On the importance of cosmic-ray background in the Atomki anomaly

في عالم الجسيمات دون الذرية، تتصادم الجسيمات باستمرار، وتتفكك، وتتجمع مجددًا بطرق تكشف عن القواعد الأساسية للطبيعة. وأحيانًا، تنتج هذه التصادمات نتائج غير متوقعة: نتوء صغير في رسم بياني حيث تتوقع الفيزياء خطًا سلسًا. يمكن أن تكون مثل هذه الشذوذات أول همسة لقوة جديدة أو جسيم غير معروف سابقًا، وهو اكتشاف من شأنه أن يعيد كتابة الكتب المدرسية. لعدة سنوات، أفاد فريق من الفيزيائيين في معهد "أتومكي" (Atomki) في المجر بأنهم رصدوا بالضبط هذا النوع من النتوءات. لقد لاحظوا أزواجًا من الإلكترونات والبوزيترونات (التوأم المضاد للإلكترون) وهي تتطاير مبتعدة عن بعضها عند زاوية محددة بعد تفاعل نووي، مما يشير إلى الوجود العابر لجسيم جديد خفيف أطلقوا عليه اسم "X17". وقد أثار هذا الادعاء نقاشًا حادًا، حيث كافحت التجارب المستقلة لتأكيده، مما ترك المجتمع العلمي في حالة من الفضول الحذر. ويبقى السؤال قائمًا: هل هذه لمحة من فيزياء جديدة، أم أنها خدعة من الإعداد التجريبي؟

تشير دراسة جديدة أجراها باحثون من إيطاليا وسويسرا إلى أن الإجابة قد لا تكمن في جسيمات جديدة، بل في السماء فوقنا. استخدم الفريق محاكاة حاسوبية قوية لإعادة إنشاء الهندسة الدقيقة لتجارب المجر، مع التركيز على ضوضاء الخلفية التي غالبًا ما يتم التغاضي عنها: الأشعة الكونية. هذه أشعة عالية الطاقة، معظمها بروتونات ونوى ذرية، تهطل على الأرض من أعماق الفضاء. وعندما تصطدم بالغلاف الجوي، فإنها تخلق زخات من الجسيمات الثانوية، بما في ذلك الميونات، والتي يمكنها اختراق أعماق الأرض والمرور مباشرة عبر الكواشف. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكان هذه الميونات العابرة أن تحاكي بالخطأ إشارة جسيم جديد، مما يخلق إنذارًا كاذبًا يبدو تمامًا مثل الذي أبلغ عنه معهد "أتومكي".

للقيام بذلك، بنى الفريق توأمًا رقميًا مفصلًا لكواشف "أتومكي" باستخدام حزمة برمجية تسمى "Geant4"، وهي مصممة لتتبع كيفية حركة الجسيمات عبر المادة. لقد قاموا بنمذجة نسختين مختلفتين من جهاز "أتومكي": إعداد بخمسة أذرع استُخدم في عام 2016، ونسخة بستة أذرع استُخدمت لاحقًا. تتكون هذه الآلات من تلسكوبات مرتبة في دائرة حول هدف، مصممة لالتقاط أزواج من الجسيمات التي تطير في اتجاهات متعاكسة. ثم قام الباحثون بمحاكاة ملايين الميونات الكونية التي تهطل على هذه الكواشف الافتراضية، وتتبع بدقة مكان اصطدامها ومقدار الطاقة التي تركتها. كانوا يبحثون عن نمط محدد: ذراعان من الكاشف يعملان في نفس الوقت، مع تطاير الجسيمات مبتعدة عند زاوية تبلغ حوالي 140 درجة، وهي العلامة المميزة للجسيم الجديد المزعوم.

كانت النتائج مذهلة. في عمليات المحاكاة، أدت الميونات الكونية التي تمر عبر الكواشف بشكل طبيعي إلى تراكم الأحداث عند تلك الزاوية (140 درجة) تحديدًا. حدث هذا بسبب الطريقة المحددة لترتيب أذرع الكاشف. فعندما يمر ميون عبر ذراعين غير متجاورين في الكاشف ذي الأذرع الستة، فإن هندسة الإعداد والطريقة التي يتم بها توزيع الطاقة بين الكواشف تآمرت لجعل زاوية الفتح تبدو وكأنها 140 درجة. كان هذا التأثير أقوى عندما وقع إجمالي الطاقة لضربتي الميون ضمن النطاق المحدد حيث يُتوقع ظهور الجسيم الجديد. أظهرت المحاكاة أن هذه الأحداث الكونية تميل أيضًا إلى امتلاك تقسيم طاقة متوازن بين الذراعين، وهي ميزة رئيسية أخرى للإشارة المبلغ عنها. وعندما نظر الباحثون في الكاشف ذي الأذرعة الخمسة، وجدوا تأثيرًا مشابهًا، حيث خلقت الميونات الكونية فائضًا كبيرًا من الأحداث عند نفس الزاوية والطاقة.

ذهبت الدراسة خطوة أبعد لمعرفة كيف تقارن هذه الخلفية بالإشارة الحقيقية التي كان يحاول الفريق المجري قياسها. قاموا بحساب المعدل المتوقع للتفاعل النووي الحقيقي وقارنوه بمعدل ضربات الميونات الكونية، مع تعديل الأرقام لتتطابق مع ظروف التشغيل النموذجية لتجربة "أتومكي". ووجدوا أنه في نافذة الطاقة الحرجة حيث تم الإبلاغ عن الشذوذ، كان عدد أحداث الميونات الكونية أكبر في الواقع من عدد الأحداث النووية الحقيقية. في الواقع، شكلت الخلفية الكونية أكثر من نصف جميع الأحداث في تلك المنطقة المحددة. وهذا يعني أنه إذا كان الأسلوب المستخدم لطرح خلفية الميونات الكونية غير دقيق ولو بقليل، فقد يترك بسهولة "إشارة شبحية" تبدو مثل جسيم جديد. وأشار الباحثون إلى أن فريق المجر يعتمد على أخذ البيانات عندما يكون شعاع الجسيمات مطفأً لتقدير هذه الخلفية، لكن محاكاتهم تشير إلى أن الأخطاء الصغيرة في عملية الطرح هذه يمكن أن تخلق ذات النتوء الذي فُسر على أنه فيزياء جديدة.

لا تدعي الورقة البحثية أنها أثبتت عدم وجود الجسيم الجديد، ولا تقول إن الفريق المجري ارتكب خطأً. بدلاً من ذلك، تسلط الض الضوء على ثغرة حرجة في هذا النوع من القياسات. توضح الدراسة أن الترتيب المحدد لأذرع الكاشف، مقترنًا بالمطر المستمر من الأشعة الكونية، يخلق نمطًا طبيعيًا يتداخل تمامًا مع الإشارة محل الاهتمام. ويجادل الباحثون بأن سمات الشذوذ المبلغ عنه — زاويته المحددة، ونطاق طاقته، وكيف يتغير عندما تختلف الطاقة قليلاً — هي كلها أشياء يمكن للميونات الكونية إعادة إنتاجها بمفردها. وهذا يشرح أن أصل الشذوذ قد يكون تفاعلاً دقيقًا بين هندسة الكاشف والخلفية الكونية، وليس جسيمًا أساسيًا جديدًا.

في نهاية المطاف، يعد هذا العمل بمثابة دعوة لمزيد من الدقة في كيفية تعامل هذه التجارب مع ضوضاء الخلفية. يقترح المؤلفون أن عمليات البحث المستقبلية عن مثل هذه الشذوذات تحتاج إلى أن تكون أكثر صرامة في التمييز بين الإشارات الحقيقية والمخادعين الكونيين. ويوصون باستخدام دروع نشطة لحجب الأشعة الكونية وجمع المزيد بكثير من البيانات أثناء إطفاء الشعاع لفهم الخلفية بيقين أعلى. وبينما يظل السؤال حول جسيم "X17" مفتوحًا، تقدم هذه الدراسة تفسيرًا بديلًا مقنعًا: وهو أن المطر المستمر من الأشعة الكونية في الكون، والذي يمر دون ملاحظة عبر الكاشف، ربما كان هو من خلق الوهم طوال الوقت.