الجسيمات المكتشفة في CERN تحل لغزًا عمره 20 عامًا

ظهر جسيم جديد إلى الوجود في مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN، وهو جسيم أثقل يشبه البروتون ويحتوي على كواركين ساحرين.

البروتونات والنيوترونات هي أمثلة لفئة من الجسيمات تسمى الباريونات، والتي يحتوي كل منها على ثلاثة جسيمات دون ذرية أساسية تسمى الكواركات والتي تأتي في مجموعة متنوعة من النكهات. في حالة البروتون، هناك كواركان علويان وكوارك سفلي واحد يشكلان الجسيم.

لكن الكواركات الأثقل، مثل تلك المعروفة باسم الكواركات الساحرة، يمكن أن تتحد أيضًا لتكوين الباريونات. ومع ذلك، نظرًا لأن مجموعات الكواركات غير العادية هذه أثقل وأكثر عدم استقرار، فغالبًا ما يكون لها عمر قصير عابر وتتحلل بسرعة إلى جسيمات أخرى.

في عام 2017، لمح الفيزيائيون العاملون في تجربة LHCb التابعة لـ CERN أحد هذه الباريونات الغريبة، والتي يُطلق عليها اسم Xi_نسخة⁺⁺، والتي كانت مكونة من كواركين ساحرين وكوارك علوي. عاش هذا الجسيم لمدة جزء من تريليون من الثانية فقط. الآن، اكتشف الفيزيائيون الذين يعملون في تجربة LHCb الجسيم الشقيق المليء بالسحر لشي_نسخة⁺⁺، ودعا شي_نسخة⁺جسيم يحتوي على كوارك سفلي بدلًا من كوارك علوي، مما يجعله نظيرًا أثقل للبروتون.

وكان لهذا الجسيم عمر متوقع أقصر بست مرات من عمر شي_نسخة⁺⁺، مما يجعل اكتشافه أكثر صعوبة. ولم يتم العثور عليه إلا بعد ترقية تجربة LHCb لإجراء عمليات بحث أكثر حساسية عن الجسيمات. يمتلك هذا الاكتشاف أهمية إحصائية تزيد عن 7 سيجما، وهو مقياس يستخدمه الفيزيائيون للتعبير عن مدى ثقتهم في أن النتيجة ليست مجرد صدفة عشوائية، مما يؤدي بسهولة إلى مسح شريط 5 سيجما المطلوب للمطالبة بالاكتشاف.

“ليس من المثير للاهتمام فقط اكتشاف الجسيم في حد ذاته – شي_نسخة⁺ يقول كريس باركس من جامعة مانشستر في المملكة المتحدة: “تم البحث عنه لفترة طويلة – ولكنه يُظهر أيضًا القوة التي تتمتع بها هذه التحسينات في LHC. في عينة بيانات مدتها عام واحد، تمكنا من رؤية شيء لم نتمكن من رؤيته من خلال بيانات 10 سنوات من الجيل السابق”.

يقول باركس إن اكتشاف هذا الجسيم يمكن أن يعلمنا كيف أن القوة النووية القوية، التي تصف كيفية ارتباط الكواركات معًا، تلصق معًا كواركات أثقل من تلك التي نراها في البروتونات والنيوترونات. ولكنه يحل أيضًا لغزًا عمره 20 عامًا.

في عام 2002، اعتقد الفيزيائيون الذين يعملون في تجربة سيليكس في مختبر فيرمي الوطني للمسرع في إلينوي أنهم اكتشفوا جسيمًا يشبه إلى حد كبير شي_نسخة⁺، ولكن بكتلة أقل بكثير مما كان متوقعًا عند مستوى ثقة 4.7 سيجما فقط. “لقد وجدناها الآن، ولكنها في كتلة مشابهة لشريكتها [Xi_cc⁺⁺] “التي وجدناها قبل بضع سنوات، وليس بالكتلة التي تنبأ بها سيليكس”، كما يقول باركس. إن قوة الاكتشاف الجديد تغلق الباب أمام مسألة كتلة هذا الجسيم.

يقول خوان روجو من جامعة فريي أمستردام في هولندا: “إنه قياس مثير للاهتمام للغاية، ولكن ليس من الواضح ما الذي نتعلمه منه”. “لا توجد قاعدة في الديناميكا اللونية الكمومية تمنع هذا الهادرون من الوجود، لكننا الآن قمنا بقياس وجوده، ولم نتركنا مضاءين بشكل خاص.”

يقول روجو إن جزءًا من هذا يرجع إلى أن نظرياتنا الحالية لا تتنبأ جيدًا بكيفية تفاعل الكواركات الأثقل داخل الباريونات أو ما يجب أن تكون عليه كتلتها. يقول روجو: “إن البيانات الآن تتقدم على النظرية الخاصة بهذا النوع من الجسيمات، ولكن من الممكن أنه في غضون خمس سنوات من الآن، سيكون هذا القياس قادرًا على الإجابة على بعض الأسئلة النظرية المهمة جدًا”، مثل ما تعنيه مجموعات الكواركات المختلفة لكتل ​​الجسيمات.