قياس كتلة الجسيمات الجديد يعمق لغز الكم

قياس الفيزياء الأساسية الجديد يعمق لغز الكم

بقلم كلارا موسكوفيتش حرره دان فيرجانو

قام الفيزيائيون بقياس كتلة إحدى لبنات البناء الأساسية للكون، وهي جسيم بوزون W. يمكن أن تساعد الحسابات الجديدة، التي تم إجراؤها في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) بالقرب من جنيف، في حل لغز غامض حول كتلة هذا الجسيم.

بوزونات W أثقل من البروتونات بنحو 80 مرة، وهي من بين أثقل الجسيمات الأساسية في الطبيعة، والتي لا يمكن تقسيمها إلى أجزاء أصغر. وهي تحمل القوة الضعيفة، التي تسمح للجسيمات الأخرى بالتحول من نوع إلى آخر في عمليات مثل التحلل الإشعاعي لليورانيوم إلى الرصاص والاندماج النووي للهيدروجين إلى الهيليوم.

كان قياس كتلة بوزون W لعام 2022، الذي أجراه كاشف المصادم في تجربة فيرميلاب (CDF) في مصادم تيفاترون التابع لمختبر فيرمي الوطني (مختبر فيرمي)، هو الأكثر دقة حتى الآن. وتشير إلى أن الكتلة تختلف اختلافًا كبيرًا عن تنبؤات النموذج القياسي، وهي النظرية الحاكمة في فيزياء الجسيمات. إذا كان هذا صحيحًا، فهذا يعني أن شيئًا غريبًا كان يحدث مع الجسيمات التي تحكم النشاط الإشعاعي وقواعد الفيزياء.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

وكان قياس 2022 هو الأكثر دقة حتى الآن. ومع ذلك، فإن القياس الجديد يطابق تقريبًا دقته، ولكنه يتوافق مع النموذج القياسي. يقول قادة الدراسة الجديدة، التي أجريت في تجربة LHC's Compact Muon Solenoid (CMS)، إنها تطمئنهم إلى أن فهمهم الأساسي لبوزون W من المحتمل أن يكون على المسار الصحيح. يقول كينيث لونج، عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وهو مؤلف مشارك في الدراسة الجديدة: “على الرغم من أنه كان من المثير تأكيد نتيجة CDF، إلا أن ما أردته حقًا هو نشر نتيجة تصمد أمام اختبار الزمن”. “أعتقد أن معظم الفيزيائيين اليوم سيضعون رهاناتهم على النموذج القياسي، وأعتقد أن قياساتنا هي سبب كبير لذلك.”

لكن اللغز لم يتم حله بالكامل بعد. يقول أشوتوش كوتوال، عالم الفيزياء بجامعة ديوك، والذي شارك في تأليف تحليل CDF: “بينما أهنئ CMS على جهودها الشجاعة، فإن أي استنتاجات في هذه المرحلة ستكون سابقة لأوانها بالتأكيد”. “من الواضح أن كلا من CDF وCMS لا يمكن أن يكونا صحيحين.” استمد فريق CDF قياس كتلته باستخدام ست طرق مختلفة ودرس الطرق المختلفة التي قد يتحلل بها بوزون W إلى جزيئات أصغر. يقول كوتوال: “من ناحية أخرى، بدأ نظام إدارة المحتوى (CMS) للتو، حيث يحتوي منشوره الأول على طريقة واحدة فقط من هذه الطرق الست”.

لقد حقق النموذج القياسي نجاحًا هائلاً في وصف عالم الجسيمات الأساسية، لكن العلماء يعرفون أنه ليس كاملاً. وهي لا تشمل، على سبيل المثال، المادة المظلمة الغامضة التي يعتقد الفيزيائيون أنها موجودة في كل مكان في الكون أو الطاقة المظلمة التي يبدو أنها تسرع توسع الكون. إذا تمكن الباحثون من العثور على تناقض بين تنبؤات النموذج والواقع، فقد يشير ذلك إلى الطريق نحو توسيع النظرية لوصف الطبيعة بشكل أكمل.

يقول لونج: “أعتقد أننا جميعًا نتوقع أن “ينكسر” النموذج القياسي يومًا ما”. “لكن هذا القياس يعني أن واحدة من التلميحات الأكثر إغراءً (وإبهارًا) بأن النموذج القياسي لم يكن يعمل الآن تبدو وكأنها شذوذ تجريبي أكثر من كونها قصورًا نظريًا. وهذا يعني أنه يتعين علينا مواصلة البحث بجدية أكبر، وربما في أماكن مختلفة للعثور على هذه الشقوق”.

وفقًا للقياس الجديد لمصادم الهادرونات الكبير، فإن بوزون W يزن 80,360.2 ± 9.9 ميجا إلكترون فولت (MeV)، أي ما يقرب من 160,000 مرة كتلة الإلكترون، الذي يحتوي على حوالي 0.5 ميجا إلكترون فولت. وهذا الرقم يقع ضمن توقعات النموذج القياسي.

يعمل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) على تسريع البروتونات إلى سرعة تقارب سرعة الضوء ثم يقوم بصدمها معًا. وتولد طاقة الاصطدام العديد من الجسيمات الجديدة، بما في ذلك – في بعض الأحيان – بوزونات W. لا تستطيع التجربة قياس بوزونات W مباشرة لأنها تختفي بعد 10 فقط^{– 24} ثواني من الوجود لكنها غالبًا ما تتحلل إلى زوج من الجسيمات تسمى النيوترينو والميون (نسخة أضخم من الإلكترون).

إن النيوترينو بعيد المنال تقريبًا مثل بوزون W، لكن CMS يمكنه دراسة الميونات بدقة شديدة. من خلال القياس الدقيق لطاقة وزخم الميونات الناتجة عن حوالي 100 مليون تصادم يعتقد أنها خلقت بوزونات W، توصل الفيزيائيون إلى تقديرهم الجديد للكتلة. تم نشر النتائج في 8 أبريل في المجلة طبيعة.

حان الوقت للدفاع عن العلم

إذا استمتعت بهذا المقال، أود أن أطلب دعمكم. العلمية الأمريكية لقد عمل كمدافع عن العلوم والصناعة لمدة 180 عامًا، وربما تكون اللحظة الحالية هي اللحظة الأكثر أهمية في تاريخ القرنين.

لقد كنت العلمية الأمريكية مشترك منذ أن كان عمري 12 عامًا، وقد ساعد ذلك في تشكيل الطريقة التي أنظر بها إلى العالم. SciAm يثقفني ويسعدني دائمًا، ويلهمني شعورًا بالرهبة تجاه عالمنا الواسع والجميل. وآمل أن يفعل ذلك بالنسبة لك أيضا.

إذا كنت الاشتراك في العلمية الأمريكيةأنت تساعد في ضمان أن تغطيتنا تركز على البحث والاكتشاف الهادف؛ وأن لدينا الموارد اللازمة للإبلاغ عن القرارات التي تهدد المختبرات في جميع أنحاء الولايات المتحدة؛ وأننا ندعم العلماء الناشئين والعاملين على حد سواء في وقت لا يتم فيه الاعتراف بقيمة العلم نفسه في كثير من الأحيان.

وفي المقابل، تحصل على الأخبار الأساسية، ملفات بودكاست آسرة، ورسوم بيانية رائعة، لا يمكنك تفويت النشرات الإخبارية ومقاطع الفيديو التي يجب مشاهدتها، ألعاب التحدي، وأفضل الكتابة والتقارير في عالم العلوم. يمكنك حتى إهداء شخص ما اشتراكًا.

لم يكن هناك وقت أكثر أهمية بالنسبة لنا للوقوف وإظهار أهمية العلم. آمل أن تدعمونا في تلك المهمة.