تهدد الكتلة المفاجئة للجسيمات برفع النموذج الساكن

من مكان الراحة خارج شيكاغو ، إلينوي ، تهدد تجربة مختلة وظيفية مطولة بإخراج مجال الجسيمات الأولية من التوازن. يعمل الفيزيائيون منذ عشر سنوات لاستخراج قياس جديد مهم من البيانات القديمة للتجربة ، والتي ظهرت نتائجها الآن. وجد الفريق أن بوزون W – وهو جسيم أساسي يحمل طاقة نووية ضعيفة – أثقل بكثير من النظرية. يتنبأ.

على الرغم من أن الفرق بين التنبؤ النظري وقيمة الاختبار هو 0.09٪ فقط ، إلا أنه أكبر بكثير من هامش الخطأ للنتيجة أقل من 0.01٪. هذه النتيجة لا تتفق مع بعض مقاييس الكتلة الأخرى. التعاون مع مختبر Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) في تجربة حديثة تسمى CDF علم¹ في 7 أبريل.

يقول فلورنتين كانيلي ، عالم فيزياء الجسيمات التجريبية بجامعة زيورخ بسويسرا ، إن القياس هو “النتيجة الأكثر إثارة والتي لا تنسى حقًا في مجالنا”. إذا تم تأكيد ذلك من خلال تجارب أخرى ، فقد يكون هذا أول خرق كبير في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، وهي نظرية ناجحة بشكل مذهل منذ تقديمها في السبعينيات. ومع ذلك ، من المعروف أن النموذج القياسي غير مكتمل ، وأي مؤشر على فشله سيؤدي إلى تحوله ووجود جسيمات أولية جديدة. يقول أشوتوش كوتوال ، عالم فيزياء الجسيمات التجريبية في جامعة ديوك في دورهام بولاية نورث كارولينا ، الذي قاد دراسة CDF: “نعتقد أن هناك دليلًا قويًا في هذا المقياس الخاص لما تخبئه الطبيعة لنا”.

يعطي بعض الفيزيائيين تلميحًا من الحذر. يعد إنشاء قياس كتلة البوزون W من البيانات التجريبية أمرًا معقدًا للغاية. على الرغم من أن العمل مثير للاهتمام ، يقول ماتياس شوت ، الفيزيائي بجامعة مين في جوهانس جوتنبرج بألمانيا ، والذي يعمل في تجربة ATLAS ، “سأكون حريصًا على شرح الاختلاف الكبير في النموذج القياسي كعلامة على الفيزياء.” CERN ، مختبر فيزياء الجسيمات الأوروبي بالقرب من جنيف ، سويسرا. يقول إنه يجب على علماء الفيزياء جعلها من أولوياتهم معرفة سبب اختلاف القيمة عن النتائج الحديثة الأخرى.

أثقل الجسيم

منذ اكتشافه في عام 1983 ، حسبت التجارب وزن البوزون W حتى 85 بروتونًا. لكن قياس كتلته بالضبط يمثل تحديًا: فقد كان تقدير الاختبار الأول بهوامش خطأ بنسبة 5 ٪ أو أكثر. يقول ميكا فيسترينين ، عالِم فيزياء الجسيمات بجامعة وارويك بالمملكة المتحدة ، الذي يعمل على هذا القياس في تجربة LHCb التابعة لـ CERN: “يعتبر قياس كتلة البوزون W أكثر المتغيرات صعوبة للقياس في صناعتنا”.

مع ابن عمها Z boson ، تشارك في معظم أنواع التفاعلات النووية ، بما في ذلك W. اندماج مدفوع بالشمس. تحمل البوزونات W و Z أضعف قوة نووية – إحدى القوى الأساسية الأربعة للطبيعة – على غرار الطريقة التي يتضمن بها كل تفاعل كهرومغناطيسي نقل الفوتونات.

تنتج الصراعات بوزونات W عن طريق تكسير جزيئات الطاقة العالية معًا. عادةً ما تكتشف الاختبارات نوعًا من الإلكترون أو قريبه الأثقل ، المون والنيوترينو ، من خلال اضمحلالها. يهرب النيوترينو من الكاشف دون أن يترك أثرا ، بينما يترك الإلكترون أو الميون آثارا واضحة.

أثناء التحلل ، يتم تحويل معظم الكتلة الأصلية لـ W إلى طاقة من جسيمات جديدة. إذا تمكن الفيزيائيون من قياس هذه الطاقة ومسار جميع الجسيمات المتحللة ، فيمكنهم على الفور حساب كتلة W التي تنتجها. لكن بدون القدرة على مراقبة النيوترينو ، لا يمكنهم الجزم بأي جزء من طاقة الإلكترون أو الميون يأتي من كتلة W وزخمه. هذا ما يجعل القياس “صعبًا” ، كما يقول ويستيرنينين. “أنت تحاول تكوين كتلة عندما ترى نصف الحطام.”

اختبار قديم ، حيل جديدة

في عمل حديث ، يهدف Godwall ومعاونوه إلى قياس كتلة W بشكل أكثر دقة. تم جمع جميع البيانات في عام 2011 فيرميلابين ديفاترون – محرك دائري طوله 6 كيلومترات كان في يوم من الأيام أقوى معجل في العالم عندما تصطدم البروتونات بالبروتونات المضادة – توقف عن العمل. لكن كوتوال قال إن القياس الأخير لم يكن ممكنا في ذلك الوقت. بل هو نتيجة للتقدم المستمر في تقنيات تحليل البيانات ، فضلاً عن تحسين فهم مجتمع فيزياء الجسيمات لكيفية عمل البروتونات والبروتونات المضادة في التصادمات. “بحلول عام 2012 لم نتعلم العديد من التقنيات لتحقيق هذا النوع من الدقة.”

رأى الفريق حوالي 4 ملايين بوزون واط تم إنتاجه داخل كاشف CDF في عامي 2002 و 2011 – وهي بيانات أكبر بأربعة أضعاف مما تم استخدامه في القياس الأول في عام 2012.². قاموا بحساب طاقة كل إلكترون متحلل عن طريق قياس كيفية انحناء مساره في مجال مغناطيسي. يقول Godwal إن التحسن الكبير خلال العقد الماضي كان لتحسين دقة المسارات من حوالي 150 ميكرون إلى أقل من 30 ميكرون.

بعد رسم خرائط توزيع الطاقة للإلكترونات ، قامت المجموعة بحساب كتلة البوزون الأنسب للبيانات. كان 80433 ميغا إلكترون فولت ، وكان حجم الخطأ فيه 9.4 ميغا إلكترون فولت فقط.

تتزامن النتائج مع قابض قياسات الكتلة W الناتجة عن كل تصادم جسيم رائد في جميع أنحاء العالم ؛ تحسنت الدقة منذ اكتشاف الجسيم في سيرن. قام الباحثون الذين يعملون على CDF و DZero ، الكاشفات الرئيسية الأخرى في DeVatron ، بنشر قياسات أقل دقة لكتلة W.^2و3. كشفت اختبارات ATLAS و LHCb أيضًا عن قيمها الخاصة في CERN’s Large Hadron Colider ، أقوى مسرّع في العالم.^4و5.

تدعي أحدث نتيجة CDF أنها تضاعف دقة السجل السابق ، بهامش قياس ATLAS يبلغ 80370 ميغا إلكترون فولت ± 19. لكن النتائج لم تتفق مع العديد من القياسات السابقة ، وكلها كانت متوافقة مع التقدير النظري الأمثل البالغ 80357 إلكترون فولت. يقوم ATLAS و LHCb بتحديث قياسات بوزون W ، ويقول Vesterinen أنهما يستطيعان تحقيق دقة قرارات CDF في غضون بضع سنوات ، ويمكنهما تأكيد ذلك أو الاعتراض عليه.

الفرق بين التجارب هو كيف تقوم المجموعات بنمذجة إنتاج W boson ، مما يؤثر على حسابات الكتلة. لقد قام علماء فيزياء المصادم LHC سابقًا بتسليط الضوء على أخطاء في البرنامج تسمى Respos المستخدمة بواسطة CDF ؛ هناك تحسين التكرار. لكن Godwall يقول إن باحثي CDF اختاروا التقنية الأصلية منذ وقت طويل وأنه كان من الخطأ تغيير التقنيات لدمج النتائج مع النظرية.

رائد المآسي النظرية

إذا كان القرار الجماهيري قائمًا ، فسيكون هناك يوم ميداني للمنظرين. طور علماء الفيزياء النظرية امتدادات افتراضية ، أو تعديلات على النموذج القياسي ، وفي كثير من الحالات توقعوا كتل مختلفة من بوزون دبليو مقارنة بنظرية الفانيليا. يقول سفين هاينمير ، الباحث في معهد الفيزياء في كانتابريا بإسبانيا ، “إن كتلة W هي المكان المثالي للبحث عن الانحرافات عن الفيزياء الجديدة والنموذج القياسي.

التفسير المفضل لهينمير لهذا التناقض هو التناظر الفائق ، وهو نموذج يتنبأ بوجود حليف أثقل لكل جسيم عينة ثابتة. يمكن أن تنفجر هذه الجسيمات باستمرار وتخرج من الفراغ المحيط بالجسيم W ، مما يجعلها أكبر.

تشمل التفسيرات المحتملة الأخرى جسيم هيغز ، وهو بوزون آخر ، اكتشفه المصادم LHC في عام 2012. إذا كانت خصائص Higgs تختلف عن تلك الموجودة حاليًا من الناحية النظرية – على سبيل المثال ، فهي ليست جسيمًا أوليًا ، أو إذا كانت هناك إصدارات متعددة – فستؤثر على كتلة W.

هناك تجربة رئيسية أخرى للمصادم LHC ، تُعرف باسم CMS ، تعمل على قياس كتلة بوزون W بمفردها ، كما يقول Canelli ، الباحث الرائد في تعاون CMS (Canelli أيضًا عضو في تعاون CDF ، لكنه لم يشارك في تطوير الأحدث وقرر تجنب تضارب المصالح). “هذا هو أحد أهم القياسات من برنامج الفيزياء لدينا.”