية ما لدينا وما إذا كان هناك أي شيء مثير حقًا في البيانات.

وأضاف: “يمكن أن تجعل العلم مهنة ولن تكون قادرًا على قولها مرة واحدة. لذا فهو امتياز. »