Internal structure of exotic hadron candidate $f_0$(980) by using fragmentation functions

في عالم الجسيمات دون الذرية، تُبنى المادة من عائلة صغيرة من الجسيمات الأساسية تسمى الكواركات، والتي تتماسك بفعل القوة القوية لتشكل هياكل أكبر تُعرف بالهادرونات. لعقود من الزمن، اعتمد الفيزيائيون على نظام تصنيف بسيط لفهم هذه الجسيمات: معظم الهادرونات هي إما أزواج من كوارك وكوارك مضاد، أو مجموعات من ثلاثة كواركات. ومع ذلك، تنتج الطبيعة أحياناً ترتيبات أكثر تعقيداً لا تتناسب مع هذا النمط المنظم، وتُسمى هذه الجسيمات بالهادرونات الغريبة (exotic hadrons)، وقد حيرت العلماء لسنوات لأن تركيبها الداخلي يصعب تحديده باستخدام القياسات القياسية مثل الكتلة أو اللف المغزلي. والسؤال ليس فقط ما إذا كانت هذه الجسيمات الغريبة موجودة، بل ما هي في الواقع عندما يُنظر إليها من منظورات مختلفة. وللإجابة على ذلك، يجب على الباحثين النظر إلى ما وراء الخصائص السطحية للجسيم وفحص كيفية سلوك أجزائه المكونة عندما يتم إنتاج الجسيم في تصادمات عالية الطاقة، حيث تصبح القواعد الأساسية للقوة القوية هي المرشد المهيمن.

لقد وجه باحث مؤخراً اهتمامه إلى واحد من أشهر المرشحين للهادرونات الغريبة، وهو جسيم يُدعى f0(980). لفترة طويلة، كان هذا الجسيم موضوعاً لجدل مكثف؛ فقد أشارت الدراسات منخفضة الطاقة، التي تبحث في كيفية تحلل الجسيم أو تفاعله عند سرعات هادئة نسبياً، إلى أنه قد يكون جسيماً مكوناً من أربعة كواركات أو جزيئاً مكوناً من جسيمين آخرين ملتصقين ببعضهما البعض. وتتحدى هذه الأفكار النموذج القياسي لبنية الجسيمات. ومع ذلك، يقترح تحليل جديد بقيادة "س. كومانو" صورة مختلفة، تظهر فقط عندما يتم إنتاج الجسيم في البيئة العنيفة للتفاعلات عالية الطاقة. ومن خلال استخدام أداة رياضية محددة تُعرف باسم "دوال التجزئة" (fragmentation functions) — والتي تصف كيف يتحول كوارك أو غلوون منفرد إلى جسيم يمكن رصده — تمكن الفريق من النظر داخل f0(980) وتحديد تركيبه الحقيقي عند السرعات العالية.

ركز الباحث على بيانات جُمعت من تصادمات الإلكترون-بوزيترون، وهي عملية يتلاشى فيها المادة والمادة المضادة لتوليد شلال من الجسيمات الجديدة. في هذه التصادمات، تكون الطاقة عالية جداً لدرجة أن اللبنات الأساسية للكون، وهي الكواركات والغلوونات، تكون هي الفاعلين الصريحين. حلل الفريق مدى تكرار ظهور f0(980) عندما يتشكل من أنواع مختلفة من الكواركات. ونظروا تحديداً في توزيع الطاقة للجسيمات الناتجة، وهو قياس يكشف ما إذا كان f0(980) مكوناً بشكل أساسي من كواركات خفيفة، أو كواركات غريبة (strange quarks)، أو غلوونات. جاءت البيانات من عدة تجارب، لكن المعلومات الأكثر أهمية قدمها تعاون "بيل" (Belle collaboration)، الذي قاس سلوك الجسيم عند طاقة مركز الكتلة البالغة 10.58 جيجا إلكترون فولت. وقد دُمج هذا مع بيانات أقدم من تجارب أخرى تعمل عند طاقات أعلى بكثير، حوالي 91.2 جيجا إلكترون فولت. سمحت هذه الفجوة الواسعة في مستويات الطاقة للعلماء بتتبع كيفية تطور البنية الداخلية للجسيم مع تغير مقياس الطاقة.

كانت نتائج هذا التحليل العالمي مذهلة وأشارت إلى استنتاج واضح. أظهرت البيانات أن f0(980) يُنتج بشكل طاغٍ عندما يكون الكوارك الغريب (strange quark) أو الكوارك المضاد له هو نقطة البداية. وفي المقابل، نادراً ما يتشكل الجسيم من كواركات "الأب" (up) أو "الدوان" (down) الأخف التي تشكل معظم المادة العادية. وأكد التحليل الرياضي لتوزيع الطاقة أن مكون الكوارك الغريب يحمل الغالبية العظمى من الزخم، بينما تكون مساهمات الكواركات الأخرى أو الغلوونات أصغر بكثير. يشير هذا النمط بقوة إلى أنه عند الطاقات العالية، يتصرف f0(980) تماماً مثل زوج بسيط من كوارك غريب وكوارك مضاد غريب. وتتعارض هذه النتيجة مباشرة مع نظريات الطاقة المنخفضة التي تصف الجسيم كحالة "تيتراكوارك" (رباعي كواركات) أو حالة جزيئية، مما يستبعد تلك التكوينات كوصيف أساسي للجسيم في هذا النطاق من الطاقة العالية.

لا تدعي الورقة البحثية أن نظريات الطاقة المنخفضة السابقة كانت خاطئة تماماً، بل تقترح أنها تصف جانباً مختلفاً من طبيعة الجسيم. ويقترح المؤلف حلاً رائعاً لهذا التناقض: البنية الداخلية لـ f0(980) ليست ثابتة بل تتغير اعتماداً على مستوى الطاقة الذي يتم رصده عنده. ففي مستويات الطاقة المنخفضة، حيث يتحرك الجسيم ببطء ويتفاعل بلطف، قد يبدو بالفعل كحالة مكونة من أربعة كواركات أو كحالة جزيئية. ولكن مع زيادة الطاقة وإنتاج الجسيم في تصادم عالي السرعة، يكشف عن نفسه كزوج عادي من كوارك وكوارك مضاد. تشير هذه الفكرة إلى أن الهادرونات الغريبة قد لا تكون فئة منفصلة من المادة على الإطلاق، بل هي جسيمات عادية تبدو غريبة فقط تحت ظروف معينة منخفضة الطاقة. وإذا ثبتت صحة هذا الانتقال، فهذا يعني أن القواعد الأساسية لنموذج الكوارك تظل صالحة حتى لهذه الجسيمات الغامضة، بشرط النظر إليها من خلال العدسة الصحيحة عالية الطاقة.

يمثل هذا العمل أول دليل واضح على التكوين الداخلي لـ f0(980) المستمد من تحليل عالمي لبيانات التجزئة. وبينما تدعم الدراسة بقوة نموذج زوج الكوارك الغريب عند الطاقات العالية، يقر المؤلف بأن الصورة الكاملة تتطلب مزيداً من الاختبار. إن الانتقال من المظهر الغريب عند الطاقات المنخفضة إلى البنية العادية عند الطاقات العالية هو مفهوم جديد يحتاج إلى التحقق منه عبر تجارب مستقبلية. وسيتعين على العلماء فحص كيفية سلوك مرشحي الهادرونات الغريبة الأخرى عبر مقاييس طاقة مختلفة لمعرفة ما إذا كان هذا النمط يمثل قاعدة كونية في الطبيعة. وفي الوقت الحالي، يقف f0(980) كمثال مثير للاهتمام لكيفية إخفاء الكون لبساطته الحقيقية خلف واجهة معقدة، منتظراً الظروف المناسبة للكشف عن جوهره العادي.