في أبريل ، أطلق العلماء في المركز الأوروبي للأبحاث النووية ، أو CERN ، خارج جنيف ، مرة أخرى مدفعهم الكوني ، مصادم الهادرون الكبير. بعد توقف دام ثلاث سنوات للإصلاحات والتحديثات ، استأنف المصادم إطلاق البروتونات – الأحشاء العارية لذرات الهيدروجين – حول مضمار السباق الكهرومغناطيسي تحت الأرض الذي يبلغ طوله 17 ميلًا. في أوائل يوليو ، سيبدأ المصادم في تحطيم هذه الجسيمات معًا لتكوين شرارات من الطاقة البدائية.
وهكذا فإن لعبة البحث عن سر الكون الكبرى على وشك أن تعود مرة أخرى ، وسط تطورات جديدة وآمال منتعشة لفيزيائيين الجسيمات. حتى قبل تجديده ، كان المصادم يقدم تلميحات إلى أن الطبيعة يمكن أن تخفي شيئًا مذهلاً. وصف Mitesh Patel ، عالم فيزياء الجسيمات في Imperial College London الذي أجرى تجربة في CERN ، البيانات من دوراته السابقة بأنها “أكثر مجموعة من النتائج إثارة رأيتها في حياتي المهنية.”
قبل عقد من الزمان ، احتل علماء فيزياء سيرن عناوين الصحف العالمية باكتشاف بوزون هيغز ، وهو جسيم طال البحث عنه ، والذي ينقل الكتلة إلى جميع الجسيمات الأخرى في الكون. ما تبقى لتجد؟ يقول علماء الفيزياء المتفائلون كل شيء تقريبًا.
عندما تم تشغيل مصادم CERN لأول مرة في عام 2010 ، كان الكون جاهزًا للإمساك به. صُممت الآلة ، الأكبر والأقوى على الإطلاق ، للعثور على بوزون هيغز. هذا الجسيم هو حجر الزاوية في النموذج القياسي ، وهو مجموعة من المعادلات التي تشرح كل شيء تمكن العلماء من قياسه حول العالم دون الذري.
لكن هناك أسئلة أعمق حول الكون لا يشرحها النموذج القياسي: من أين أتى الكون؟ لماذا هي مصنوعة من المادة وليس المادة المضادة؟ ما هي “المادة المظلمة” التي تغمر الكون؟ كيف يكون لجسيم هيغز نفسه كتلة؟
كان الفيزيائيون يأملون في أن تتحقق بعض الإجابات في عام 2010 عندما تم تشغيل المصادم الكبير لأول مرة. لم يظهر شيء باستثناء هيغز – على وجه الخصوص ، لم يكن هناك جسيم جديد قد يفسر طبيعة المادة المظلمة. بشكل محبط ، ظل النموذج القياسي ثابتًا.
تم إغلاق المصادم في نهاية عام 2018 لإجراء ترقيات وإصلاحات واسعة النطاق. وفقًا للجدول الزمني الحالي ، سيستمر تشغيل المصادم حتى عام 2025 ثم يتم إغلاقه لمدة عامين آخرين حتى يتم تثبيت ترقيات أخرى واسعة النطاق. من بين هذه المجموعة من التحسينات تحسينات على أجهزة الكشف العملاقة التي تقع في أربع نقاط حيث تصطدم أشعة البروتون وتحلل حطام الاصطدام. بدءًا من شهر يوليو ، سيتم قطع عمل هذه الكواشف عنهم. تم ضغط حزم البروتونات لجعلها أكثر كثافة ، مما يزيد من فرص اصطدام البروتونات عند نقاط العبور – ولكن خلق ارتباك للكاشفات وأجهزة الكمبيوتر في شكل بخاخات متعددة من الجسيمات التي يجب تمييزها عن بعضها البعض.
قال الدكتور باتيل: “ستأتي البيانات بمعدل أسرع بكثير مما اعتدنا عليه”. حيث حدث مرة واحدة فقط تصادمات عند كل تقاطع شعاع ، سيكون هناك الآن أكثر من خمسة.
قال “هذا يجعل حياتنا أكثر صعوبة إلى حد ما لأننا يجب أن نكون قادرين على العثور على الأشياء التي نهتم بها من بين كل تلك التفاعلات المختلفة”. “لكن هذا يعني أن هناك احتمالية أكبر لرؤية الشيء الذي تبحث عنه.”
في غضون ذلك ، كشفت مجموعة متنوعة من التجارب عن تصدعات محتملة في النموذج القياسي – وألمحت إلى نظرية أوسع وأكثر عمقًا للكون. تتضمن هذه النتائج سلوكيات نادرة لجسيمات دون ذرية ، أسماؤها غير مألوفة لمعظمنا في المدرجات الكونية.
خذ الميون ، جسيم دون ذري اشتهر لفترة وجيزة العام الماضي. غالبًا ما يشار إلى الميونات باسم الإلكترونات الدهنية ؛ لديهم نفس الشحنة الكهربائية السالبة لكن كتلتها أكبر بـ207 مرة. “من الذي طلب ذلك؟” قال الفيزيائي إيزادور رابي عندما تم اكتشاف الميونات في عام 1936.
لا أحد يعرف أين تتناسب الميونات في المخطط الكبير للأشياء. يتم إنشاؤها عن طريق تصادم الأشعة الكونية – وفي أحداث المصادم – وتتحلل إشعاعيًا في ميكروثانية إلى فوارة من الإلكترونات والجسيمات الشبحية التي تسمى النيوترينوات.
في العام الماضي ، أفاد فريق من حوالي 200 عالم فيزياء مرتبطين بمختبر فيرمي الوطني للمسرعات في إلينوي بذلك تذبذب الميونات التي تدور في مجال مغناطيسي بشكل أسرع مما توقعه النموذج القياسي.
جاء التناقض مع التوقعات النظرية في المكان العشري الثامن لقيمة معلمة تسمى g-2 ، والتي تصف كيفية استجابة الجسيم للمجال المغناطيسي.
أرجع العلماء الاختلاف الجزئي ولكن الحقيقي إلى الهمس الكمومي لجسيمات غير معروفة حتى الآن والتي من شأنها أن تتجسد لفترة وجيزة حول الميون وتؤثر على خصائصه. إن تأكيد وجود الجسيمات سيؤدي في النهاية إلى كسر النموذج القياسي.
لكن لا تزال مجموعتان من المنظرين تعملان على التوفيق بين تنبؤاتهم لما يجب أن يكون عليه g-2 ، بينما ينتظرون المزيد من البيانات من تجربة Fermilab.
قالت عايدة إكس الخضراء ، عالمة الفيزياء في جامعة إلينوي ، التي ساعدت في قيادة جهود استمرت ثلاث سنوات تسمى مبادرة نظرية Muon g-2 للتوصل إلى توقع إجماعي: “لا يزال شذوذ g-2 على قيد الحياة إلى حد كبير”. “أنا شخصياً متفائل بأن الشروخ في النموذج القياسي ستؤدي إلى حدوث زلزال. ومع ذلك ، قد يظل الموضع الدقيق للشقوق هدفًا متحركًا “.
كما يظهر الميون في حالة شاذة أخرى. الشخصية الرئيسية ، أو ربما الشرير ، في هذه الدراما هي جسيم يسمى B كوارك ، وهو واحد من ستة أنواع من الكوارك التي تتكون منها جسيمات أثقل مثل البروتونات والنيوترونات. B تعني القاع أو الجمال. تحدث مثل هذه الكواركات في جسيمات ثنائية الكوارك تعرف باسم الميزونات B. لكن هذه الكواركات غير مستقرة وعرضة للانهيار بطرق يبدو أنها تنتهك النموذج القياسي.
تتضمن بعض حالات الاضمحلال النادرة للكوارك B سلسلة من التفاعلات ، تنتهي بنوع مختلف وأخف من الكوارك وزوج من الجسيمات خفيفة الوزن تسمى اللبتونات ، إما الإلكترونات أو الميونات. يرى النموذج القياسي أن الإلكترونات والميونات من المرجح أن تظهر في هذا التفاعل. (يوجد لبتون ثالث أثقل وزنًا يسمى تاو ، لكنه يتحلل بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن ملاحظته). لكن الدكتور باتيل وزملاؤه وجدوا عددًا من أزواج الإلكترونات أكثر من أزواج الميون ، مما يخالف مبدأ يسمى عالمية ليبتون.
قال الدكتور باتيل ، الذي كان فريقه يحقق في الكواركات B باستخدام أحد كواشف مصادم الهادرونات الكبيرة ، LHCb: “يمكن أن يكون هذا نموذجًا قاتلًا قياسيًا”. هذا الشذوذ ، مثل الشذوذ المغناطيسي للميون ، يلمح إلى “مؤثر” غير معروف – جسيم أو قوة تتداخل مع التفاعل.
يقول الدكتور باتيل إن أحد أكثر الاحتمالات الدراماتيكية ، إذا صمدت هذه البيانات في مسار المصادم القادم ، هو تكهنات دون ذرية تسمى leptoquark. إذا كان الجسيم موجودًا ، فيمكنه سد الفجوة بين فئتين من الجسيمات التي تشكل الكون المادي: اللبتونات خفيفة الوزن – الإلكترونات والميونات وأيضًا النيوترونات – والجسيمات الأثقل مثل البروتونات والنيوترونات ، والتي تتكون من الكواركات. المحير هو أن هناك ستة أنواع من الكواركات وستة أنواع من اللبتونات.
قال الدكتور باتيل: “نحن ندخل في هذا السباق بمزيد من التفاؤل بإمكانية حدوث ثورة قادمة”. “تشابك الاصابع.”
يوجد جسيم آخر في حديقة الحيوانات هذه يتصرف بشكل غريب: البوزون W ، والذي ينقل ما يسمى بالقوة الضعيفة المسؤولة عن الاضمحلال الإشعاعي. في مايو ، علماء الفيزياء مع كاشف المصادم في Fermilab ، أو CDF ، أبلغت عن جهد استمر 10 سنوات لقياس كتلة هذا الجسيم، استنادًا إلى حوالي 4 ملايين بوزونات تم حصادها من الاصطدامات في Tevatron من Fermilab ، والذي كان أقوى مصادم في العالم حتى تم بناء مصادم الهادرونات الكبير.
وفقًا للنموذج القياسي وقياسات الكتلة السابقة ، يجب أن يزن البوزون W حوالي 80.357 مليار إلكترون فولت ، وهي وحدة طاقة الكتلة التي يفضلها الفيزيائيون. بالمقارنة يزن بوزون هيغز 125 مليار إلكترون فولت ، أي ما يعادل وزن ذرة اليود. لكن قياس CDF لـ W ، وهو الأكثر دقة على الإطلاق ، جاء أعلى من المتوقع عند 80.433 مليار. حسب المجربون أن هناك فرصة واحدة فقط في 2 تريليون – 7 سيجما ، في لغة الفيزياء – أن هذا التناقض كان صدفة إحصائية.
ترتبط كتلة البوزون W بكتل الجسيمات الأخرى ، بما في ذلك Higgs سيئ السمعة. لذا فإن هذا التناقض الجديد ، إذا صمد ، يمكن أن يكون صدعًا آخر في النموذج القياسي.
ومع ذلك ، يمكن أن تتبخر جميع الانحرافات الثلاثة وآمال المنظرين لثورة مع مزيد من البيانات. لكن بالنسبة إلى المتفائلين ، يشير الثلاثة جميعًا في نفس الاتجاه المشجع تجاه الجسيمات أو القوى المخفية التي تتدخل في الفيزياء “المعروفة”.
قال كايل كرانمر ، الفيزيائي في جامعة ويسكونسن والذي يعمل على تجارب أخرى في سيرن: “لذا فإن الجسيم الجديد الذي قد يفسر كلاً من كتلة جي -2 وكتلة دبليو قد يكون في متناول اليد في مصادم الهادرونات الكبير”.
أشار جون إليس ، المنظر في CERN و Kings College London ، إلى أنه تم نشر ما لا يقل عن 70 ورقة بحثية تقترح تفسيرات للتناقض الجديد في كتلة W.
وقال: “تتطلب العديد من هذه التفسيرات أيضًا جسيمات جديدة قد تكون في متناول المصادم LHC”. “هل ذكرت المادة المظلمة؟ لذا ، هناك الكثير من الأشياء التي يجب الانتباه إليها! “
قال الدكتور باتيل عن السباق القادم: “سيكون الأمر مثيرًا. سيكون عملاً شاقًا ، لكننا حريصون حقًا على معرفة ما لدينا وما إذا كان هناك شيء مثير حقًا في البيانات “.
وأضاف: “يمكن أن تمر بمهنة علمية ولا تستطيع قول ذلك مرة واحدة. لذلك يبدو الأمر وكأنه امتياز “.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”