Search for events with one displaced vertex from long-lived neutral particles decaying into hadronic jets in the ATLAS muon spectrometer in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

بُني الكون على مجموعة من القواعد التي أمضى الفيزيائيون قرنًا في فك رموزها، وهو إطار يُعرف باسم "النموذج القياسي". يفسر هذا النموذج بنجاح كيفية تفاعل أصغر الجسيمات المعروفة، لكنه يترك بعضًا من أكبر الأسئلة في الكون دون إجابة؛ فهو لا يستطيع تفسير ماهية المادة المظلمة، أو سبب وجود مادة أكثر من المادة المضادة، أو كيف تكتسب الجسيمات كتلتها بطريقة تبدو طبيعية. ولملء هذه الفجوات، اقترح العلماء وجود جسيمات جديدة وخفية. الكثير من هذه الجسيمات النظرية يُتوقع أن تكون "طويلة العمر"، مما يعني أنها لا تتلاشى في اللحظة التي تُخلق فيها، بل تسافر مسافة قابلة للقياس بعيدًا عن نقطة إنشائها قبل أن تتحلل إلى مادة عادية. إن العثور على هؤلاء المسافرين المراوغين سيكون اكتشافًا هائلًا، إذ سيقدم نافذة مباشرة على الفيزياء التي تقع وراء فهمنا الحالي.

في مصادم الهادرونات الكبير، وهو مسرع جسيمات ضخم مدفون تحت الحدود بين فرنسا وسويسرا، يقوم العلماء بصدم البروتونات معًا بسرعة تقترب من سرعة الضوء لإعادة تهيئة ظروف الكون المبكر. وتعمل تجربة "أطلس" (ATLAS)، وهي أحد الكواشف العملاقة المحيطة بنقطة التصادم، ككاميرا عالية السرعة تلتقط حطام هذه التصادمات. وفي دراسة حديثة، وجه تعاون "أطلس" اهتمامه إلى بصمة محددة وغير عادية للغاية: نقطة تحلل واحدة تحدث بعيدًا عن موقع التصادم، في أعماق الطبقات الخارجية من الكاشف. وبينما تتحلل معظم الجسيمات فورًا أو تترك أثرًا واضحًا، فإن هذه الجسيمات النظرية طويلة العمر ستسافر أمتارًا، وأحيانًا عشرات الأمتار، قبل أن تنفجر فجأة في رذاذ من الجسيمات العادية. كان الباحثون يبحثون عن "رأس متحول مزاح" (displaced vertex)، وهو مصطلح لنقطة تصادم تظهر في مكان لم يحدث فيه تصادم فعلي، مما يشير إلى أن جسيمًا خفيًا قد سافر إلى هناك أولاً.

حلل الفريق كمية هائلة من البيانات التي جُمعت بين عامي 2015 و2018، والتي تقابل 140 وحدة من شدة التصادم. وقد ركزوا بحثهم على مطياف الميون (muon spectrometer)، وهو الغلاف الخارجي لكاشف "أطلس"، والذي يقع على بعد تتراوح مسافته بين ثلاثة وأربعة عشر مترًا من المركز. هذه المنطقة مخصصة عادةً لالتقاط الميونات، وهي نوع من الجسيمات التي يمكنها اختراق المادة بعمق. ومع ذلك، إذا تحلل جسيم طويل العمر هناك، فسيؤدي ذلك إلى إنشاء تجمع من المسارات التي تبدو وكأنها انفجار صغير يحدث في الفضاء الفارغ. وللعثور على هذه الأحداث النادرة، طور العلماء خوارزميات حاسوبية متخصصة قادرة على إعادة بناء هذه الانفجارات البعيدة والمعزولة، وتصفية الضجيج الهائل لتصادمات الجسيمات العادية التي تحدث في مكان أقرب بكثير من المركز.

صُمم البحث لاختبار عدة نظريات مختلفة حول ماهية هذه الجسيمات الخفية. تشير بعض النظريات إلى أنها مرتبطة بـ "بوزون هيجز"، وهو الجسيم الذي اكتُشف في عام 2012 ويمنح الجسيمات الأخرى كتلتها. وتقترح نظريات أخرى أنها مرتبطة بالاختلال بين المادة والمادة المضادة في الكون، أو أنها نوع من "الجسيمات الشبيهة بالأكسيون" (axion-like particles) التي تتفاعل بضعف شديد مع الضوء. كما بحث الباحثون في سيناريوهات يتم فيها إنتاج هذه الجسيمات جنبًا إلى جنب مع جسيم معروف يسمى "بوزون Z". ومن خلال إلقاء شبكة واسعة عبر هذه الاحتمالات المختلفة، استطاع الفريق تحديد ما إذا كان أي من هذه النماذج النظرية يتطابق مع واقع بياناتهم.

بعد غربلة الملايين من الأحداث المسجلة، لم يجد الباحثون أي دليل على وجود هذه الجسيمات طويلة العمر. فقد طابق عدد الأحداث التي رصدوها في الكاشف الخارجي تمامًا ما توقعوه من العمليات الخلفية المعروفة، مثل الجسيمات العادية التي تخترق الطبقات الداخلية للكاشف وتحاكي تحللًا بعيدًا. ولأن أي إشارة جديدة لم تظهر، تمكن الفريق من وضع حدود صارمة لوجود هذه الجسيمات؛ حيث حددوا أنه إذا كانت هذه الجسيمات موجودة بالفعل، فلا يمكن إنتاجها بالمعدلات التي تتنبأ بها العديد من النظريات الشائعة. وتحديدًا، بالنسبة للنماذج التي تتضمن بوزون هيجز، فقد استبعدوا إمكانية تحلل هيجز إلى هذه الجسيمات طويلة العمر بأكثر من واحد بالمائة من الوقت، وذلك للجسيمات التي تسافر من خمسة سنتيمترات إلى أربعين مترًا قبل التحلل.

أما بالنسبة للنماذج المتعلقة بالجسيمات الشبيهة بالأكسيون، فقد أنتج هذا البحث أقوى القيود حتى الآن للجسيمات التي تسافر لأكثر من بضعة عشرات من السنتيمترات. كما دمجت الدراسة نتائجها مع بحث سابق بحث عن تحللين كهذه بدلاً من واحد، مما وسع نطاق الحساسية لمدد زمنية أطول. ورغم أن البحث لم يجد الجسيمات الجديدة التي كان يطاردها، إلا أن النتيجة تعد خطوة مهمة للأمام في مسعى فهم الكون. فمن خلال استبعاد هذه الاحتمالات المحددة، نجح العلماء في تضييق المسار أمام الاكتشافات المستقبلية، وإخبار المنظرين بالضبط أين لا يحتاجون للبحث، وتوجيه الجيل القادم من التجارب نحو الزوايا المتبقية وغير المستكشفة من الفيزياء.