كشفت أبحاث حديثة أجريت في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سيرن بجنيف عن مؤشرات واعدة قد تقربنا من اكتشاف فيزياء غير معروفة. إذا ثبتت صحة هذه الاكتشافات، فإنها ستحدث ثورة في النموذج القياسي، الذي هيمن على فيزياء الجسيمات طوال 50 عامًا. تشير النتائج إلى أن سلوك جسيمات دون ذرية معينة داخل المصادم يتعارض مع توقعات النموذج القياسي، مما يفتح الباب أمام فهم أعمق للقوى الأساسية التي تحكم الكون.
الجسيمات الأساسية تمثل اللبنات الأساسية للمادة، وهي جسيمات دون ذرية لا يمكن تقسيمها إلى وحدات أصغر. تحكم أربع قوى أساسية - الجاذبية، الكهرومغناطيسية، القوة النووية الضعيفة، والقوة النووية القوية - كيفية تفاعل هذه الجسيمات. يُعد مصادم الهادرونات الكبير، وهو مسرع جسيمات ضخم يقع في نفق دائري بطول 27 كيلومترًا تحت الحدود الفرنسية السويسرية، أداة أساسية في استكشاف هذه التفاعلات.
تحدي النموذج القياسي
يُعد النموذج القياسي أفضل فهم لدينا حاليًا للجسيمات الأساسية والقوى التي تربطها، ولكنه لا يفسر ظواهر كونية هامة مثل الجاذبية أو المادة المظلمة، التي تشكل حوالي 25% من الكون. في مصادم الهادرونات الكبير، يتم تسريع حزم من جسيمات البروتون في اتجاهين متعاكسين ليتم اصطدامها، بهدف الكشف عن مؤشرات لفيزياء جديدة غير مكتشفة. تأتي النتائج الجديدة من تجربة LHCb، وهي إحدى التجارب الرئيسية في المصادم، حيث يتم تحليل هذه الاصطدامات.
تتعلق هذه النتيجة بدراسة تحلل جسيمات دون ذرية تسمى الميزونات B، وهي نوع من الجسيمات التي تحتوي على كواركات علوية. تم فحص الطريقة التي تتحلل بها هذه الميزونات B إلى جسيمات أخرى، وتم اكتشاف أن نمط هذا التحلل يختلف عن التنبؤات التي يقدمها النموذج القياسي. هذا الاختلاف، وإن كان دقيقًا، يمثل انحرافًا محتملاً عن النموذج المعمول به.
نظرية أنيقة ولكنها غير مكتملة
يعتمد النموذج القياسي على اثنين من أبرز التطورات في الفيزياء في القرن العشرين: ميكانيكا الكم ونظرية النسبية الخاصة لأينشتاين. هذه النظرية، على الرغم من نجاحها الباهر في وصف العالم دون الذري، إلا أننا نعرف أنها ليست القصة الكاملة. إنها لا تقدم تفسيرًا للجاذبية أو للطبيعة الغامضة للمادة المظلمة.
يمكن لعلماء الفيزياء مقارنة القياسات التي تم الحصول عليها في مرافق مثل مصادم الهادرونات الكبير مع التنبؤات المبنية على النموذج القياسي لاختبار نظريته بدقة. على الرغم من معرفتنا بأن النموذج القياسي غير مكتمل، إلا أنه بعد أكثر من 50 عامًا من الاختبارات الصارمة والمتزايدة، لم يتمكن فيزيائيو الجسيمات من العثور على ثغرة واضحة فيه. يبدو أن الوضع قد يتغير الآن.
أظهر قياسنا، الذي تم قبوله للنشر في مجلة Physical Review Letters، انحرافًا بمقدار أربع انحرافات معيارية عن توقعات النموذج القياسي. عمليًا، يعني هذا أنه بعد الأخذ في الاعتبار الشكوك التجريبية والنظرية، فإن احتمالية حدوث تقلب عشوائي في البيانات بهذه الحدة، إذا كان النموذج القياسي صحيحًا، لا تتجاوز واحدًا من 16,000. وعلى الرغم من أن هذا الرقم لا يرقى إلى "المعيار الذهبي" العلمي، المعروف بخمسة انحرافات معيارية (حوالي واحد من 1.7 مليون)، إلا أن الأدلة تتزايد. وتضاف إلى هذه القصة المقنعة نتائج من تجربة مستقلة أخرى في مصادم الهادرونات الكبير، وهي تجربة CMS، والتي نُشرت في وقت سابق من عام 2025.
على الرغم من أن نتائج CMS ليست بنفس دقة نتائج LHCb، إلا أنها تتفق معها بشكل جيد، مما يعزز هذه القضية. تم العثور على نتائجنا الجديدة في دراسة نوع معين من العمليات، يُعرف باسم تحلل البطريق الكهرومغناطيسي. هذه القياسات توفر نظرة ثاقبة على كيفية تحول جسيمات معينة، مما يسمح باختبار دقيق لنظريات تتجاوز النموذج القياسي.
دراسة الأحداث النادرة
يشير مصطلح "البطريق" في هذا السياق إلى نوع محدد من تحلل الجسيمات قصيرة العمر. في هذه الحالة، ندرس كيف يتحلل الميزون B إلى أربعة جسيمات دون ذرية أخرى: كاون، وبيون، وإلكترونين. يمكن تخيل ترتيب الجسيمات المشاركة، ببعض الخيال، وكأنها تشبه شكل البطريق. والأهم من ذلك، أن قياسات هذا التحلل تسمح لنا بدراسة كيفية تحول نوع واحد من الجسيمات الأساسية، وهو كوارك الجمال، إلى نوع آخر، وهو الكوارك الغريب.
يعتبر تحلل البطريق هذا نادرًا للغاية في النموذج القياسي؛ فمن بين كل مليون ميزون B، يتحلل واحد فقط بهذه الطريقة. لقد قمنا بتحليل دقيق للزوايا والطاقات التي تنتج بها هذه الجسيمات أثناء التحلل، وحددنا بدقة معدل حدوث العملية. وجدنا أن قياساتنا لهذه الكميات لا تتفق مع تنبؤات النموذج القياسي. هذا النوع من الدراسات الدقيقة للتحللات النادرة هو أحد الأهداف الأساسية لتجربة LHCb منذ إنشائها عام 1994.
تتميز عمليات البطريق بحساسيتها الفريدة لتأثيرات الجسيمات الجديدة الثقيلة جدًا التي لا يمكن إنشاؤها مباشرة في مصادم الهادرونات الكبير. قد تمارس هذه الجسيمات تأثيرًا قابلاً للقياس على هذه التحللات، حتى مع وجود مساهمة صغيرة من النموذج القياسي. هذا النوع من الملاحظات غير المباشرة ليس جديدًا؛ على سبيل المثال، تم اكتشاف النشاط الإشعاعي قبل 80 عامًا من رؤية الجسيمات الأساسية المسؤولة عنه (بوزونات W) بشكل مباشر.
توجهات مستقبلية
تتيح لنا دراسات العمليات النادرة استكشاف أجزاء من الطبيعة قد لا تصبح متاحة إلا باستخدام مصادمات جسيمات مخطط لها في المستقبل البعيد. هناك مجموعة واسعة من النظريات الجديدة المحتملة التي يمكن أن تفسر نتائجنا. تحتوي العديد من هذه النظريات على جسيمات جديدة تسمى "الليبتوكواركات"، والتي توحد بين نوعين مختلفين من المادة: "الليبتونات" و "الكواركات".
تشمل النظريات المحتملة الأخرى جسيمات هي نظائر أثقل للجسيمات الموجودة بالفعل في النموذج القياسي. تضع النتائج الجديدة قيودًا على شكل هذه النماذج وستوجه عمليات البحث المستقبلية عنها. على الرغم من حماسنا، لا تزال هناك أسئلة نظرية مفتوحة تمنعنا من الادعاء بشكل قاطع بأنه تم ملاحظة فيزياء تتجاوز النموذج القياسي. ينشأ السؤال الأكثر خطورة من ما يسمى "البطاريق الساحرة"، وهي مجموعة من العمليات الموجودة في النموذج القياسي، والتي يصعب للغاية التنبؤ بمساهماتها. تشير التقديرات الأخيرة لهذه البطاريق الساحرة إلى أن آثارها ليست كبيرة بما يكفي لتفسير بياناتنا.
علاوة على ذلك، فإن الجمع بين نموذج نظري وبيانات تجريبية من LHCb يشير إلى أن البطاريق الساحرة (وبالتالي النموذج القياسي) تواجه صعوبة في تفسير النتائج الشاذة. ستسمح البيانات الجديدة التي تم جمعها بتأكيد الوضع في السنوات القادمة؛ ففي عملنا الحالي، درسنا ما يقرب من 650 مليار تحلل لميزونات B تم تسجيلها بين عامي 2011 و 2018 للعثور على تحللات البطريق هذه. ومنذ ذلك الحين، سجلت تجربة LHCb ثلاثة أضعاف عدد الميزونات B. وتخطط المزيد من التطورات في ثلاثينيات القرن الحالي للاستفادة من الترقيات المستقبلية للمصادم الكبير وتجميع مجموعة بيانات أكبر بخمسة عشر مرة. ستسمح هذه الخطوة النهائية بإجراء ادعاءات حاسمة، مما قد يفتح الباب أمام فهم جديد لكيفية عمل الكون على المستوى الأكثر بدائية.
