Heavy Higgsino Interpretation of the LZ Event

يمتلئ الكون بمادة غير مرئية لا يمكننا رؤيتها أو لمسها أو شمها، ومع ذلك فإن جاذبيتها هي التي تمسك المجرات ببعضها البعض. يسمي العلماء هذه المادة "المادة المظلمة"، وبينما نعلم بوجودها، إلا أننا لم نتمكن قط من الإمساك بجسيم واحد منها بشكل مباشر. لعقود من الزمن، كانت النظرية الرائدة هي أن هذه المادة المظلمة تتكون من جسيمات ثقيلة وبطيئة الحركة تصطدم أحياناً بالذرات العادية، مما يؤدي إلى حدوث ومضات ضوئية أو حرارية ضئيلة. وللبحث عن هذه الاصطدامات المراوغة، بنى الباحثون كواشف ضخمة في أعماق الأرض، لحمايتها من الأشعة الكونية والضوضاء الخلفية الأخرى. وأحد أكثر هذه الكواشف حساسية هو تجربة "لوكس-زيبلن" (LUX-ZEPLIN)، الواقعة في منجم ذهب سابق في جنوب داكوتا، والتي تستخدم خزانًا من الزينون السائل لمراقبة أدنى علامات اصطدام جسيم مادة مظلمة بنواة زينون.

مؤخراً، سجل هذا الكاشف حدثاً واحداً مثيراً للاهتمام: حيث ارتدت نواة بطاقة تبلغ حوالي 248 كيلو إلكترون فولت. هذه كمية محددة من الطاقة، وفي البيئة الهادئة للكاشف، برزت بشكل واضح. والسؤال الذي يواجه المجتمع العلمي هو ما الذي تسبب في هذه الطفرة. أحد الاحتمالات المثيرة هو أنها كانت ناتجة عن اصطدام بنوع معين من الجسيمات النظرية يسمى "هيجسينو" (higgsino). يُتوقع وجود "الهيجسينوهات" وفقاً لتوسيع شائع للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، ومن المتوقع أن تتفاعل مع المادة العادية من خلال حامل قوة يسمى "بوزون Z". وإذا كانت هذه الجسيمات موجودة، فمن المفترض أن تترك بصمة مميزة، لكن تفاصيل كتلتها وكيفية تفاعلها لا تزال لغزاً.

قام باحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإلقاء نظرة جديدة على هذا الحدث المنفرد لمعرفة ما إذا كان يتوافق مع ملف تعريف "هيجسينو" ثقيل. ويشير تحليلهم إلى أنه إذا كان هذا الحدث ناتجاً بالفعل عن "هيجسينو"، فإنه لا يمكن أن يكون نوع الجسيم الذي أُنتج بالطريقة القياسية التي بردت بها الكون بعد الانفجار العظيم. بدلاً من ذلك، تشير البيانات إلى جسيم أثقل بكثير مما كان يُعتقد سابقاً أنه ممكن لهذا النوع من المادة المظلمة، حيث تزن ما بين 105,000 و1,060,000 مرة من كتلة البروتون. هذا الاكتشاف يحل صراعاً بين هذا الحدث المنفرد في الكاشف وبين ملاحظات أخرى، ولكنه يتطلب إعادة كتابة قصة كيفية تطور الكون المبكر.

بدأ الباحث باختبار الفكرة الأكثر مباشرة، وهي أن الحدث جاء من "هيجسينو" بكتلة تبلغ حوالي 1,100 ضعف كتلة البروتون، وهي قيمة تنشأ طبيعياً إذا تم إنشاء هذه الجسيمات من خلال العملية الحرارية القياسية في الكون المبكر. ووجد أن هذه الكتلة المحددة تسبب مشكلة؛ فجسيم بهذا الوزن لن يتسبب فقط في الحدث الوحيد المرصود عند 248 كيلو إلكترون فولت، بل من المتوقع أيضاً أن يتسبب في عدة أحداث أخرى ذات طاقات أعلى بكثير. ومع ذلك، لم يرصد الكاشف أي شيء في ذلك النطاق عالي الطاقة. علاوة على ذلك، فإن الجسيمات بهذا الوزن ستُحتجز بواسطة جاذبية الشمس، وتغوص إلى قلبها، وتفني نفسها لإنتاج نيوترينوات عالية الطاقة. وقد استبعدت الملاحظات من كاشف "آيس كيوب" (IceCube) في القارة القطبية الجنوبية هذا السيناريو بالفعل، حيث لم يرصدوا فيض النيوترينوهات المتوقع من الشمس.

ولحل هذا اللغز، أجرى الباحث ملاءمة إحصائية مفصلة، حيث قام بتعديل كتلة "الهيجسينو" والفجوة الطاقية بين حالاته المختلفة ليرى أي مزيج يمكن أن يفسر الحدث المنفرد مع ترك النطاق عالي الطاقة فارغاً. واكتشف أن البيانات تُفسر بشكل أفضل إذا كان "الهيجسينو" ثقيلاً للغاية، بكتلة تتراوح بين 105,000 و1,060,000 مرة من كتلة البروتون. في هذا السيناريو، يكون الجسيم ضخماً جداً لدرجة أنه يتحرك ببطء شديد بالنسبة لنوى الزينون في الكاشف. وهذا البطء يعني أنه لا يمكنه سوى نقل كمية محددة ومحدودة من الطاقة، مما يخلق طفرة الـ 248 كيلو إلكترون فولت دون توليد الأحداث ذات الطاقة الأعلى التي كانت ستظهر لو كان الجسيم أخف وزناً.

هذه الكتلة الثقيلة تحل أيضاً المشكلة المتعلقة بالشمس. نظرًا لأن الجسيم ثقيل جداً، فإن الطاقة الحركية المفقودة في اصطدام واحد مع الذرات داخل الشمس تصبح ضئيلة. وهذا يجعل من النادر جداً أن يفقد "الهيجسينو" ما يكفي من الطاقة ليتم احتجازه بواسطة جاذبية الشمس. وبالتالي، فهي لا تتراكم بأعداد كبيرة، ولا تفني نفسها بشكل متكرر، ولا تنتج النيوترينوهات التي كان من المفترض أن يرصدها "آيس كيوب". وهذا يسمح لـ "الهيجسينو" الثقيل بالوجود دون أن يتعارض مع الملاحظات الشمسية. ومع ذلك، فإن هذا الحل يأتي مع تحدٍ جديد: إذا تم إنشاء مثل هذه الجسيمات الثقيلة بالطريقة القياسية التي برد بها الكون، فسيكون هناك الكثير منها اليوم، بما يتجاوز بكثير كمية المادة المظلمة التي نرصدها.

ولمعالجة هذا الوفرة المفرطة، يقترح المؤلف تعديلاً على تاريخ الكون المبكر. يقترح أن الكون، بعد الانفجار العظيم، مر بفترة سيطر فيها نوع مختلف من الطاقة، بدلاً من الإشعاع المعتاد. خلال هذا الوقت، تحلل جسيم ثقيل وأطلق دفعة من الحرارة، مما أدى فعلياً إلى تخفيف عدد "الهيجسينوهات" التي تكونت بالفعل. هذه العملية من شأنها أن تقلل أعدادها إلى المستوى الصحيح الذي نراه اليوم. وقد بنى الباحث نموذجاً بسيطاً لإظهار كيف يمكن أن يحدث هذا، رابطاً كتلة "الهيجسينو" بآلية تفسر أيضاً سبب سلوك القوة النووية القوية ولماذا يمتلك الكون خاصية محددة تسمى "مشكلة الـ CP القوية".

تخلص الدراسة إلى أنه بينما يعد الحدث المنفرد في كاشف "إل زد" (LZ) أمراً مثيراً للاهتمام، إلا أنه لا يمكن تفسيره من خلال نسخة "الهيجسينو" الأخف والأكثر قياسية. فالبيانات تتوافق فقط مع جسيم أثقل بكثير، بشرط أن يكون الكون المبكر قد مر بتطور محدد وغير قياسي للحفاظ على أعدادهم تحت السيطرة. ويشير المؤلف إلى أن نموذجهم هو بمثابة "إثبات مفهوم"، يوضح أن مثل هذا السيناريو ممكن فيزيائياً، ولكنه يعتمد على افتراضات حول الكون المبكر لم يتم إثباتها بعد. وإذا أكدت التجارب المستقبلية وجود هذه الجسيمات الثقيلة أو وجدت دليلاً على ظروف الكون المبكر التي اقترحوها، فإن ذلك سيفتح فصلاً جديداً في فهمنا للكون. وحتى ذلك الحين، يظل الحدث المنفرد لغزاً، ولكنه لغز يشير إلى كون أكثر تعقيداً وتنوعاً مما كان متخيلاً من قبل.