أوقات الفيزياء الجديدة؟

عندما اكتشفنا بوزون هيغز، لم يتفاجأ أحد. وكنا ننتظر ظهوره، فظهر بكل مجده. لكن الآن تم اكتشاف إمكانية وجود جسيم أثقل بـ 6 مرات من هيجز. يشرح البروفيسور إيلام جروس من سويسرا

لقد مرت ثلاث سنوات ونصف منذ اكتشاف جسيم هيغز في مسرع الجسيمات الكبيرة (LHC) في جنيف. في المسرع، يتم تسريع شعاعين من البروتونات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء ويصطدمان وجهاً لوجه مع طاقات كثافتها مماثلة لتلك التي كانت سائدة في الكون - بعد جزء من الثانية من الانفجار الأعظم. ومع اكتشاف بوزون هيغز، اكتمل لغز ما يسمى بالنموذج القياسي.

الاشتباه في وجود جسيم أثقل من هيجز بـ 6 مرات

وتم اكتشاف جميع الجسيمات التي تنبأ بها النموذج، ومنها: الفوتونات، والإلكترونات، والنيوترينوات، والكواركات. لكن هذا اللغز الذي يبدو مثاليًا لم يرضي الفيزيائيين. الأسس التي يقوم عليها النموذج ليست قوية بما فيه الكفاية، وكتل جزيئات المادة والفروق الكبيرة بينها غير مفهومة وغير مقبولة بشكل طبيعي من قبل النموذج. لقد ابتكر الفيزيائيون نماذج أكثر تعقيدًا تعمل على توسيع النموذج القياسي بطريقة تحل بعض مشكلاته الأساسية، مثل تلك التي أشرنا إليها أعلاه.

أحد النماذج الأكثر تعقيدًا، والأكثر شيوعًا، هو ما يسمى بالتناظر الفائق: كل جسيم في النموذج القياسي له أخ أو أخت أثقل. لم يتم اكتشاف أي من هذه حتى الآن. لكن من أجل اكتشاف جسيمات أثقل، هناك حاجة إلى طاقات أكبر، وبالتالي بعد اكتشاف هيغز، تضاعفت طاقة الاصطدام وبلغت في عام 2015 13 تيف، أي طاقة تزن 13,000 مرة كتلة البروتون. .

وكان الفيزيائيون يأملون في العثور على دلائل على وجود جسيم ثقيل جديد، لكن لم يتوقع أحد أننا سنرى شيئا لم نتوقعه على الإطلاق. قد يكون هذا هو السبب الذي يجعل الفيزيائيين يجدون صعوبة في استيعاب أنه ربما، وربما فقط، اكتشفنا جسيمًا جديدًا، وخفضوا توقعاتهم وآمالهم إلى الحد الأدنى الممكن. كما أن هناك أساسًا علميًا متينًا لخفض التوقعات ويسمى باللغة العلمية: تأثير النظرة إلى مكان آخر.

عندما اكتشفنا بوزون هيغز، لم يتفاجأ أحد. وكنا ننتظر ظهوره، فظهر بكل مجده. تعيش الجسيمات مثل هيغز لفترة قصيرة جدًا وتتحلل على الفور إلى جسيمات أخرى. نقوم بتحديد موقع منتجات الاضمحلال واستعادة الجسيم الأصلي منها. وقد رأينا جسيم هيغز يضمحل إلى فوتونين، وأيضًا إلى أربعة إلكترونات، وأنماط أخرى مختلفة من الاضمحلال.

في الشكل 1، ترى صورة لواحدة من عشرات الأحداث التي خلقت حالة من الهيجان الإعلامي الذي يحدث حاليًا في العالم العلمي. عندما تحاول تفسير ثنائي الفوتون (Di-Photon)، أي الفوتونات (التي يرسمها الكاشف كخطوط خضراء)، على أنها نواتج اضمحلال جسيم ثقيل، تحصل على أن كتلة الجسيم تبلغ حوالي 760 GeV، أي أثقل بـ 6 مرات من بوزون هيغز. لن نكون متحمسين لجسيم واحد من هذا القبيل، لأنه حتى النموذج القياسي يتنبأ بوجود العديد من الأحداث التي تقع كتلتها الثنائية في هذا المجال. لكننا نحصل على أكثر بكثير مما توقعه نموذج سانديراتي. ثم السؤال الوحيد الذي يطرح هو كم أكثر وكيف يمكنك تحديد ذلك؟ "وكم بالحري" هو سبب لعقد مؤتمر صحفي والجواب يأتي في مصطلح إحصائي يسمى الدلالة.

يتم قياس الأهمية من خلال عدد الانحرافات المعيارية. على سبيل المثال، إذا كان متوسط ​​طول الرجل الأمريكي 177 سم، مع انحراف معياري قدره 8 سم، فإن حوالي ثلثي السكان الذكور سيكون طولهم بين 2-3 سم. يبلغ طول مايكل جوردان 169 سم، مما يعني أن طوله يزيد بحوالي 185 انحرافات معيارية عن المتوسط. أقل من 198/3 بالمائة من الرجال في الولايات المتحدة يمتدون إلى هذا الارتفاع. يبلغ طول شاكيل أونيل 1 سم، أي حوالي 4 انحرافات معيارية فوق المتوسط. فقط حوالي 216 رجلاً من حوالي 5 مليون رجل في الولايات المتحدة هم بهذا الطول. أقل من رجل واحد لكل مليون رجل - لا شك أن الرجل الذي يبلغ طوله خمسة انحرافات معيارية فوق المتوسط ​​هو أمر غير عادي ويلفت الانتباه. لا يوجد رجل أمريكي معروف يزيد انحرافه المعياري عن متوسط ​​الطول بستة انحرافات معيارية، فإذا رأيت واحدًا في الشارع فمن المحتمل أنك قادم من المريخ.

ولذلك قرر الفيزيائيون أنه إذا كان عدد الأحداث ذات كتلة معينة أعلى من المتوقع من النموذج القياسي بأكثر من خمسة انحرافات معيارية، فمن المرجح أن فائض الأحداث لا ينتج عن التقلبات الإحصائية بل عن الجسيمات الجديدة التي يتم إنشاؤها في التجربة. وهذا ما حدث عام 2012 مع اكتشاف جسيم هيغز. لذا فإن الرقم 5 سيجما (أو 5 انحرافات معيارية) هو الرقم السحري، وقد أبلغت التجربتان في المسرع، أطلس وCMS عن وجود فائض في الأحداث فوق 5 سيجما. وقد أبلغ كل منهم أيضًا عن وجوده في حالتين مختلفتين من حالات الاضمحلال، إحداهما كانت عبارة عن فوتون ثنائي. مع هذا الانحراف المعياري العالي، كان احتمال الخطأ، أي احتمال التقلب الإحصائي في كل محاولة، أقل من واحد في المليون.

تم اكتشاف جسيم هيغز بكتلة 125 جيجا إلكترون فولت. في الندوات التي عقدتها في جنيف التجربتان الموجودتان في المسرع، أطلس وCMS، يوم الثلاثاء الموافق 14 ديسمبر 2015، أبلغت التجربتان عن فائض في أحداث ثنائي الفوتون بكتلة تبلغ حوالي 750 جيجا إلكترون فولت (6 أضعاف كتلة هيجز) ).

في الشكل 2 نرى التوزيع الشامل لجميع الفوتونات الثنائية المسجلة في كاشف أطلس في عام 2015. ونرى أن هناك جميعها من 200 إلى 1600 جيجا إلكترون فولت. يوضح المنحنى الأحمر الموجود أعلى الصورة التوقعات من النموذج القياسي. في بعض الجماهير نرى عدداً من الأحداث أقل من المتوقع وفي بعضها فوق المتوقع. فائض الأحداث يمكن رؤيته في أسفل الصورة (الفائض السلبي يعني أقل من المتوقع). في محيط 750 GeV هناك تراكم للأحداث فوق التوقعات وهو أمر غير معتاد بالتأكيد. ويؤدي التراكم إلى حدوث نتوء في التوزيع على شكل جرس (انظر المنحنى الأزرق في أسفل الشكل 2). إذا قمت بضبط الجرس للأحداث الزائدة، فستحصل على حوالي 15 حدثًا فوق المتوقع البالغ حوالي 15 (حوالي 30 في المجموع). احتمالية حدوث تقلبات إحصائية ناتجة عن أكثر من 30 حدثًا هي أقل من 1:10000 وتتوافق مع 4 سيجما تقريبًا.

إذا فكرنا بعمق أكثر فسنفهم أننا سنرى فائضًا في الأحداث عند 600 أو 700 أو 900 أو 200 جيجا إلكترون فولت، حتى في ذلك الوقت سنشعر بالصدمة عند رؤية الاكتشاف المحتمل. يتعين علينا صياغة السؤال بشكل مختلف: "ما هي فرصة رؤية فائض بأهمية أعلى من 4 سيجما عند كتلة ما في مجال البحث (وليس بالضرورة عند 750 جيجا إلكترون فولت)؟". وبطبيعة الحال، فإن احتمال رؤية الفائض في أي مكان أعلى من احتمال رؤيته في مكان معين. يؤدي الاحتمال الأعلى إلى انخفاض كبير في الأهمية.

وهذا التأثير المتمثل في تقليل الأهمية بسبب توسع السؤال للبحث في كل كتلة، وليس فقط في كتلة معينة، يسمى "تأثير البحث في مكان آخر" أو تأثير البحث في مكان آخر (LEE) كما عرفنا أعلاه. يعد حساب LEE أمرًا معقدًا، ولكن هناك صيغًا تسمح بإجرائه بسهولة نسبية. يمكن أيضًا توسيع LEE ليشمل متغيرات إضافية في المشكلة. على سبيل المثال، حتى لو كان للزيادة جرس أوسع أو أضيق، فإنه سيلفت انتباهنا.

ولذلك أعاد أطلس صياغة السؤال: "ما هو احتمال رؤية فائض فوق 4 سيجما عند أي كتلة وبأي عرض (للجرس) في مجال البحث؟" وفي الإجابة انخفضت الدلالة إلى حوالي 2.2 سيجما، أي احتمال يبلغ حوالي 1.5%. تعد التقلبات الإحصائية لحوالي 2 سيجما شائعة جدًا عندما يتعلق الأمر بمئات إن لم يكن الآلاف من القياسات. ولهذا السبب اكتشف أطلس تغييرًا في الحذر وقلل من أهمية الاكتشاف المحتمل.

وفي تجربة CMS الموازية، كانت النتيجة أقل وضوحًا. في الشكل 4 يمكنك رؤية نتيجة احتمالية التقلبات الإحصائية في منطقة البحث في نظام إدارة المحتوى (CMS). أدنى احتمال هو عند كتلة 760 GeV ويتوافق مع أهمية 2.6 سيجما. وهذه أهمية صغيرة جدًا وعندما يؤخذ تأثير LEE في الاعتبار، تنخفض الأهمية إلى 1.2 سيجما، وهو ما يعتبر عمليًا شائعًا جدًا لدرجة أنه لا أحد ينتبه إليه.

في المثال أعلاه، 4 سيجما، هذا هو احتمال أن يكون طول رجل أمريكي عشوائي أكثر من 209 سم عندما يكون المتوسط ​​177 سم والانحراف المعياري 8 سم.

وهذا احتمال منخفض جدًا، أو ذو أهمية عالية جدًا. فلماذا لم يعقد أطلس مؤتمرا صحفيا كبيرا للإعلان عن اكتشاف جسيم ثقيل يتحلل إلى فوتونين؟
بالنظر إلى الجزء السفلي من الشكل 2، يمكن ملاحظة أن هناك فائضًا من الأحداث، وإن لم يكن ملحوظًا، أيضًا في حدود 500,1400 أو 1600 أو XNUMX جيجا إلكترون فولت.

يوضح الشكل 3 احتمالية أن يكون أي فائض في الأحداث التي نراها ناتجًا عن توقعات النموذج القياسي. في هذا الشكل نرى أن أقل احتمال هو في منطقة الكتلة البالغة 750 جيجا إلكترون فولت. وكما ذكرنا، كلما قل الاحتمال، زادت أهمية "الجسيم الجديد"، أي فائض لا يمثل تقلبًا إحصائيًا. في مساحة 750 جيجا إلكترون فولت كما هو مذكور قريب من 4 سيجما ولكن في مساحة 1600 جيجا إلكترون فولت يمكنك رؤية احتمالية منخفضة تؤدي إلى أهمية قريبة من 3 سيجما.

وتوضح التقلبات في هذا الشكل أن التقلبات الإحصائية شائعة. ولذلك، يجب توخي الحذر قبل التصريح بأن الفائض ليس نتيجة تقلب إحصائي (أهميته عالية جدًا) ولكنه نتيجة جسيم جديد.

عندما قلنا أن احتمال رؤية تقلب إحصائي في منطقة 750 جيجا إلكترون فولت أقل من 1:10000 أجبنا على السؤال: "ما هو احتمال أن تؤدي ملاحظة 15 حدثًا بكتلة 750 جيجا إلكترون فولت إلى حدوث تقلب إحصائي إلى عدد أعلى من 30 حدثًا؟"

ومع ذلك، فإن حقيقة أن كلتا التجربتين ترى أعلى أهمية عند نفس الكتلة 750-760 جيجا إلكترون فولت، وفي حالة أطلس، تبلغ الأهمية عند كتلة 750 جيجا إلكترون فولت حوالي 4 سيجما، مما يسبب الكثير من الإثارة في المجتمع العلمي .
وفي وقت كتابة هذه السطور، أي اليوم التالي لإعلان النتائج، كانت عشرات المقالات لعلماء الفيزياء النظرية قد نشرت بالفعل، والتي تحاول تفسير الملاحظة على أنها جسيم جديد،

وشرح سبب تفضيلها للتحلل إلى فوتونات ولماذا لم نشاهدها بعد في أي شكل آخر من أشكال الاضمحلال. لن نعرف الإجابة إلا عندما يعود دواسة الوقود، المعطل حاليا، إلى العمل في ربيع عام 2017. وحتى ذلك الحين، يستطيع المنظرون أن يستمروا في الحلم والاستمتاع بالشك.

تم نشر المقال لأول مرة على قناة YNET العلمية

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• الاشتباه في وجود جسيم أثقل من هيجز بـ 6 مرات
• وجود بوزون هيغز
• المادة المظلمة والطاقة المظلمة ومصير الكون - فصل من الكتاب الجديد "رحلة إلى فجر الكون"
• ويتوقع مجتمع الفيزيائيين اكتشافات جديدة مع إعادة تشغيل المسرع المحوري بعد ترقيته إلى 13 تيرا إلكترون فولت.