اكتشاف نادر يُفتح آفاقًا جديدة في فيزياء الجسيمات
تمكن علماء مركز البحوث النووية الأوروبي CERN من التوصل إلى دليل على حدوث تحلل جسيم نادر للغاية، وهو حدث يحدث بمعدل يتوقع أن يحدث مرة واحدة فقط بين كل عشرة مليارات من تحللات جسيمات الجمال (beauty particle decays). هذا الاكتشاف يُعد إنجازًا بعد أكثر من أربعين سنة من البحث، ويُمكّن العلماء من فتح نافذة جديدة لدراسة فيزياء الجسيمات التي تتجاوز النموذج القياسي.
التحلل النادر الذي رُصد يتمثل في تحلل جسيم Bd، الذي يحتوي على كوارك الجمال (beauty quark) وكوارك مضاد من النوع داون (down antiquark)، إلى زوج من جسيمات الميون (μ+μ–). جُزيئات الميون تشبه الإلكترونات، إلا أن لها كتلة أكبر، ومن المهم أن النتائج التي حصل عليها الباحثون تتوافق مع التنبؤات التي وضعها النموذج القياسي (Standard Model).
لماذا تحللات الجسيمات النادرة مهمة؟
يفسر العلماء أهمية هذه التحللات النادرة بأنها قد تسمح بالكشف غير المباشر عن جسيمات لا يمكن إنتاجها بشكل مباشر في مصادم الهادرونات الكبير (Large Hadron Collider)، بسبب كتلتها الكبيرة..
بسبب تأثيرات كمية دقيقة، تؤثر الجسيمات الثقيلة في معدلات هذه التحللات النادرة، مما يجعلها حساسة للغاية لأي جسيمات جديدة غير معروفة تظهر فيزيائيًا خارجة عن نطاق النموذج القياسي.
آلية التحلل وإشارات الفيزياء الجديدة
- ينتمي تحلل Bd → μ+μ– لفئة تحللات تعرف بـ”القنوات الذهبية” التي يستخدمها الفيزيائيون لدراسة أبعاد جديدة في فيزياء الجسيمات.
- يحدث التحلل عبر تدمير كوارك الجمال وكوارك مضاد معا، وتحويل طاقتهما إلى زوج من جسيمات الميون ومضاده.
سبق وأن رُصد تحلل مشابه لجسيم آخر يسمى Bs، وتحديدًا في عام 2015 حينما أثبتت تعاونيات LHCb وCMS حدوث تحلل Bs → μ+μ– بمعدل أعلى بثلاث مرات من تحلل Bd، مما يكشف عن الفرق الكبير في ندرة هذين التحللين.
تطورات تقنية وفنية مكنت من هذا الاكتشاف
كان للتطويرات التي طالت جهاز الكشف في تجربة LHCb أثر كبير في تحقيق هذا التقدم. بعد ترقية الجهاز الرئيسية، بدأ جمع البيانات عام 2024 بمعدل يفوق خمس مرات المعدل السابق بين 2010 و2018.
حسّن الجهاز الجديد من قدرته على تمييز أنواع الجسيمات المختلفة، مما ساعد الباحثين في فهم أدق لنتائج التصادمات المعقدة التي تتم داخل المصادم. كما تم الاستعانة بتقنيات التعلم الآلي (machine learning) لتمييز الإشارات النادرة وسط الكم الهائل من العمليات الجسيمية الأخرى.
التحديات التي يواجهها العلماء
- التحقق من ندرة الإشارات وسط الضوضاء الخلفية الضخمة التي تنتج عن تصادمات الجسيمات المتعددة.
- تتطلب النتائج دقة متناهية لاستخلاص الإشارات المطلوب دراستها.
حسب ما ذكره ماركو سانتيماريا، أحد قادة فريق التحليل الدولي، فإن البحث عن هذا التحلل استمر أكثر من أربعة عقود، ما يؤكد صعوبة وتعقيد المهمة العلمية التي ترتكز على تفتيش دقيق في بيانات عديمة العدد تقريبًا.
مستوى الدلالة الإحصائية وأهميته في العلوم
في عالم الفيزياء الجسيمية، يعتمد تقييم النتائج على مقياس يسمى “الانحراف المعياري” (standard deviations). للوصول إلى ما يُعرف بالدليل العلمي على ظاهرة جديدة، يجب أن تصل الدلالة إلى ثلاث درجات أو أكثر، حيث يقل احتمال أن يكون الإشارة مجرد صدفة عن 0.3%.
اعتمد العلماء بيانات من 2024 و2025، وحققوا دلالة إحصائية تساوي 3.0 انحرافات معيارية في رصد تحلل Bd → μ+μ–. وعند دمج هذه النتائج مع بيانات سابقة بين 2011-2018، ارتفعت الدلالة إلى 3.2، متجاوزة بذلك عتبة الإثبات العلمية.
كما تمكن الفريق من تحقيق أدق قياسات لتحلل Bs → μ+μ–، مما أضاف ثقلًا إضافيًا لفهم هذه التحللات النادرة.
مع ذلك، لا تزال مرحلة التأكيد الرسمي بعيدة قليلاً، حيث تتطلب حاجز 5 انحرافات معيارية. عند بلوغ هذه المرحلة، سيكون تحلل Bd هو أندر تحلل معروف لجسيمات الجمال.
آفاق المستقبل: تحديثات المصادم وزيادة الحساسية
تخطط فرق البحث إلى تحسينات مستقبلية في مصادم الهادرونات الكبير، بما في ذلك تشغيل النسخة عالية السطوع (High Luminosity LHC أو HiLumi LHC) المتوقع بدء تشغيلها في 2030، مع تحديثات أخرى مخططة لتجربة LHCb.
هذه التطويرات ستزيد من سرعة جمع البيانات بمعدل يصل إلى عشرة أضعاف، ما يُمَكِّن العلماء من دراسة المزيد من تحللات جسيمات الجمال النادرة، وقياس خصائصها بدقة أعلى.
يزداد بذلك احتمال رصد آثار جسيمات جديدة لا يمكن تصنيعها في المختبر، ما يعزز فرص اكتشاف فيزياء تتجاوز النموذج القياسي.
كما أوضح هاري كليف، من قادة فريق التحليل في تجربة LHCb، فإن رصد هذا التحلل النادر يمثل خطوة مهمة تفتح آفاقًا للبحث المستقبلي، حيث ستصبح الدراسات أكثر حساسية لقضايا فيزياء الجسيمات الغامضة.
ختامًا
يمثل هذا الاكتشاف العلمي الذي حققه باحثو CERN خطوة متقدمة نحو فك أسرار الكون، وتجربة تحدي القانونيات الفيزيائية الحالية، ومكشاف تأثيرات جسيمات قد تكون خارجة عن إطار المعرفة الحالية.
المصدر: موقع CERN
📚 مقالات ذات صلة
اكتشاف المزيد من Mohdbali
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
تطبيقاتنا على أندرويد
