fbpx

كيف عثرنا على اشارات عن جسيمات أو قوى من الطبيعة جديدة – ولماذا يمكنها أن تغير الفيزياء

تجربة الميون.
Reidar Hahn/Fermilab

Themis Bowcock، جامعة ليفربول ومارك لانكستر، جامعة مانشستر

قبل سبع سنوات، تم نقل مغناطيس ضخم لمسافة تزيد عن 3200 ميل (5150 كم) عبر البر والبحر، على أمل دراسة جسيم دون ذري (أصغر من الذرة) يسمى ميون (muon).

وترتبط الميونات ارتباطاً وثيقاً بالإلكترونات التي تدور حول كل ذرة وتشكل اللبنات الأساسية للمادة. يمتلك كل من الإلكترون والميون خصائص تنبأت بها بدقة أفضل نظرية علمية حالية لدينا تصف عالم الكم دون الذري، وهي النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

وقد كرس جيل كامل من العلماء أنفسهم لقياس هذه الخصائص بتفاصيل رائعة. في عام 2001، أشارت إحدى التجارب إلى أن إحدى خصائص الميون لم تكن تماماً كما تنبأ النموذج القياسي، ولكن كانت هناك حاجة لدراسات جديدة للتأكيد. وقد نقل الفيزيائيون جزءاً من التجربة إلى معجل جديد، في Fermilab (معجل اميركي)، وبدأوا في أخذ المزيد من البيانات.

وقد أكد الآن قياس جديد النتيجة الأولية. إن هذا يعني أنه قد توجد جسيمات أو قوى جديدة لم يتم حسابها في النموذج القياسي. وإذا كان هذا هو الحال، فيجب مراجعة قوانين الفيزياء ولا أحد يعرف إلى أين قد يؤدي ذلك.

وتأتي هذه النتيجة الأخيرة من تعاون دولي، وكلانا جزء منه. حيث يستخدم فريقنا مسرعات الجسيمات لقياس خاصية تسمى العزم المغناطيسي للميون.

يتصرف كل ميون مثل قضيب مغناطيسي صغير عند تعرضه لمجال مغناطيسي، وهو تأثير يسمى العزم المغناطيسي. وتمتلك الميونات أيضاً خاصية جوهرية تسمى “اللف المغزلي “، وتُعرف العلاقة بين اللف والعزم المغناطيسي للميون بالعامل g. ومن المتوقع أن يكون “g” للإلكترون والميون اثنين، لذا يجب قياس g ناقص اثنين (g-2) ليكون صفراً. إن هذا ما نقوم باختباره في Fermilab.

في هذه الاختبارات، استخدم العلماء المُسرِّعات، وهي نفس التكنولوجيا التي تستخدمها Cern في المصادم (Large Hadron Collider beauty) LHC. ينتج مسرع Fermilab الميونات بكميات كبيرة جداً ومقاييس دقيقة جداً لكيفية تفاعلها مع المجال المغناطيسي.




إقرأ المزيد:
دليل على فيزياء جديدة في سيرن Cern؟ لماذا نحن متفائلون بحذر بشأن نتائجنا الجديدة


يتأثر سلوك الميون بـ “الجسيمات الافتراضية” التي تظهر وتخرج من الفراغ. هذه الجسيمات توجد بشكل عابر، ولكن لفترة كافية للتأثير على كيفية تفاعل الميون مع المجال المغناطيسي وتغيير العزم المغناطيسي المقاس، وإن كان بكمية ضئيلة.

ويتنبأ النموذج القياسي بدقة شديدة، إلى أفضل من جزء واحد في المليون، ما هو هذا التأثير. فطالما أننا نعرف ما هي الجسيمات التي تتدفق داخل وخارج الفراغ، يجب أن تتطابق التجربة والنظرية. ولكن إذا لم تتطابق التجربة والنظرية، فقد يكون فهمنا لخليط (soup ) الجسيمات الافتراضية غير مكتمل.

جسيمات جديدة

إن احتمال وجود جسيمات جديدة ليس تخميناً فارغاً. فقد تساعد مثل هذه الجسيمات في شرح العديد من المشاكل الكبيرة في الفيزياء. لماذا، على سبيل المثال، يحتوي الكون على الكثير من المادة المظلمة – مما يتسبب في دوران المجرات بشكل أسرع مما نتوقع – ولماذا اختفت تقريباً كل المادة المضادة التي نشأت في الانفجار العظيم؟

لقد كانت المشكلة حتى الآن هي أن أحداً لم ير أياً من هذه الجسيمات الجديدة المقترحة. كان من المؤمل أن ينتجها مصادم الهادرونات الكبير في سيرن LHC في التصادمات بين البروتونات عالية الطاقة، ولكن لم يتم رصدها بعد.

شاحنة تحمل شحنة أوسع بكثير على الطريق.
تحريك حلقة الميون muon .
Reidar Hahn/Fermilab

لقد استخدم القياس الجديد نفس التقنية المستخدمة في تجربة في “مختبر Brookhaven الوطني في نيويورك، في بداية القرن، والتي اتبعت نفسها سلسلة من القياسات في Cern.

فقد قامت تجربة Brookhaven بقياس التناقض مع النموذج القياسي الذي كان لديه فرصة واحدة من كل 5000 فرصة لكونه صدفة حظ إحصائية. وهذا هو نفس الاحتمال تقريباً مثل رمي قطعة نقود 12 مرة على التوالي، وكلها طرة.

وكان هذا محيراً، ولكنه أقل بكثير من عتبة الاكتشاف، والتي من الضروري عموماً أن تكون أفضل من واحدة من كل 1.7 مليون – أو 21 رمية عملة معدنية على التوالي. ولتحديد ما إذا كانت الفيزياء الجديدة قيد التنفيذ، سيتعين على العلماء زيادة حساسية التجربة بمقدار أربعة أضعاف.

ولإجراء القياس المحسّن، كان لا بد من نقل المغناطيس الموجود في قلب التجربة في عام 2013 على بعد 3200 ميل من Long Island على طول البحر والطريق، إلى Fermilab، خارج شيكاغو، حيث يمكن أن تنتج مسرعاتها مصدراً غزيراً للميونات.

وبمجرد أن يتم إجراء تجربة جديدة حول المغناطيس مع أحدث أجهزة الكشف والمعدات. لقد بدأت تجربة muon g-2 في جمع البيانات في عام 2017، بالتعاون مع قدامى العاملين المتمرسين من تجربة Brookhaven وجيل جديد من الفيزيائيين.

وكانت النتائج الجديدة، من السنة الأولى للبيانات في Fermilab، تتماشى مع القياس من تجربة Brookhaven. إن الجمع بين النتائج يعزز حجة الاختلاف بين القياس التجريبي والنموذج القياسي. إن الاحتمالات الآن تكمن في حوالي واحد من كل 40.000 من التناقض كونه صدفة حظ – لا تزال خجولة من عتبة اكتشاف المعيار الذهبي.

رسم بياني يوضح التنبؤ باللحظة المغناطيسية للميون والنتائج التجريبية.
التنبؤ والنتائج.
Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration

LHC

ومن المثير للاهتمام، أن الرصد الأخير الذي أجرته تجربة LHCbفي Cern وجد أيضاً انحرافات محتملة عن النموذج القياسي. والأمر المثير هو أن هذا يشير أيضاً إلى خصائص الميونات. فهذه المرة هناك اختلاف في كيفية إنتاج الميونات والإلكترونات من جسيمات أثقل. فمن المتوقع أن تكون المعدلان متماثلين في النموذج القياسي، لكن القياس التجريبي وجدهما مختلفين.

وحين نأخذهما معاً، فإن نتائج LHCb و Fermilab تعزز الحالة التي لاحظنا فيها أول دليل على فشل تنبؤ النموذج القياسي، وأن هناك جسيمات أو قوى جديدة في الطبيعة يجب اكتشافها.

وللتأكيد النهائي، يحتاج هذا إلى المزيد من البيانات من تجربة Fermilab muon ومن تجربة Cern’s LHCb. إن النتائج ستكون وشيكة في السنوات القليلة المقبلة. يحتوي Fermilab بالفعل على أربعة أضعاف البيانات المستخدمة في هذه النتيجة الأخيرة، ويجري تحليلها حالياً، وقد بدأ Cern في أخذ المزيد من البيانات ويتم بناء جيل جديد من تجارب الميون. إن هذا عصر مثير للفيزياء.المحادثة

Themis Bowcock، أستاذ فيزياء الجسيمات، جامعة ليفربول ومارك لانكستر، أستاذ الفيزياء، جامعة مانشستر

يتم إعادة نشر هذه المقالة من شبكة The Conversation تحت ترخيص المشاع الإبداعي. قراءة المادة الأصلية.

%d مدونون معجبون بهذه: