تعلن تجارب CERN عن دليل أولي على اضمحلال بوزون هيغز النادر إلى ميونات 

المشكلة في اكتشاف هذا الاضمحلال هي أن أزواج الميونات تنشأ أيضًا بطرق أخرى ومن الصعب فصل الضوضاء عن الإشارة، كما يوضح البروفيسور إليعازر رابينوفيتش من معهد راكيه للفيزياء في الجامعة العبرية ورئيس لجنة الطاقة العليا. من أكاديمية العلوم ووزارة العلوم

تعلن التجارب في CERN عن أولى المؤشرات على اضمحلال نادر لبوزون هيغز إلى ميونات. المشكلة في اكتشاف هذا الاضمحلال هي أن أزواج الميونات تنشأ أيضًا بطرق أخرى ومن الصعب فصل الضجيج عن الإشارة، كما يوضح البروفيسور إليعازر رابينوفيتش من معهد راكا للفيزياء في الجامعة العبرية، ورئيس الجامعة العبرية العليا. لجنة الطاقة التابعة للأكاديمية الوطنية للعلوم ووزارة العلوم والممثل العلمي الكبير لإسرائيل البصرة، والمسؤول نيابة عن إسرائيل عن التعاون الإقليمي في مسرع SESAMI في الأردن.

انعقد مؤخراً المؤتمر الأربعون لفيزياء الطاقة العالية ICHEP (بالوسائل الرقمية كما جرت العادة في أيام فيروس كورونا). وكان أحد الإعلانات المهمة في المؤتمر هو النتائج الجديدة التي توصل إليها الباحثون العاملون في المعجل والتي بموجبها تم اكتشاف دليل لأول مرة على أن بوزون هيغز يضمحل إلى ميونات. الميون هو ضعف أثقل من الإلكترون، وهو أحد الجسيمات الأولية التي تشكل المادة في الكون. في حين تصنف الإلكترونات على أنها جسيمات الجيل الأول، تنتمي الميونات إلى الجيل الثاني. تعتبر العملية الفيزيائية لتحلل بوزون هيغز إلى زوج من الميونات (ميون وميون مضاد) ظاهرة نادرة حيث أن بوزون هيغز واحد فقط من كل 40 يضمحل إلى ميونات. هذه النتائج ذات أهمية حاسمة للفيزياء الأساسية لأنها تشير لأول مرة إلى أن بوزون هيغز يتفاعل مع الجسيمات الأولية من الجيل الثاني.

يقوم الفيزيائيون في CERN بدراسة بوزون هيغز منذ اكتشافه في عام 2012 من أجل دراسة خصائص هذا الجسيم الخاص. بوزون هيغز، الناتج عن اصطدام البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير، يتحلل على الفور تقريبًا إلى جسيمات أخرى. إحدى الطرق الرئيسية لدراسة خصائص بوزون هيغز هي تحليل الطريقة التي يتحلل بها إلى الجسيمات الأولية المختلفة ومعدل الاضمحلال.

وكما هو معروف، تجري تجربتان مختلفتان في ساران - منشآت كبيرة مليئة بمعدات تحتوي على العديد من أجهزة الاستشعار - CMS وأطلس (حيث يتركز العلماء الإسرائيليون أيضًا وحيث تعمل أيضًا أجهزة الكشف المصنعة في إسرائيل). حصلت تجربة CMS على دليل على هذا الاضمحلال بـ 3 سيجما، مما يعني أن فرصة رؤية اضمحلال بوزون هيغز إلى زوج من الميونات أقل من واحد في 700. وفي منشأة أطلس، والتي، وفقًا للبروفيسور، وصلت فقط إلى سيجما - 2. ومع ذلك، عندما تأخذ البيانات من التجربتين على مر السنين وتجمعها في مصفوفة بيانات كبيرة واحدة، تحصل على فرصة 1:40، وهي مجموعة تعطي سيجما أكبر بكثير من ثلاثة، وتوفر دليلاً قويًا على اضمحلال بوزون هيغز إلى اثنين من الميونات.

بوزون هيغز هو التعبير الكمي لمجال هيغز، الذي يعطي كتلة للجسيمات الأولية التي يتفاعل معها، من خلال آلية بروت-إنجليت-هيغز. من خلال قياس معدل اضمحلال بوزون هيغز إلى جسيمات مختلفة، يستطيع الفيزيائيون استنتاج قوة تفاعلها مع مجال هيغز: كلما ارتفع معدل الاضمحلال لجسيم معين، كلما كان تفاعله مع المجال أقوى. حتى الآن، لاحظت تجارب أطلس وCMS اضمحلال بوزون هيغز إلى أنواع مختلفة من البوزونات مثل W وZ، والفرميونات الأثقل مثل ليبتون تاو. تم قياس تفاعل بوزون هيغز مع أثقل الكواركات العلوية والسفلية في عام 2018. والميونات أخف بكثير بالمقارنة وتفاعلها مع مجال هيغز أضعف. وبالتالي، لم يتم رؤية التفاعلات بين بوزون هيغز والميونات من قبل في LHC.

ما يجعل الدراسات أكثر صعوبة هو أنه في مصادم الهادرونات الكبير، مقابل كل بوزون هيغز الذي يضمحل إلى اثنين من الميونات، هناك الآلاف من أزواج الميونات التي تنتجها عمليات أخرى تحاكي التوقيع التجريبي المتوقع. العلامة المميزة لاضمحلال بوزون هيغز إلى ميونات هي زيادة صغيرة في الأحداث التي تتجمع بالقرب من كتلة زوج من الميونات حوالي 125 جيجا إلكترون فولت، وهي كتلة بوزون هيغز. إن عزل التفاعل بين بوزون هيغز واثنين من الميونات ليس بالأمر السهل. ولتحقيق هذه الغاية، تقيس كلتا التجربتين الطاقة والزخم وزوايا الجسيمات المرشحة لزوج الميونات من اضمحلال بوزون هيغز. وبالإضافة إلى ذلك، تم تحسين حساسية التحليلات من خلال التعلم الآلي. قسم علماء أطلس هذه الأحداث إلى 20 فئة ركزت على المنتجات المحتملة لاضمحلال هيغز.

استخدمت النتائج، التي تتطابق حتى الآن مع تنبؤات النموذج القياسي، مجموعة البيانات الكاملة التي تم جمعها من الجولة الثانية للمصادم LHC. مع المزيد من البيانات التي سيتم تسجيلها من التشغيل التالي لمسرع الجسيمات ومع LHC عالي اللمعان، يتوقع العلماء المتعاونون في Atlas وCMS الوصول إلى حساسية 5 سيجما اللازمة لإثبات اكتشاف اضمحلال بوزون هيغز إلى قسمين. الأيونات وتقييد إمكانية وجود نظريات فيزيائية محتملة تتجاوز النموذج المعياري الذي سيؤثر على حالة اضمحلال بوزون هيغز.

"وفقًا للنموذج القياسي، يلعب جسيم هيغز دورًا مركزيًا في نقل الكتلة غير الصفرية إلى العديد من الجسيمات، بما في ذلك الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات (والكواركات التي تشكلها). ومن خلال القيام بذلك، فإنه يحدد إلى حد كبير طبيعة الذرات التي نتكون منها". يشرح البروفيسور رابينوفيتش. في بعض الأحيان يمكنك أن تجد في المقالات أن هيغز هو المسؤول عن كل الكتلة الموجودة في الكون. هذا ليس دقيقا. حتى لو تم إيقاف جسيم هيجز أو ببساطة لم يكن موجودًا، فإن العديد من الجسيمات ستكتسب كتلة غير الصفر. لكن بدون هيغز، كانت الكتلة أصغر بكثير وكانت طبيعة الذرات مختلفة تمامًا عما نراه في الطبيعة. يوجد في النموذج القياسي تعبير كمي واضح لهذا التشخيص النوعي. كلما زادت كتلة الجسيم، كلما كان التصاق جسيم هيجز به أقوى. إحدى الطرق التجريبية لتأكيد هذا الادعاء هي قياس المعدل الذي يتحلل به جسيم هيغز إلى جسيمات أخف. كلما كان التصاق هيغز بالجسيم أقوى، كلما زاد ميله إلى التحلل فيه. إذا كانت درجة الارتباط مميزة بالفعل لكتلة الجسيم، فمن الممكن التنبؤ بأن هيغز سوف يضمحل مباشرة إلى جسيم يسمى تاو، وهو الأثقل في عائلة مكملات الإلكترون، منه إلى الميون، والذي أخف من التاو ولكنه أثقل من الإلكترون. ومن هذا يمكن أيضًا أن نستنتج أن عدد الاضمحلالات المباشرة للإلكترون، الأخف بين جميع أفراد عائلته، سيكون الأصغر.

عندما تم تصميم المسرع العملاق وأجهزة الكشف المختلفة، كان من المتوقع أن يكون عدد اضمحلال هيغز إلى تاو كبيرًا بما يكفي بحيث يمكن بجهد تجريبي كبير ملاحظة هذا الاضمحلال. وقد لوحظ الانخفاض بالفعل وبالمعدل الذي تنبأ به النموذج القياسي. فقط أكثر الناس تفاؤلاً هم الذين اعتقدوا أن المجربين سيكونون قادرين فعليًا على عزل وملاحظة اضمحلال هيغز مباشرة إلى الميونات. وبفضل إبداع الفيزيائيين التجريبيين، تم العثور على الدليل على ذلك بشكل شبه مؤكد، وبالفعل بالمعدل المتوقع لجسيم أخف. إن إمكانية اكتشاف اضمحلال أكثر ندرة لجسيم هيغز إلى أخف جسيم في عائلة الإلكترون، وهو الإلكترون نفسه، تظل صغيرة جدًا في المسرع الحالي.

وإلى جانب النجاحات، أضاف البروفيسور رابينوفيتش: "سنكون سعداء باكتشاف ظواهر لا تتوافق مع النموذج القياسي من أجل العثور على نصيحة لفيزياء جديدة، ولكن التحقق من النموذج له أيضًا أهمية كبيرة ورمز". لانتصار المعرفة الإنسانية."

الإسرائيليون في الميدان

ويضيف البروفيسور جيورا ميكنبيرج: هذه نتيجة أولية، لا تزال بحاجة إلى التحقق منها، ولكن إذا كانت صحيحة، فإنها تعزز إثبات العلاقة بين بوزون هيغز وكتلة الجسيمات. أولاً تمكنوا من إثبات ذلك على الجسيمات الثقيلة جدًا، والآن أيضًا على الجسيمات الأخف مثل الميونات. المشكلة في التجربة هي أن ضجيج الخلفية مرتفع جدًا. ولهذا السبب استغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن يتمكنوا من الفصل بين الاثنين. لقد تمكنا من القيام بذلك لأننا جمعنا بيانات من عدد كبير من الاصطدامات، مما سمح لنا برؤية ذلك. تعد كل من CMS وAtlas من التجارب المعقدة للغاية. أطلس، الجهاز الذي يكتشف الميونويدات هو منشأة كنت مسؤولاً عنها لمدة تسع سنوات. تنظر التجارب إلى أشياء مختلفة قليلًا. على سبيل المثال، يحتوي CMS على مجال مغناطيسي أقوى بمرتين من مجال أطلس، لذلك يتم التركيز على الأيونات ذات الطاقة المتوسطة. يكتشف أطلس الميونات ذات الطاقة العالية جدًا، وبالتالي فإن أطلس أقل جودة عندما يتعلق الأمر بوزون هيغز. وفي حالة المطياف المستخدم لكشف الأيونات في الأطلس، فإننا نتحدث عن وحش أبعاده 45 × 25 × 25 مترًا مزودًا بـ 24 مغناطيسًا على الموصلات (تم بناء أجزاء منه في إسرائيل AB). نحن نعرف مكان كل كاشف على مسافة شعرة واحدة. أجزاء الآلة التي تتعرض لطاقات عالية بشكل مستمر، تعمل بنسبة 99%. وهذا بفضل المهندسين الذين يكرسون حياتهم كلها لصيانتها. "

لدى التخنيون زميل كبير في مرحلة ما بعد الدكتوراه تتمثل مهمته في إصلاح أجهزة الكشف المعيبة المصنوعة في إسرائيل.

ويضيف البروفيسور إيهود دوشوفاني، وهو أيضًا من معهد وايزمان: "إن فريق التخنيون بقيادة البروفيسور شلوميت لم يقدم بعد مساهمة كبيرة في تحديد وإعادة بناء الميونات. تقوم أجهزة الاستشعار بإرسال إشارة كهربائية عندما يضربها جسيم ما. وفقًا للخريطة الحرارية وغيرها من الأدلة، يتم التعرف على ما إذا كان الجسيم الذي ضرب هو الميون، وهي خطوة معقدة. والخطوة التالية: تحديد زخم الجسيم هو أكثر صعوبة بكثير."

لدى التخنيون زميل كبير في مرحلة ما بعد الدكتوراه تتمثل مهمته في إصلاح أجهزة الكشف المعيبة المصنوعة في إسرائيل.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• البروفيسور فرانسوا إنجلر، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء (وشريك جائزة البروفيسور هيجز) هو أيضًا باحث في مدرسة تل أبيب للفيزياء * رد البروفيسور رابينوفيتش باللغة العبرية على جائزة نوبل: لقد تم تحقيق العدالة
• فاز مؤسسو SESAME، بما في ذلك البروفيسور إليعازر رابينوفيتش، بجائزة دبلوماسية العلوم من AAAS
• ملاحظات جولة CERN، الجزء 3: هل سنبحر فقط إذا علمنا أن هناك أمريكا عبر المحيط؟ البروفيسور إليعازر رابينوفيتش من الجامعة العبرية يتحدث عن أهمية العلوم الأساسية (Gallery - LHC)