تمكن باحثون من جامعة تل أبيب من وصف لأول مرة عملية فيزيائية نادرة تبدأ مع بوزون هيغز - "الجسيم الإلهي" الذي تم ملاحظته لأول مرة منذ حوالي عقد من الزمن - ويتحلل في النهاية إلى زوج من الجسيمات الأولية النادرة * ساعدت الملاحظات الجديدة من مسرع الجسيمات سارن Sarn في سويسرا الباحثين على فهم العملية بشكل أكثر وضوحًا
لعقود من الزمن، كان بوزون هيغز يقود مجتمع الفيزياء حول العالم إلى الجنون. منذ اكتشاف معجل الجسيمات، كانت هناك رحلة رائعة للعثور على "فيزياء جديدة" تتعلق به وبشماله.
أحد المسارات في هذه الرحلة يقوده فريق من الباحثين من جامعة تل أبيب وهم شركاء في دراسة رائدة تهدف إلى دراسة عملية اضمحلال نادرة تبدأ ببوزون هيغز، وتنتهي بزوج من الجسيمات الأولية المعروفة بالسحر جسيمات دون الذرية. وكجزء من الدراسة، وجد الباحثون أنه من الممكن توصيف معدل الاضمحلال بطريقة أكثر دقة واكتمالًا مما كان معروفًا حتى الآن.
تم إجراء البحث بقيادة البروفيسور إيريز عتصيون وطلاب الدكتوراه غاي كورين، هدار كوهين وديفيد رايشر - من كلية الفيزياء وعلم الفلك في كلية ريموند وبيرلي ساكلر للعلوم الدقيقة في جامعة تل أبيب. وأجريت الدراسة بالتعاون مع باحثين في معهد وايزمان وباحثين آخرين في مسرع الجسيمات LHC في جنيف.
هيغز - الجسيم المسؤول عن الكتلة
في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات هناك جسيمات تسمى البوزونات ووظيفتها هي أن تكون بمثابة "حاملات للقوة": وأشهرها هو الفوتون - وهو جسيم يحمل القوة الكهرومغناطيسية. وتحمل البوزونات الإضافية قوى أقل شهرة مثل القوة القوية والقوة الضعيفة. منذ أكثر من سنة يوبيلية، عالما الفيزياء البروفيسور بيتر هيجز والبروفيسور فرانسوا إنجلر (منذ عام 1984 زميل ساكلر في تعيين خاص في كلية الفيزياء وعلم الفلك فيجامعة تل ابيب) أنه قد يكون هناك جسيم جديد مرتبط بإعطاء كتلة للجسيمات الأولية في عالمنا. فقط في عام 2012، ثبت في تجربة أجريت في مسرع الجسيمات LHC (حيث يكون الباحثون من إسرائيل شركاء رئيسيين) أن بوزون هيغز هو جسيم حقيقي وقابل للقياس، وهو ثقيل جدًا مقارنة بالجسيمات المعروفة الأخرى. فاز هيجز وإنجلر بجائزة نوبل في العام التالي.
في معجل الجسيمات، تتصادم أزواج من البروتونات مع بعضها البعض بسرعات هائلة. في مثل هذه التصادمات النشطة، يمكن أن تحدث جميع أنواع العمليات المثيرة للاهتمام، والتي يمكننا من خلالها التعرف على طبيعة الكون الذي نعيش فيه. الطريقة التي تتم بها دراسة هذه العمليات هي عن طريق وضع مجموعة معقدة من أجهزة كشف الجسيمات حول نقطة الاصطدام، وبمساعدتها يمكن إعادة إنتاج أنواع الجسيمات المتكونة في الاصطدامات بالإضافة إلى خصائصها.
قد تحدث العديد من العمليات في هذه التصادمات، ولكل عملية "توقيع" مميز في الكاشف. ومن أجل استخلاص من الأحداث النادرة واستخلاص رؤى جديدة حول القوى الأساسية في الطبيعة، من الضروري جمع البيانات الإحصائية بكميات كبيرة (أي مراقبة عدد كبير جدا من الاصطدامات).
الهيغز هو جسيم ثقيل يتحلل على الفور
كما ذكرنا، فإن بوزون هيغز هو جسيم ثقيل نسبيا، ولكن يمكن أن ينشأ في تصادمات بين البروتونات إذا كانت طاقة المسرع عالية بما فيه الكفاية. مباشرة بعد تشكيله ينقسم إلى جزيئات أخف وزنا. يقول جاي كورين: "من المثير للاهتمام التحقق من أنواع الجسيمات التي تتحلل إليها وعدد مرات حدوث الانهيار لكل جسيم". "للمساعدة في الإجابة على هذا السؤال، تحاول مجموعتنا قياس المعدل الذي يتحلل به بوزون هيغز إلى جسيمات تسمى الكواركات الساحرة."
ويضيف كورين: "الأمر هو أن هذه ليست مهمة بسيطة لسببين رئيسيين". "هذه عملية نادرة جدًا، حيث سيتم إنشاء بوزون هيغز مرة واحدة فقط من بين مليارات الاصطدامات، وحوالي 3٪ فقط من بوزونات هيغز التي يتم إنشاؤها سوف تتحلل إلى كواركات سحرية. بالإضافة إلى ذلك، هناك خمسة أنواع أخرى من الكواركات، والمشكلة هي أنها جميعها تترك بصمة مماثلة في أجهزة الكشف لدينا. لذلك، حتى عندما تحدث هذه العملية بالفعل، فمن الصعب جدًا علينا التعرف عليها".
من إجمالي عدد الاصطدامات التي تم جمعها في المسرع من عام 2012 حتى اليوم، لم تكتشف المجموعة من تل أبيب بعد ما يكفي من اضمحلال بوزون هيغز إلى كواركات سحرية من أجل قياس معدل العملية بالدقة الإحصائية اللازمة.
ومع ذلك، فقد تم جمع معلومات كافية لتحديد الحد الأقصى لمعدل العملية بالنسبة لما تتنبأ به النظرية. سيكون معدل الانحلال الأكبر من المعدل المتوقع أول علامة مهمة للفيزياء "الجديدة" أو امتدادًا للنموذج المقبول حاليًا، وهو النموذج القياسي للجسيمات الأولية. ومن القياس الحالي، استنتج الباحثون أنه لا توجد فرصة لأن يكون معدل اضمحلال هيغز إلى كواركات سحرية 8 مرات (أو أكثر) مما تتنبأ به النظرية، وإلا لكان قد تم رصد مثل هذا الاضمحلال بدرجة كافية لقياسه. "قد لا يبدو هذا بيانًا مثيرًا للغاية،" يقول كورين مازحًا، "ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها شخص ما من قول شيء مهم حول معدل هذا الاضمحلال المحدد من قياسه المباشر، لذلك في مجالنا هذا هو بيان مهم ومهم للغاية."
ما هي الكواركات على أي حال؟ هذه هي جزيئات من نوع معين لها خصائص مماثلة. وهي تشكل، من بين أمور أخرى، البروتونات والنيوترونات الموجودة في نوى ذرات المادة. هناك ستة أنواع مختلفة من الكواركات، والتي ترتبط عادةً بثلاثة "أجيال" مختلفة، حيث يحتوي كل جيل على زوج من الكواركات من نوع مختلف. يحتوي الجيل الأول على زوج من الكواركات ذات الكتلة الأصغر، والتي تسمى "أعلى" و"أسفل". ويضم الجيل الثاني الكواركات من النوع "الغريب" و"السحري" والتي لها كتل أكبر، أما الجيل الثالث فيشمل الكواركات الأثقل من النوع "العلوي" و"السفلي".
وعادة ما ينقسم إلى جزيئات ثقيلة
ويضيف البروفيسور عتصيون: "تتنبأ النظرية بأن معدل اضمحلال بوزون هيغز إلى الجسيمات المختلفة سيكون متناسبًا مع كتلة (مربع) الجسيمات التي يضمحل إليها". "ولذلك، فإن التوقع هو أنه في معظم الحالات سوف يتحلل إلى جزيئات أثقل، ونادرًا ما يتحلل إلى جزيئات خفيفة. وفي هذه الأثناء تؤكد نتائج المسرع هذا التفسير، أي أنه قد تم رصد ما يكفي من الاضمحلال للجيل الثالث من الكواركات الثقيلة (والجسيمات الثقيلة الأخرى) من أجل تأكيد وجود هذه الاضمحلالات وقياس معدلها، ومعدلها. يتطابق مع ما تتنبأ به النظرية، لكن هذا ليس نهاية الأمر، لأنه لم يتم ملاحظة اضمحلال هيغز إلى الجيل الثاني (أو الأول) من الكواركات، لذلك لا يمكننا التأكد بعد من تطبيق نفس "القوانين" على هذا الجيل جسيمات دون الذرية."
ينوي البروفيسور عتصيون شرح التأثيرات المحتملة للاكتشافات المستقبلية في هذا السياق: "إذا اكتشفنا فجأة أن بوزون هيغز يتحلل فيها بمعدل لا يتناسب مع مربع كتلتها، فقد يكون لذلك عواقب بعيدة المدى فيما يتعلق فهمنا للكون، وخاصة الطريقة التي تحصل بها الجسيمات الأولية على كتلتها. ولهذا السبب أيضًا بذلنا الكثير من الجهد في توصيف اضمحلال هيغز إلى كوارك سحري، لأنه أثقل كوارك ولم يتم قياس معدل اضمحلاله بعد.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
شيق جدا