$CP$-odd form factor in the $HWW$ vertex

يتكون الكون من مجموعة من القوى الأساسية التي تمسك المادة معاً وتدفعها بعيداً عن بعضها البعض. لعقود من الزمن، اعتمد الفيزيائيون على نظرية واحدة ناجحة للغاية تسمى "النموذج المعياري" لوصف هذه القوى والجسيمات التي تحملها. وفي قلب هذه النظرية، يوجد مجال خاص يمنح الكتلة للجسيمات الأخرى، تماماً كما يبطئ مرورك عبر مياه كثيفة حركتك. الدليل المادي على هذا المجال هو جسيم يُعرف باسم "بوزون هيجز"، الذي اكتُشف في عام 2012. ومنذ ذلك الاكتشاف، انشغل العلماء بقياس خصائصه بدقة متناهية، للتحقق مما إذا كان يتصرف تماماً كما تتنبأ به النظرية أو إذا كان يظهر علامات على شيء جديد وغير متوقع. وأحد أهم الطرق لاختبار النظرية هو مراقبة كيفية تفاعل بوزون هيجز مع الجسيمات الأخرى، وتحديداً "بوزونات W"، وهي الحاملة للقوة النووية الضعيفة.

تلقي دراسة جديدة أجراها باحثون في جامعة بنيميريتا أوتونوموا دي بويبلا في المكسيك نظرة فاحصة على تفاعل دقيق للغاية بين بوزون هيجز وبوزونات W هذه. في الرؤية القياسية لفيزياء الجسيمات، يمكن لبوزون هيجز أن يتحلل إلى اثنين من بوزونات W، ولكن بسبب قوانين الطاقة والكتلة، من المستحيل أن يكون كلا بوزوني W مستقرين و"حقيقيين" تماماً في الوقت نفسه خلال هذه العملية. يجب أن يكون أحدهما جسيماً افتراضياً عابراً لا يوجد إلا للحظة وجيزة قبل أن يتحول إلى مادة أخرى. ركز الباحثون على سمة نادرة ومحددة لهذا التفاعل تتعلق بخاصية تسمى "التماثل المرآتي" (parity)، والتي تصف جوهرياً كيف يبدو النظام عند عكسه في المرآة. وبينما تعامل القوى الرئيسية اليمين واليسار بنفس الطريقة عادةً، فإن بعض التأثيرات الكمومية النادرة يمكن أن تخلق فرقاً طفيفاً. وقد سعى الفريق لحساب مدى قوة تأثير كسر التماثل هذا ضمن النموذج المعياري، وهو سؤال لم تتم الإجابة عليه بالأرقام من قبل.

باستخدام محاكاة حاسوبية قوية لإجراء حسابات معقدة تتضمن ظهور الجسيمات واختفاءها في حلقات، وجد الباحثون أن تأثير كسر التماثل هذا موجود بالفعل، ولكنه ضئيل للغاية. واكتشفوا أن هذا التأثير يتولد فقط عندما يمتلك بوزونا W كميات مختلفة من الطاقة، وهو شرط متحقق دائماً في تحلل بوزون هيجز. يتم تحديد حجم هذا التأثير من خلال حلقات الجسيمات الأخرى، وخاصة الكواركات واللبتونات الثقيلة، التي تظهر لفترة وجيزة داخل التفاعل. وقد حسب الباحثون أن قوة هذا التأثير تبلغ حوالي جزء واحد من مئة ألف. ولتوضيح ذلك، إذا كنت تحاول اكتشاف هذه الإشارة في حشد مكون من مئة ألف شخص، فستكون كمن يبحث عن شخص واحد يخطو بخطوات غير متناسقة قليلاً. هذه القيمة أصغر بكثير مما يمكن رؤيته بالتقنيات الحالية، والتي لا يمكنها اكتشاف الإشارات التي تزيد عن عشرة مليارات ضعف هذا الحجم.

وعلى الرغم من كونها صغيرة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها الآن، إلا أن العثور على هذا التأثير أمر مهم لأنه يمثل تنبؤاً حقيقياً للنموذج المعياري. فقد أظهر الباحثون أن هذه الإشارة الضئيلة ليست ناتجة عن انتهاك أساسي للتماثل في قوانين الفيزياء، بل عن الطريقة التي تتحرك بها الجسيمات وتتفاعل في حلقات. ومع ذلك، ولأن الإشارة معقدة ولها بنية رياضية محددة، فإنها تخلق ضجيج خلفية لا يمكن إزالته. فإذا اكتشف العلماء في المستقبل تأثيراً أكبر بكثير لكسر التماثل، فسيحتاجون إلى معرفة حجم هذا الخلفية الضئيلة للنموذج المعياري بدقة ليتأكدوا مما إذا كانوا يرون شيئاً جديداً. كما بحثت الدراسة في كيفية تغيير هذا التأثير الضئيل لطريقة انطلاق الجسيمات من التحلل. ووجدوا أنه يخلق تفضيلاً طفيفاً جداً لتحرك الجسيمات في اتجاه واحد مقابل آخر، أو للدوران بطريقة معينة. هذه التفضيلات، المعروفة باسم "عدم التماثل"، هي أيضاً صغيرة للغاية، بقيم تقارب واحداً في المليون أو واحداً في عشرة ملايين.

تخلص الورقة البحثية إلى أنه بينما هذه التأثيرات حقيقية وقد تم حسابها لأول مرة، إلا أنها غير مرئية حالياً لأكثر أجهزتنا حساسية. إن مصادم الهادرونات الكبير، وهو الآلة الضخمة التي اكتشفت بوزون هيجز، ليس حساساً بما يكفي بعد لقياس هذه الانحرافات الضئيلة. ويشير الباحثون إلى أن التحسينات المستقبلية في كيفية تحليل دوران واتجاه الجسيمات قد تقربنا في النهاية من هذا الهدف. وحتى ذلك الحين، يعمل هذا العمل كخريطة حاسمة، تحدد الخط المرجعي الدقيق لما يتنبأ به النموذج المعياري. فهو يضمن أنه عندما نرى أخيراً إشارة تكسر المرآة، سنعرف على وجه اليقين أنها ناتجة عن فيزياء جديدة وليس عن عملية حسابية فاتتنا. وتؤكد الدراسة أن الكون متسق مع قواعده الحالية، حتى في أكثر زواياه دقة وخفاءً.