Observation of the electroweak production of $\gamma\gamma jj$ at $\sqrt{s}=13$ TeV in $140\ \text{fb}^{-1}$ of $pp$ collision data with the ATLAS detector

آلة بينبول كونية وخلل شبحي

تخيل الكون ككتاب قواعد ضخم وغير مرئي يملي كيف تتصرف كل الأشياء، من الذرات المتناهية الصغر إلى النجوم الهائلة. لعقود من الزمن، كان العلماء يقرأون هذا الكتاب، وأنجح فصل فيه حتى الآن يسمى "النموذج القياسي". إنه يشبه دليل تعليمات مثالي للجسيمات التي تشكل عالمنا، حيث يتنبأ بكيفية تفاعلها بدقة مذهلة. ولكن، تماماً مثل أي رواية غموض جيدة، هناك تلميحات بأن الدليل قد ينقصه بعض الصفحات. يشتبه الفيزيائيون في وجود "فيزياء جديدة" تختبئ في الفجوات — قوى أو جسيمات غريبة لا تفسرها القواعد الحالية بعد.

للعثور على هذه الأسرار الخفية، يبني العلماء مسرعات جسيمات ضخمة، مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سويسرا. فكر في مصادم الهادرونات الكبير كآلة بينبول كونية حيث يقومون بتحطيم البروتونات (لبنات البناء الصغيرة للمادة) مع بعضها البعض بسرعة تقترب من سرعة الضوء. عندما تتصادم هذه البروتونات، فإنها تخلق انفجاراً فوضوياً من الطاقة يولد لفترة وجيزة جسيمات ثقيلة جديدة. ومن خلال دراسة الحطام الناتج عن هذه الاصطدامات، يمكن للعلماء التحقق مما إذا كانت تنبؤات النموذج القياسي تصمد أم أن شيئاً غريباً يحدث. أحد أنواع التصادمات المحددة التي يحبون مراقبتها هو عندما ينطلق جسيمان من الضوء (فوتونات) وتياران من حطام الجسيمات (نفاثات) معاً. إذا تفاعلت هذه الجسيمات بطريقة تكسر قواعد النموذج القياسي، فقد يكون ذلك أول دليل على فصل كامل جديد من الفيزياء.

رصد الرقصة "الكهروضعيفة" الشبحية

في هذه الدراسة الجديدة، قرر تعاون "أطلس" (ATLAS)، وهو فريق ضخم من العلماء يعمل مع كاشف عملاق يسمى "أطلس"، البحث عن حدث محدد للغاية ونادر: "الإنتاج الكهروضعيف" لفوتونين ونفاثتين. لفهم سبب أهمية ذلك، تخيل راقصين (الفوتونات) وراقصين احتياطيين (النفاثات) يؤدون على المسرح. عادةً، يتفاعل هؤلاء الراقصون من خلال القوة "القوية"، والتي تشبه حشداً صاخباً ومزعجاً يدفعهم حولاً. لكن الفريق كان يبحث عن حركة رقص محددة وهادئة تسمى "الإنتاج الكهروضعيف"، حيث يتفاعل الراقصون من خلال قوة أكثر دقة وشبحية لا تعتمد على الحشد الصاخب. هذه الرقصة المحددة حساسة لـ "التفاعل الذاتي" للجسيمات الحاملة للقوة، وهي تختبر جوهرياً ما إذا كانت مجالات القوة يمكنها التحدث مع بعضها البعض دون مساعدة.

قام الفريق بتحليل بيانات من 140 كوينتيليون (140 fb⁻¹) من تصادمات البروتونات عند طاقة قدرها 13 تريليون إلكترون فولت (TeV). كان الأمر يشبه غربلة جبل من الرمال للعثور على بضع حبات محددة من الذهب. كان عليهم تصفية "الضجيج" — الاصطدامات الشائعة والفوضوية التي تحدث طوال الوقت — والتركيز فقط على الأحداث التي ظهر فيها فوتونان معزولان ونفاثتان في نمط محدد للغاية، يُعرف باسم طوبولوجيا "تشتت البوزون المتجه". هذا النمط يشبه التوقيع الذي يقول: "مهلاً، لم يكن هذا مجرد نتوء عشوائي؛ لقد كان تفاعلاً مقصوداً ودقيقاً".

بعد كل العمل الشاق في فرز البيانات، وجد الفريق ما كان يبحث عنه. لقد رصدوا الإنتاج الكهروضعيف لهذين الفوتونين والنفاثتين بدلالة إحصائية بلغت 6.2𝜎. في عالم فيزياء الجسيمات، تعتبر نتيجة "5-سيجما" هي المعيار الذهبي للإعلان عن اكتشاف (وهذا يعني أن هناك احتمالاً يقل عن واحد في المليون بأن تكون النتيجة مجرد صدفة). لذا، مع 6.2𝜎، لم يكتفِ الفريق بالإشارة إلى حدوث ذلك، بل رصده فعلياً. لقد قاسوا معدل حدوث هذا الحدث، أو "المقطع العرضي"، ليكون 13.8 +3.0 −2.6 fb. وعندما قارنوا ذلك بتنبؤ النموذج القياسي البالغ 17.1 +2.4 −2.4 fb، وجدوا أن الأرقام متوافقة تماماً. يبدو أن الكون لا يزال يتبع القواعد الخاصة بدليل التعليمات الحالي لهذا النوع من الرقصات.

استبعاد وحوش "الفيزياء الجديدة"

لكن العلماء لم يتوقفوا عند مجرد عد الراقصين. أرادوا معرفة ما إذا كانت الرقصة منحرفة قليلاً بطريقة توحي بوجود "فيزياء جديدة". استخدموا إطاراً رياضياً يسمى "نظرية المجال الفعال" (EFT) للبحث عن الشذوذ. تخيل النموذج القياسي كأرضية رقص ناعمة تماماً. إذا كانت هناك جسيمات ثقيلة جديدة أو قوى غريبة تتربص بعيداً عن الأنظار، فقد تجعل أرضية الرقص متعرجة قليلاً، مما يتسبب في تعثر الراقصين أو دورانهم بطرق غريبة. بحث الفريق عن هذه "النتوءات" من خلال التحقق من معاملات "ويلسون"، وهي أرقام تصف مدى قوة هذه التفاعلات الجديدة المحتملة.

لقد بحثوا تحديداً عن "اقترانات غاوج الرباعية الشاذة"، وهي مصطلحات معقدة لوصف التفاعلات الغريبة بين أربعة جسيمات حاملة للقوة. إذا كانت هذه الاقترانات موجودة، فستكون علامة كبرى على وجود فيزياء تتجاوز النموذج القياسي. ومع ذلك، بعد معالجة الأرقام، وجد الفريق عدم وجود انحرافات ذات دلة إحصائية عن النموذج القياسي. وبدلاً من العثور على خلل، وضعوا حدوداً صارمة لمدى كبر حجم هذه الشذوذات المحتملة. وجدوا أن معاملات ويلسون لأكثر المعاملات حساسية، وهما fT5/Λ4 و fT8/Λ4، محصورة في النطاقات [−0.400, 0.372] TeV⁻⁴ و [−0.220, 0.219] TeV⁻⁴ على التوالي.

بمعنى مبسط، هذا يعني أنه إذا كانت هناك أي جسيمات ثقيلة جديدة أو قوى غريبة تحاول العبث بهذه الرقصة المحددة، فهي إما ضعيفة جداً أو ثقيلة جداً، بحيث تختبئ وراء نطاق البيانات الحالية. لا تستبعد الورقة البحثية وجود فيزياء جديدة تماماً، لكنها تظهر أن هذه الأنواع المحددة من "الفيزياء الجديدة" ليست قوية بما يكفي ليتم رصدها بالبيانات الحالية. النتائج متسقة مع النموذج القياسي، مما يعني أن الرقصة "الكهروضعيفة" الشبحية تحدث تماماً كما توقع دليل القواعد القديم، دون رصد أي أعطال مفاجئة. وهذا قد يبدو للبعض كأنه نتيجة "لا توجد اكتشافات جديدة"، لكنه في الواقع انتصار كبير للنموذج القياسي، حيث يؤكد متانته حتى في هذه السيناريوهات المعقدة وعالية الطاقة. كما قاس الفريق المعدل المشترك لكل من الرقصات "الصاخبة" (QCD) و"الهادئة" (الكهروضعيفة)، ووجدوا أن المعدل الإجمالي بلغ 54.3 +4.6 −4.8 fb، وهو ما طابق التنبؤات النظرية مرة أخرى.

لذا، تنتهي القصة بنجاح فريق "أطلس" في رصد رقصة نادرة ودقيقة وسط فوضى مصادم الجسيمات. لقد أكدوا حدوثها، وقاسوا وتيرة حدوثها، وتحققوا مما إذا كان الراقصون يفعلون أي شيء غريب. لم يجدوا أي شيء غريب، مما يخبرنا أن الكون لا يزال يلعب وفق القواعد التي نعرفها — على الأقل في الوقت الحالي. لكن البحث مستمر، لأنه في عالم فيزياء الجسيمات، قد يكون الحدث النادر التالي هو الذي يكشف أخيراً عن الصفحات المفقودة من كتاب القواعد الكونية.