إحدى الطرق التي يبحث بها الفيزيائيون عن أدلة لكشف أسرار الكون هي تحطيم المادة معًا وفحص الحطام. لكن هذه الأنواع من التجارب المدمرة، رغم أنها مفيدة بشكل لا يصدق، إلا أنها لها حدود.
نحن عالمان ندرس الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات باستخدام مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN بالقرب من جنيف، سويسرا. ومن خلال العمل مع مجموعة دولية من علماء فيزياء الجسيمات النووية والجزيئية، أدرك فريقنا أن ما يخفيه بيانات الدراسات السابقة هو تجربة رائعة ومبتكرة.
في بحث جديد نُشر في Physical Review Letters، قمنا بتطوير طريقة جديدة مع زملائنا لقياس مدى سرعة تذبذب جسيم يسمى تاو.
ينظر نهجنا الجديد إلى الأوقات التي تصطدم فيها الجسيمات الواردة في المسرع ببعضها البعض بدلا من الأوقات التي تتصادم فيها معا في تصادمات مباشرة. ومن المثير للدهشة أن هذا النهج يتيح قياسات أكثر دقة لتمايل جسيم تاو مقارنة بالتقنيات السابقة. هذه هي المرة الأولى منذ ما يقرب من 20 عامًا التي يقيس فيها العلماء هذا التذبذب، المعروف باسم لحظة تاو المغناطيسية، وقد يساعد في إلقاء الضوء على الشقوق المحيرة الناشئة في قوانين الفيزياء المعروفة.
لماذا قياس تمايل؟
الإلكترونات، وهي اللبنات الأساسية للذرات، لديها أبناء عمومة أثقل وزنا يطلق عليهم الميون والتاو. Taus هي الأثقل في هذه العائلة المكونة من ثلاثة أفراد والأكثر غموضًا، لأنها موجودة فقط لفترات زمنية قصيرة.
ومن المثير للاهتمام، أنه عندما تضع إلكترونًا أو ميونًا أو تاو داخل مجال مغناطيسي، فإن هذه الجسيمات تتمايل بطريقة مشابهة لكيفية تذبذب قمة الغزل على الطاولة. ويسمى هذا التذبذب باللحظة المغناطيسية للجسيم. ومن الممكن التنبؤ بمدى سرعة تذبذب هذه الجسيمات باستخدام النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهي أفضل نظرية للعلماء حول كيفية تفاعل الجسيمات.
منذ أربعينيات القرن العشرين، اهتم الفيزيائيون بقياس العزوم المغناطيسية للكشف عن تأثيرات مثيرة للاهتمام في عالم الكم. وفقا لفيزياء الكم، فإن سحب الجسيمات والجسيمات المضادة تظهر باستمرار وتختفي من الوجود. تغير هذه التقلبات العابرة قليلاً مدى سرعة تمايل الإلكترونات والميونات والتاووس داخل المجال المغناطيسي. ومن خلال قياس هذا التذبذب بدقة شديدة، يمكن للفيزيائيين أن يدققوا في هذه السحابة للكشف عن تلميحات محتملة لجسيمات غير مكتشفة.
اختبار الإلكترونات والميونات والتاوون
في عام 1948، قام عالم الفيزياء النظرية جوليان شوينغر لأول مرة بحساب كيفية تغيير السحابة الكمومية للعزم المغناطيسي للإلكترون. ومنذ ذلك الحين، قام الفيزيائيون التجريبيون بقياس سرعة تمايل الإلكترون إلى 13 منزلة عشرية غير عادية.
كلما كان الجسيم أثقل، كلما تغير تمايله بسبب الجسيمات الجديدة غير المكتشفة الكامنة في سحابته الكمومية. وبما أن الإلكترونات خفيفة للغاية، فإن هذا يحد من حساسيتها للجسيمات الجديدة.
الميونات والتاووات أثقل بكثير ولكنها أيضًا أقصر عمرًا من الإلكترونات. في حين أن الميونات موجودة فقط لمجرد ميكروثانية، فقد قام العلماء في فيرميلاب بالقرب من شيكاغو بقياس العزم المغناطيسي للميون إلى 10 منازل عشرية في عام 2021. ووجدوا أن الميونات تمايلت بشكل ملحوظ بشكل أسرع من توقعات النموذج القياسي، مما يشير إلى أن جسيمات غير معروفة قد تظهر في السحابة الكمومية للميون.
يعد تاوس أثقل جسيم في العائلة، فهو أثقل بـ 17 مرة من الميون وأثقل بـ 3500 مرة من الإلكترون. وهذا يجعلها أكثر حساسية للجزيئات التي يحتمل أن تكون غير مكتشفة في السحب الكمومية. لكن تاو هي أيضًا الأصعب في رؤيتها، لأنها تعيش لمدة جزء من المليون فقط من وقت وجود الميون.
حتى الآن، تم إجراء أفضل قياس للعزم المغناطيسي للتاو في عام 2004 باستخدام مصادم الإلكترونات المتقاعد حاليًا في CERN. على الرغم من أنه إنجاز علمي مذهل، إلا أنه بعد عدة سنوات من جمع البيانات، تمكنت هذه التجربة من قياس سرعة تمايل التاو إلى منزلتين عشريتين فقط. ولسوء الحظ، لاختبار النموذج القياسي، سيحتاج الفيزيائيون إلى قياس أكثر دقة بعشر مرات.
أيونات الرصاص للفيزياء الوشيكة
منذ قياس العزم المغناطيسي للتاو في عام 2004، كان الفيزيائيون يبحثون عن طرق جديدة لقياس تمايل التاو.
عادةً ما يقوم مصادم الهادرونات الكبير بتحطيم نواة ذرتين معًا، ولهذا يُسمى بالمصادم. تخلق هذه الاصطدامات المباشرة عرضًا للألعاب النارية من الحطام الذي يمكن أن يشمل تاو، لكن الظروف الصاخبة تحول دون إجراء قياسات دقيقة لعزم تاو المغناطيسي.
من عام 2015 إلى عام 2018، كانت هناك تجربة في CERN تم تصميمها في المقام الأول للسماح لعلماء الفيزياء النووية بدراسة المادة الساخنة الغريبة التي تنشأ في الاصطدامات المباشرة. كانت الجسيمات المستخدمة في هذه التجربة عبارة عن نوى الرصاص التي تم تجريدها من إلكتروناتها – والتي تسمى أيونات الرصاص. يتم شحن أيونات الرصاص كهربائيًا وتنتج مجالات كهرومغناطيسية قوية.
تحتوي المجالات الكهرومغناطيسية لأيونات الرصاص على جسيمات ضوئية تسمى الفوتونات. عندما يتصادم أيونان من أيونات الرصاص، يمكن أن تتصادم فوتوناتهما أيضًا وتحول كل طاقتهما إلى زوج واحد من الجسيمات. لقد كانت تصادمات الفوتونات هذه هي التي استخدمها العلماء لقياس الميونات.
انتهت تجارب أيون الرصاص هذه في عام 2018، ولكن لم يتعاون أحدنا، جيسي ليو، مع فيزيائية الجسيمات ليديا بيريسفورد في أكسفورد بإنجلترا، حتى عام 2019، وأدركنا أنه من الممكن استخدام البيانات من نفس تجارب أيون الرصاص افعل شيئًا جديدًا: قم بقياس العزم المغناطيسي للتاو.
وكان هذا الاكتشاف مفاجأة كاملة. يبدو الأمر على النحو التالي: أيونات الرصاص صغيرة جدًا لدرجة أنها غالبًا ما تفوت بعضها البعض في تجارب الاصطدام. لكن في بعض الأحيان، تمر الأيونات بالقرب من بعضها البعض دون أن تتلامس. عندما يحدث هذا، لا يزال بإمكان الفوتونات المصاحبة لها أن تتصادم معًا بينما تستمر الأيونات في الطيران في طريقها الممتع.
يمكن أن تؤدي تصادمات الفوتون هذه إلى إنشاء مجموعة متنوعة من الجسيمات، مثل الميونات في التجربة السابقة، وكذلك التاوون. ولكن من دون الألعاب النارية الفوضوية التي تنتج عن الاصطدامات المباشرة، فإن هذه الأحداث الوشيكة تكون أكثر هدوءًا بكثير ومثالية لقياس سمات تاو بعيد المنال.
ومما أثار حماسنا كثيرًا، عندما نظر الفريق إلى البيانات من عام 2018، أن هذه الحوادث الوشيكة لأيون الرصاص كانت تنتج جزيئات تاو. كانت هناك تجربة جديدة مخبأة على مرأى من الجميع!
أول قياس لتمايل تاو منذ عقدين
في أبريل 2022، أعلن فريق المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) أننا وجدنا دليلًا مباشرًا على وجود جزيئات تاو التي تم إنشاؤها أثناء وقوع أيونات الرصاص بالقرب من الأرض. وباستخدام هذه البيانات، تمكن الفريق أيضًا من قياس عزم تاو المغناطيسي، وهي المرة الأولى التي يتم فيها إجراء مثل هذا القياس منذ عام 2004. وتم نشر النتائج النهائية في 12 أكتوبر 2023.
قامت هذه النتيجة التاريخية بقياس تمايل تاو إلى منزلتين عشريتين. ومما أثار دهشتنا أن هذه الطريقة ربطت أفضل قياس سابق باستخدام شهر واحد فقط من البيانات المسجلة في عام 2018.
وبعد عدم حدوث أي تقدم تجريبي لمدة 20 عامًا تقريبًا، تفتح هذه النتيجة طريقًا جديدًا ومهمًا تمامًا نحو تحسين الدقة بمقدار عشرة أضعاف اللازمة لاختبار تنبؤات النموذج القياسي. ومن المثير للاهتمام أن المزيد من البيانات تلوح في الأفق.
استأنف مصادم الهادرونات الكبير عملية جمع بيانات أيون الرصاص في 28 سبتمبر 2023، بعد أعمال الصيانة والتحديثات الروتينية. يخطط فريقنا لمضاعفة حجم عينة بيانات أيون الرصاص الوشيكة بمقدار أربعة أضعاف بحلول عام 2025. وستؤدي هذه الزيادة في البيانات إلى مضاعفة دقة قياس عزم تاو المغناطيسي، وقد تذهب التحسينات في طرق التحليل إلى أبعد من ذلك.
تعد جسيمات تاو واحدة من أفضل نوافذ الفيزيائيين للوصول إلى عالم الكم الغامض، ونحن متحمسون للمفاجآت التي قد تكشفها النتائج القادمة حول الطبيعة الأساسية للكون.
تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation، وهو موقع إخباري مستقل غير ربحي مخصص لمشاركة أفكار الخبراء الأكاديميين. إذا وجدت الأمر مثيرًا للاهتمام، فيمكنك الاشتراك في نشرتنا الإخبارية الأسبوعية.
كتب بواسطة: جيسي ليو، جامعة كامبريدج ودينيس ف. بيريبيليتسا، جامعة كولورادو بولدر.
اقرأ أكثر:
يتم دعم جيسي ليو من خلال زمالة أبحاث المبتدئين في كلية ترينيتي بجامعة كامبريدج.
يتلقى Dennis V. Perepelitsa تمويلًا بحثيًا من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.