Shining Light on the Dark Sector: Search for Axion-like Particles and Other New Physics in Photonic Final States with FASER

في أعماق العالم دون الذري، لطالما اشتبه الفيزيائيون في أن الكون أكثر ازدحامًا بكثير مما يوحي به النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يصف هذا الإطار الراسخ بنجاح اللبنات الأساسية المعروفة للمادة والقوى التي تحكمها، ومع ذلك فإنه يغفل قطعة حاسمة من اللغز: المادة المظلمة. وبينما نعلم أن المادة المظلمة موجودة بسبب تأثير جاذبيتها على المجرات، إلا أننا لم نكتشف أبدًا بشكل مباشر الجسيمات التي تتكون منها. تقترح العديد من النظريات أن هذه الجسيمات الخفية خفيفة، وتتفاعل بشكل ضعيف، وربما طويلة العمر، مما يعني أنها يمكن أن تسافر مسافات شاسعة قبل أن تتلاشى. وإذا كانت مثل هذه الجسيمات موجودة، فقد يتم إنتاجها في الاصطدامات العنيفة للبروتونات في مصادم الهادونات الكبير، لتنزلق بعد ذلك عبر الكواشف الضخمة المصممة لالتقاط المادة العادية وتسافر مئات الأمتار داخل الصخور المحيطة. إن العثور عليها لن يكشف عن طبيعة المادة المظلمة فحسب، بل سيفتح أيضًا نافذة على "قطاع مظلم" من الفيزياء يعمل جنبًا إلى جنب مع القطاع الذي نعرفه.

في مصادم الهادونات الكبير، وهو آلة تصدم البروتونات معًا بسرعة تقارب سرعة الضوت، وُضع تجربة متخصصة تسمى "FASER" على بُعد 480 مترًا من نقطة الاصطدام الرئيسية، داخل نفق ضيق. هذا الموقع استراتيجي؛ فهو يقع مباشرة في مسار الجسيمات التي تنطلق للأمام من الاصطدامات، وهي منطقة من المرجح أن تظهر فيها الجسيمات الخفيفة والمراوغة. وبينما تُحاط الكواشف الرئيسية في موقع الاصطدام بطبقات سميكة من الخرسانة والصخور التي توقف كل شيء تقريبًا، فقد صُمم FASER لالتقاط الجسيمات القليلة التي يمكنها اختراق هذا الحاجز. وفي عملهم الأخير، وجه تعاون Faser اهتمامه إلى نوع محدد من الجسيمات الافتراضية يسمى "الجسيم الشبيه بالأكسيون" (axion-like particle). هذه الجسيمات هي "أقارب" نظرية للأكسيون، وهو جسيم اقتُرح في الأصل لحل لغز عميق في الفيزياء يتعلق بالسبب الذي يجعل الكون يتصرف بالطريقة التي يتصرف بها تحت تأثير القوة النووية القوية. وبخلاف الجسيمات الثقيلة التي تُبحث عنها عادة في فيزياء الطاقة العالية، فإن هذه الجسيمات الشبيهة بالأكسيون خفيفة ويمكن أن تتحلل إلى أزواج من الفوتونات عالية الطاقة، أو جسيمات الضوء، أثناء سفرها عبر الكاشف.

حلل الباحثون البيانات التي جُمعت خلال عامي 2022 و2023، والتي تقابل كمية هائلة من اصطدامات البروتون-بروتون. كانوا يبحثون عن بصمة محددة للغاية: انفجار مفاجئ وكثيف للطاقة في مقياس السعرات الكهرومغناطيسي الخاص بهم، وهو جهاز يقيس طاقة الجسيمات، مع عدم وجود أي إشارة على الإطلاق في أنظمة الحجب المحيطة التي قد تشير إلى دخول جسيم مشحون. وبما أن الجسيمات الافتراضية متعادلة، فإنها ستمر عبر الكواشف الأولية دون ترك أثر، لتتحلل لاحقًا إلى فوتونين في عمق الجهاز، مما يخلق ومضة نظيفة وعالية الطاقة. كان على الفريق أن يكون حذرًا للغاية للتمييز بين هذه الإشارة والضجيج الخلفي، الذي تهيمن عليه النيوترينوات. والنيوترينوات هي جسيمات شبحية تمر أيضًا عبر الصخور ويمكنها التفاعل مع مادة الكاشف، مما يجعلها تحاكي أحيانًا بصمة الطاقة للجسيمات المنشودة. ولإدارة ذلك، استخدم العلماء محاكاة حاسوبية متطورة للتنبؤ بدقة بعدد تفاعلات النيوترينو التي يجب أن تحدث في نطاق الطاقة المحدد لديهم.

كانت نتيجة هذا البحث الدقيق هي حدث واحد فقط. سجل الكاشف حالة واحدة ظهر فيها ترسب عالي الطاقة في مقياس السعرات مع عدم وجود نشاط في الجزء العلوي، مما يطابق النمط المتوقع لجسيم شبيه بالأكسيون في حالة تحلل. ومع ذلك، أظهرت حسابات الفريق أنهم توقعوا رؤية حوالي 0.44 من تفاعلات النيوترينو التي يمكن أن تبدو تمامًا مثل هذا الحدث، مع هامش من عدم اليقين يجعل ملاحظة الحدث الواحد متسقة تمامًا مع الصدفة العشوائية. بعبارة أخرى، كان الحدث الوحيد الذي وجدوه ناتجًا على الأرجيل عن نيوترينو يقوم بما تفعله النيوترينوات، وليس اكتشافًا لفيزياء جديدة. ولأن الملاحظة لم تتجاوز بشكل كبير توقعات الخلفية، لم يتمكن الباحثون من ادعاء العثور على جسيم جديد. وبدلاً من ذلك، استخدموا هذه النتيجة لوضع حدود جديدة ورائدة عالميًا حول أين يمكن أن توجد هذه الجسيمات.

من خلال إظهار عدم ظهور أي فائض في الأحداث يتجاوز ما يمكن للنيوترينوات تفسيره، نجحت التجربة فعليًا في استبعاد مجموعة واسعة من الاحتمالات لهذه الجسيمات الشبيهة بالأكسيون. حدد الفريق أنه إذا كانت هذه الجسيمات موجودة وتتفاعل مع القوة النووية الضعيفة بالطريقة التي صمموها، فإنها لا يمكن أن تمتلك تركيبات معينة من الكتلة وقوة التفاعل. وتحديدًا، استبعدوا إمكانية امتلاك هذه الجسيمات لكتل تتراوح بين 100 و250 مليون إلكترون فولت مع قوى تفاعل تتراوح بين 3 × 10⁻⁵ و5 × 10⁻⁴ إنفيرس جي إي في (inverse GeV). كما وسعوا هذه الحدود لتشمل كتلًا أكبر، مستبعدين جسيمات تصل كتلتها إلى 300 مليون إلكترون فولت لتفاعلات أضعف. وتعد هذه خطوة مهمة للأمام لأنها تستكشف منطقة من "فضاء المعلمات" لم يتم استكشافها من قبل، مما يكمل التجارب الأخرى التي تبحث عن نسخ أخف أو أثقل من هذه الجسيمات.

ولم يتوقف البحث عند نوع واحد من الجسيمات فحسب. فقد تم تطبيق نفس البيانات وأساليب التحليل على عدة نماذج نظرية أخرى من شأنها أن تنتج ومضة ضوئية مماثلة في الكاشف. وشمل ذلك نماذج تتضمن جسيمات تتفاعل مع الغلوونات، وهي نوع من حاملات القوة في النواة، بالإضافة إلى أنواع جديدة من جسيمات حمل القوة المرتبطة بعدد البروتونات والنيوترونات في المادة، والجسيمات القياسية الخفيفة التي تفضل التفاعل مع الكواركات العلوية (up-quarks). وبالنسبة لكل سيناريو من هذه السيناريوهات، سمح عدم وجود فائض كبير في الأحداث للفريق برسم حدود جديدة حول أين يمكن لهذه الجسيمات أن تختبئ. ووجدوا أن تجربتهم حساسة لمناطق من الفيزياء الخفية للكون التي لم تكن مقيدة سابقًا، مما قلص مساحة البحث للكتشافات المستقبلية بشكل فعال.

اعتمد نجاح هذا البحث بشكل كبير على الهندسة الفريدة لكاشف FASER وقدرته على تصفية الخلفية الهائلة من الجسيمات العادية. الكاشف مجهز بطبقات من المواد الوميضية التي تعمل كحارس بوابة، حيث توقف أي جسيمات مشحونة مثل الميونات من دخول الحجم الحساس. فقط الجسيمات المتعادلة يمكنها المرور عبر هذه البوابة. وبمجرد دخولها، يبحث الكاشف عن النمط المحدد لترسب الطاقة الذي سينتج عن تحلل جسيم إلى فوتونين. تطلب التحليل توقيتًا دقيقًا لضمان حدوث الحدث بالتزامن مع اصطدامات البروتون، ومعايرة دقيقة لضمان دقة قياسات الطاقة. كما تعين على الفريق أيضًا مراعاة حقيقة أن حزمة الجسيمات ليست مستقيمة تمامًا بل لها زاوية طفيفة، مما يغير مسار الجسيمات قليلاً خلال رحلة الـ 480 مترًا.

يمثل هذا العمل المرة الأولى التي تبحث فيها FASER عن جسيمات جديدة تتحلل إلى فوتونات، مما يمثل فصلًا جديدًا في استكشافها للقطاع المظلم. ورغم أن الحدث الوحيد الذي لوحظ لم يكن اكتشافًا، إلا أن القدرة على استبعاد الكثير من الاحتمالات النظرية تعد نتيجة علمية قوية. فهي تخبرنا أنه إذا كانت هذه الجسيمات الخفيفة وطويلة العمر موجودة، فهي إما أضعف بكثير في تفاعلاتها أو تمتلك خصائص مختلفة عن النماذج المختبرة هنا. وتثبت التجربة أن النظر بعيدًا في اتجاه المصب من نقطة الاصطدام هو استراتيجية قابلة للتطبيق وقوية للعثيد على الفيزياء التي تفوتها الكواشف الرئيسية. ومع استمرار عمل مصادم الهادونات الكبير وجمع المزيد من البيانات، ستتمكن FASER من دفع هذه الحدود بشكل أكبر، وربما تلتقط يومًا ما البصمة الخافتة لجسيم سافر عبر الأرض ليكشف أسرار القطاع المظلم.