First determination of fragmentation functions in an exotic-hadron candidate

على مدى عقود، رسم الفيزيائيون خرائط لبنات بناء المادة باستخدام كتاب قواعد بسيط: البروتونات والنيوترونات تتكون من ثلاثة كواركات، بينما تتكون جسيمات أخرى مثل البيونات من كوارك وكوارك مضاد. لقد نجح هذا النموذج بشكل جيد لدرجة أنه عندما بدأ العلماء في العثور على جسيمات لا تتوافق مع هذه الأنماط، أطلقوا عليها اسم "الجسيمات الغريبة" (exotic). بدت هذه المرشحات الغريبة وكأنها مكونة من أربعة أو خمسة كواركات، أو ربما جزيئات من جسيمات أخرى مترابطة معاً بشكل فضفاض. لكن إثبات ماهية هذه الجسيمات الغريبة فعلياً كان لغزاً مستعصياً. فالطريقة المعتادة لتحديد هوية الجسيم — عبر قياس وزنه، أو دورانه المغزلي، أو كيفية تحلله — غالباً ما لا تكون كافية للتمييز بين حالة حقيقية مكونة من أربعة كواركات وبين ترتيب أكثر تعقيداً. ولحل هذه المعضلة، احتاج الباحثون إلى النظر إلى هذه الجسيمات ليس كمجسام ثابتة فحسب، بل كأنظمة ديناميكية تتشكل عند سرعات هائلة، حيث تصبح المكونات الأساسية من الكواركات والغلونات مرئية.

لقد ألقى باحث الآن نظرة جديدة على أحد أشهر المرشحين للجسيمات الغريبة، وهو جسيم يُدعى f0(980). لسنوات، أشارت تجارب الطاقة المنخفضة إلى أن هذا الجسيم من المرجح أن يكون "تيتراكوارك" (tetraquark)، أي عنقوداً من أربعة كواركات، أو جزيئاً مكوناً من جسيمين آخرين مرتبطين معاً. ومع ذلك، فإن تحليلاً جديداً لبيانات التصادم عالية الطاقة يروي قصة مختلفة. فمن خلال فحص كيفية نشوء f0(980) عندما تتصادم الإلكترونات والبوزيترونات، حدد العالم احتمالية تشكل هذا الجسيم من أنواع مختلفة من الكواركات. وتشير نتائجهم إلى أنه عند الطاقات العالية، لا يتصرف f0(980) كجسيم غريب مكون من أربعة كواركات، بل كزوج بسيط من الكواركات الغريبة (strange quarks). ولا يعني هذا الاكتشاف بالضرية أن نظريات الطاقة المنخفضة القديمة كانت خاطئة؛ بل يشير بدلاً من ذلك إلى إمكانية مذهلة وهي أن البنية الداخلية للجسيم يمكن أن تتغير اعتماداً على مستوى الطاقة الذي يتم رصده عنده.

يكمن المفتاح وراء هذا الاكتشاف في مفهوم يُسمى "دوال التجزئة" (fragmentation functions). فعندما تتصادم الجسيمات عالية الطاقة، فإنها لا ترتد ببساطة عن بعضها البعض، بل تتفتت إلى رذاذ من الجسيمات الجديدة. ودالة التجزئة هي في الأساس خريطة تخبرنا بمدى احتمالية تحول نوع معين من الكواركات أو الغلونات إلى جسيم نهائي محدد. يمكن تشبيه الأمر بوصفة تسرد احتمالية قيام طاهٍ بتحويل مكون معين إلى طبق نهائي. بالنسبة للجسيمات الشائعة مثل البروتونات أو البيونات، فقد رسم العلماء بالفعل خرائط لهذه الاحتمالات بدقة كبيرة. ولكن بالنسبة للمرشحين الغريبين مثل f0(980)، كانت الخريطة فارغة لأنه لم تكن هناك بيانات كافية ببساطة. وحتى وقت قريب، كانت القياسات مشتتة وغير دقيقة لدرجة حالت دون رسم صورة واضحة.

تغير الوضع بشكل دراماتيكي مع القياسات الجديدة عالية الدقة من تعاون "بيل" (Belle) في عام 2025. فباستخدام مسرع جسيمات قوي، سجلوا آلاف الأحداث التي تصادمت فيها الإلكترونات والبوزيترونات لإنتاج f0(980). قام الباحث بدمج هذه البيانات الجديدة مع قياسات قديمة من مختبرات أخرى لإجراء تحليل شامل. واختبر أربعة نماذج نظرية مختلفة لما يمكن أن يكون عليه f0(980): زوج بسيط من كواركات "أب" (up) و"داون" (down)، أو زوج من الكواركات الغريبة، أو عنقوداً من أربعة كواركات، أو "غلوبال" (glueball) مكون بالكامل من الغلونات. ومن خلال مطابقة البيانات التجريبية مع هذه النماذج، قام بحساب "العزم الثاني" لدوال التجزئة، وهي قيمة إحصائية تكشف مقدار الطاقة التي يأتي بها كل نوع من الكواك في الجسيم.

كانت النتائج مذهلة. أظهر التحليل أن f0(980) من المرجح للغاية أن يتشكل من كواركات غريبة، في حين أن احتمالية تشكله من كواركات "أب" أو "داون" أصغر بكثير. علاوة على ذلك، أشارت البيانات إلى أن الكواركات الغريبة تحمل حصة أكبر بكثير من طاقة الجسيم مقارنة بالمكونات الأخرى. لو كان f0(980) حقاً حالة مكونة من أربعة كواركات أو جزيئاً كما اقترحت دراسات الطاقة المنخفضة، لكانت البيانات قد أظهرت مزيجاً أكثر توازناً من أنواع الكواركات. وبدلاً من ذلك، تطابق النمط تماماً مع زوج بسيط من الكواركات الغريبة. كما لاحظ الباحث أن مساهمة الكوارك الغريب كانت مركزة في منطقة محددة من توزيع الطاقة، وهي سمة تدعم بقوة فكرة عملية تشكل مباشرة ومفضلة بدلاً من عملية تجميع معقدة متعددة الخطوات.

يخلق هذا الاكتشاف مفارقة ظاهرة. فالتجارب منخفضة الطاقة، التي تراقب الجسيم عندما يكون هادئاً نسبياً، تشير بقوة إلى أنه "تيتراكوارك" أو حالة جزيئية. ومع ذلك، فإن هذا التحليل عالي الطاقة يشير إلى أنه زوج بسيط من (كوارك-كوارك مضاد). ويقترح المؤلف أن هاتين الصورتين ليستا متناقضتين، بل هما وجهان لعملة واحدة. فتماماً كما قد يبدو الشيء ككتلة صلبة من مسافة بعيدة ولكنه يكشف عن بنية شبكية معقدة تحت المجهر، قد يظهر f0(980) كحالة معقدة من أربعة كواركات عند الطاقات المنخفضة، ولكنه يتحول إلى زوج بسيط من الكواركات عند فحصه عند طاقات عالية. وتدعم هذه الفكرة ملاحظات مماثلة في جسيمات أخرى، مثل Lambda(1405)، الذي يبدو أيضاً أنه يغير تكوينه الداخلي اعتماداً على مقياس الطاقة.

لا تدعي هذه الدراسة أنها حلت لغز الهادرونات الغريبة نهائياً، لكنها توفر أول دليل واضح على أن البنية الداخلية لهذه الجسيمات يمكن أن تنتقل (تتحول) مع زيادة الطاقة. وهي تشير إلى أن الطبيعة "الغريبة" لهذه الجسيمات قد تكون ظاهرة مرتبطة بالطاقة المنخفضة، بينما في الطاقات العالية حيث تهيمن القواعد الأساسية للديناميكا اللونية الكمومية، قد تعود إلى التكوينات القياسية للمادة العادية. وهذا يفتح اتجاهاً جديداً في الفيزياء، مما يشير إلى أن التمييز بين الهادرونات العادية والغريبة قد لا يكون خاصية ثابتة، بل خاصية متغيرة تعتمد على كيفية النظر إليها. ويعتمد هذا العمل على دقة بيانات "بيل" لعام 2025، والتي سمحت للباحث بتحديد دوال التجزئة هذه بدقة كانت مستحيلة قبل بضع سنوات فقط، محولةً فرضية غامضة إلى صورة ملموسة قائمة على البيانات لطبيعة الجسيم الحقيقية.