Low scale leptogenesis and $TM_1$ mixing in neutrinophillic two Higgs doublet model($\nu$2HDM) with S4 flavor symmetry

الكون مليء بالمادة، من النجوم في الأعالي إلى الذرات في أجسادنا، ومع ذلك يظل وجود هذه المادة لغزاً عميقاً. فوفقاً لأكثر القوانين الأساسية للفيزياء، كان ينبغي للانفجار العظيم أن ينتج كميات متساوية من المادة والمادة المضادة، والتي كان من شأنها أن تفني بعضها البعض فوراً، تاركة وراءها كوناً من الطاقة الصرفة ولا شيء غيرها. إن حقيقة وجودنا هنا، محاطين بالنجوم والكواكب، تعني أن خللاً طفيفاً غير مفسر رجح كفة المادة قبل مليارات السنين. لطالما بحث الفيزيائيون عن الآلية الكامنة وراء هذا البقاء، باحثين عن عملية يمكنها توليد فائض طفيف من المادة على المادة المضادة في الكون المبكر. وفي الوقت نفسه، برز لغز عميق آخر: النيوترينوات، تلك الجسيمات الشبحية التي تتدفق عبر كل شيء، والتي كان يُعتقد لفترة طويلة أنها عديمة الكتلة، لكن التجارب أثبتت أنها تمتلك كتلة ضئيلة ومراوغة. إن فهم كيفية اكتساب هذه الجسيمات للكتلة وكيف يمكنها أن تكون قد دفعت في خلق المادة هما وجهان لعملة واحدة، وحل أحدهما قد يفتح الأسرار المكنونة للآخر.

قام فريق من الباحثين باقتراح إطار نظري جديد يحاول حل هذين اللغزين في آن واحد. فقد صاغوا نسخة معدلة من "النموذج القياسي"، وهو كتاب القواعد الذي يصف جميع الجسيمات والقوى المعروفة، من خلال إضافة بعض المكونات المحددة. ويتضمن جوهر فكرتهم إدخال نوع ثانٍ من "حقل هيجز"، وهو حقل يمنح الجسيمات كتلتها، ويتفاعل بضعف شديد مع المادة العادية ولكن بقوة مع نوع جديد من النيوترينوات الثقيلة. هذا الإعداد، المعروف باسم "نموذج هيجز المزدوج النيوترينوفي" (neutrinophilic two Higgs doublet model)، يسمح للنيوترينوات الثقيلة بالوجود عند مستوى طاقة أقل بكثير مما كان يُعتقد سابقاً أنه ممكن، مما يجعلها في متناول تجارب الجسيمات الحالية والمستقبلية. ولجعل النموذج قابلاً للتنبؤ ولتفسير الأنماط المحددة التي يتغير بها هوية النيوترينو أثناء انتقاله، فرض الباحثون تناظراً رياضياً محدداً على النظام. يعمل هذا التناظر مثل مجموعة صارمة من القواعد التي تملي كيفية تفاعل الجسيمات، مما يجبر النموذج على إنتاج نمط محدد جداً من خلط النيوترينو يُعرف بـ "الخلط ثلاثي الأقصى" (Trimaximal mixing).

ومن خلال إجراء حسابات مفصلة ضمن هذا الإطار، وجد الباحثون أن نموذجهم يعيد بنجاح إنتاج الخصائص المرصودة للنيوترينوات، بما في ذلك كتلتها والزوايا التي تختلط بها. ويتنبأ النموذج بأن أخف نيوترينو يمتلك كتلة تقترب من الصفر، بينما تمتلك النيوترينوات الأخرى كتلاً تتناسب تماماً مع النطاق الذي تم قياسه في التجارب العالمية. وهناك تنبؤ لافت للنظر يتعلق بالكتلة الفعالة للنيترينو، وهي قيمة تحدد مدى احتمالية خضوع الجسيم لعملية نادرة تسمى "تحلل بيتا المزدوج عديم النيوترينو". يشير النموذج إلى أن هذه القيمة ضئيلة للغاية، حيث تقع بين 4 و5 من مليون مليار من الغرام. وهذا أقل بكثير من حدود الحساسية للتجارب الحالية، مما يعني أن أكثر أجهزتنا تطوراً ليست قوية بما يكفي بعد لرصد هذه الإشارة، رغم أن التجارب المستقبلية الأكبر قد تتمكن في النهاية من سبر أغوار هذا النطاق الضئيل.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كان هذا الإطار يمكنه تفسير أصل عدم التوازن بين المادة والمادة المضادة. ففي الكون المبكر، كانت النيوترينوات الثقيلة التي أدخلها النموذج ستتحلل، وبسبب التفاعلات المحددة المسموح بها من خلال التناظر الجديد، كان من الممكن لهذه التحليات أن تنتج فائضاً طفيفاً من اللبتونات، وهي عائلة من الجسيمات تشمل الإلكترونات والنيوترينوات. وكان من شأن هذا الفائض اللبتوني أن يتحول بعد ذلك إلى فائض المادة الذي نراه اليوم. وقد أظهر الباحثون أن هذه العملية، المعروفة باسم "الليبتوجينيسيس" (leptogenesis)، يمكن أن تعمل بفعالية حتى مع وجود النيوترينوات الثقيلة عند مستوى طاقة منخفض نسبياً يبلغ حوالي 10 تيرا إلكترون فولت، وهو أمر يسهل الوصول إليه بكثير مقارنة بالتريليونات من الإلكترون فولت المطلوبة في النظريات القديمة. وقد أوضحوا أنه من خلال الموازنة الدقيقة بين كتل الجسيمات الجديدة وقوة تفاعلاتها، يمكن للنموذج توليد بالضبط مقدار عدم التماثل المادي الملحوظ في الكون اليوم.

ومع ذلك، فإن النموذج لا يخلو من القيود. فقد توجب على الباحثين التأكد من أن الجسيمات والقوى الجديدة التي أدخلوها لا تنتهك الحدود التجريبية المعروفة، لا سيما تلك المتعلقة بالعمليات النادرة حيث يتحول نوع من اللبتونات المشحونة إلى نوع آخر، مثل تحول الميون إلى إلكترون وفوتون. وقد أظهرت حساباتهم أن قوة التفاعلات في نموذجهم ضعيفة بما يكفي لاستيفاء هذه الحدود التجريبية الصارمة، والتي وضعتها حالياً تجربة "ميغ" (MEG collaboration). وتخلص الدراسة إلى أن هذا الترتيب المحدد من الجسيمات والتناظرات يقدم تفسيراً متماسكاً وقابلاً للاختبار لكل من طبيعة كتلة النيوترينو ووجود المادة في الكون. كما يوفر مساراً واضحاً للمضي قدماً، رابطاً بين التنبؤات النظرية والإمكانيات التجريبية، ويشير إلى أن الإجابات على هذه الأسئلة الكونية قد تكمن خلف نطاق أدواتنا الحالية مباشرة، بانتظار أن يتم اكتشافها في الجيل القادم من تجارب فيزياء الجسيمات.