قام الفيزيائيون بقياس أثقل الجسيمات المعروفة بدقة محطمة للأرقام القياسية

قام الفيزيائيون بقياس أثقل الجسيمات المعروفة بدقة محطمة للأرقام القياسية

أفضل الكواركات المرشحة التي تم التقاطها في Collider Detector في Fermilab في عام 1994 (Fermilab)

كان عالم فيزياء الجسيمات على أرضية مهتزة مؤخرًا. لسنوات ، كان الباحثون يفحصون الجسيمات للتأكد من أن القواعد التي نستخدمها لشرح الكون تصمد - مع نتائج غير متسقة بشكل مقلق .

للإضافة إلى هذا المسعى ، قام الفيزيائيون الذين يستخدمون مصادم الهادرونات الكبير (LHC) بقياس أثقل جسيم أولي معروف بكمية غير مسبوقة من الدقة.

في فوز مطلوب بشدة للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات - مجموعة القواعد التي تتنبأ بسلوك جميع الجسيمات التي يتكون منها عالمنا - تأتي الحسابات الجديدة بهامش خطأ أصغر بكثير من السابق ، مما يمنح علماء الفيزياء زيادة الثقة في الكتلة الحقيقية للجسيم. 

لكن هذا لا يعني أن القضية مغلقة - قد يكون هذا القياس مجرد بداية لفهم أعمق لكيفية عمل كوننا.

يُطلق على الجسيم الأساسي المعني اسم الكوارك العلوي ، وهو الأكبر من بين جميع الجسيمات الأولية المعروفة ، مما يساهم في جزء أساسي من فهمنا للكون. 

الأهم من ذلك ، أنها تحصل على كتلتها من الاقتران مع بوزون هيغز بعيد المنال . هذه الشراكة هي أقوى اقتران على هذا النطاق نعرفه في النموذج القياسي .

رسم بياني يوضح الجسيمات الأولية

ومن المهم أيضًا ما يتحلل فيه كوارك القمة. بمجرد تحطمها إلى الوجود من خلال مصادم ، يمكن للكوارك العلوي أن يتحلل فقط من خلال قوة ضعيفة ، ويتحلل إلى بوزون W (وعادة ما يكون كوارك قاع).

إذا كنت قارئًا منتظمًا لـ ScienceAlert ، فقد تتعرف على W boson كمركز للجدل الأخير .

بعد سنوات من محاولة إحداث ثغرات في النموذج القياسي ، نشر الباحثون مؤخرًا مجموعة أدلة مقنعة تشير إلى أن التقديرات السابقة لكتلة W-boson قد تكون خاطئة بالفعل.

إذا تم تأكيد هذه النتائج بشكل أكبر ، فقد يشير ذلك إلى أن النموذج القياسي بأكمله قد يكون خاطئًا.

وهنا يأتي دور الكوارك العلوي في الأشياء - يمكننا استخدام كتلته لعمل تنبؤات حول كل من بوزون هيجز وبوزون دبليو ، لذا فإن الحصول على أدق قياس ممكن أمر بالغ الأهمية.

يوضح بيان صحفي صادر عن المجلس الأوروبي للأبحاث النووية (CERN) ، الذي قاد البحث ، "من اللافت للنظر أن معرفتنا باستقرار كوننا تعتمد على معرفتنا المشتركة بكتلة هيغز بوزون وكوارك القمة" . 

"نحن نعلم فقط أن الكون قريب جدًا من حالة غير مستقرة مع دقة القياسات الحالية لكتلة كوارك القمة. إذا كانت كتلة كوارك القمة مختلفة قليلاً ، فسيكون الكون أقل استقرارًا على المدى الطويل ، من المحتمل أن تختفي في نهاية المطاف في حدث عنيف مشابه للانفجار العظيم ".

في حين أنه قد يبدو من السهل أن تكون قادرًا على "وزن" هذه الجسيمات مثلما نفعل أشياء عادية لاكتشاف كتلتها ، إلا أن الأمر ليس بهذه السهولة في الواقع. 

لإنتاج جسيم أولي مثل كوارك القمة ، يقوم الفيزيائيون بتحطيم الجسيمات دون الذرية المعروفة بالبروتونات في أجهزة مثل مصادم الهادرونات الكبير. ينتج عن كل تصادم مجموعة من الجسيمات الأخرى التي يتم بصقها ، مما يسمح للباحثين بدراسة هذه المنتجات الثانوية في بيئة خاضعة للرقابة.

لكن لا يزال من الصعب مراقبة خصائص كل جسيم. عندما نبدأ الحديث عن هذه المقاييس الصغيرة بشكل لا يصدق ، ندخل إلى عالم الكم - حيث تصبح الجسيمات غامضة قليلاً ويصعب تحديد كتلتها بالضبط.

هناك بعض الطرق للتغلب على هذا. الأول هو إجراء تجربة عدة مرات ثم تحليل النتائج إحصائيًا. آخر هو استخدام طرق مختلفة. في هذه الحالة ، قام الباحثون بقياس الجسيم مباشرة أثناء إجراء القياس أيضًا باستخدام أشكال أخرى من البيانات جنبًا إلى جنب مع النظرية المعمول بها (يشار إليها في هذه الحالة باسم قياس كتلة القطب).

وفقًا للباحثين ، فإن النتيجة الجديدة التي توصلوا إليها هي 0.12 جيجا إلكترون فولت أكثر دقة من الحسابات السابقة بناءً على نفس البيانات ، مما يجعل الجسيم 172.76 جيجا إلكترون فولت (يعطي أو يأخذ 0.3 جيجا إلكترون فولت). هذا يتفق تمامًا مع ما كنا نتوقعه من النظريات القائمة على النموذج القياسي ،  كما يقول باحثو CERN .

قياس كتلة الكوارك العلوي السابق وعدم اليقين (يسار) ، وأحدث القياسات (يمين). (CMS ، LHC ، CERN)

يعود الفضل في الدقة المحسنة إلى طرق التحليل الجديدة ، التي تستخدم متغيرات أكثر من ذي قبل للتعامل بشكل أفضل مع عدم اليقين بين القياسات.

نظر أحدث قياس في البيانات من الاصطدامات التي قام بها كاشف Muon Solenoid (CMS) الخاص بمصادم الهادرونات الكبير في عام 2016. نظر باحثو CERN في خمس خصائص مختلفة لأحداث التصادم التي أنتجت زوجًا من كواركات القمة. الخصائص التي نظروا إليها تعتمد على كتلة الكوارك العلوي - والدراسات السابقة قد نظرت فقط في ما يصل إلى ثلاث خصائص للأحداث.

قام الفريق بعد ذلك بمعايرة مجموعة البيانات هذه بدقة متناهية لتحديد أوجه عدم اليقين المتبقية - يمكنهم بعد ذلك استخراج هذه الشكوك وفهمها بشكل أفضل عند اكتشاف أفضل ملاءمة للقيمة النهائية لكتلة كوارك القمة.  

في حين أن هذه النتيجة في حد ذاتها هي خطوة كبيرة إلى الأمام لفيزياء الجسيمات ، وفوز مؤقت للنموذج القياسي ، تقول CERN أنه يمكننا توقع المزيد من الدقة عند تطبيق نفس النهج على مجموعة البيانات التي تم جمعها بواسطة كاشف CMS في عامي 2017 و 2018 - ناهيك عن المستقبل ، وتحطيم الأرقام القياسية في المستقبل. تم تشغيل LHC للتو بعد إغلاق دام ثلاث سنوات ، وهو بالفعل يحطم الأرقام القياسية .

من الآمن أن نقول أنه مع هذا القياس المحدث للكتلة ، والتقنية التي قدمتها ، نحن على وشك التعمق أكثر في فهمنا لأصغر جوانب الكون. انظر لهذه المساحة.