Constraints on the Higgs boson total width from on-shell signal-background interference in the decay channel with $pp$ collisions at TeV with the ATLAS detector
باستخدام 140 فمتوبار من بيانات تصادمات بروتون-بروتون عند طاقة 13 تريليون إلكترون فولت من كاشف ATLAS، تُقدم هذه الدراسة قياسًًا مباشرًا ومستقلاً عن النموذج للعرض الكلي لبوزون هيجز عبر تداخل الإشارة والخلفية في عملية ، مما يضع حدًا أقصى مرصودًا قدره 307 ميجا إلكترون فولت عند مستوى ثقة 95%.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في قلب عالم الجسيمات دون الذرية، يلعب جسيم يُعرف باسم "بوزون هيجز" دوراً فريداً. فمنذ اكتشافه في عام 2012، تبين أنه التجسد المادي لمجال يمنح الكتلة للجسيمات الأساسية الأخرى. وبينما أمضى العلماء أكثر من عقد من الزمان في قياس كيفية تفاعل هذا الجسيم مع غيره، لا تزال إحدى خصائصه الأكثر أساسية عصية على الفهم: عرض اضمحلاله الكلي. وفي لغة فيزياء الجسيمات، يمثل هذا العرض مجموع كافة الطرق التي يمكن لبوزون هيجز أن يتفكك من خلالها إلى جسيمات أخرى. ووفقاً للنموذج القياسي، وهو النظرية السائدة في الفيزياء، يجب أن يضمحل بوزون هيجز بطرق محددة للغاية ويمكن التنبؤ بها، مما ينتج عنه عرض كلي يبلغ 4.1 مليون إلكترون فولت فقط. ومع ذلك، إذا كان بوزون هيجز يخفي سراً ما — ربما يضمحل إلى جسيمات غير مرئية لا تستطيع كواشفنا رؤيتها — فإن هذا العرض الكلي سيكون أكبر. وبالتالي، فإن قياس هذا العرض هو اختبار مباشر لما إذا كان بوزون هيجز مطابقاً تماماً للنموذج القياسي أو بوابة لفيزياء جديدة غير مكتشفة.
يكمن التحدي في قياس هذا العرض في أن بوزون هيجز قصير العمر بشكل لا يصدق؛ فهو موجود للحظة عابرة لدرجة أن عرضه الطبيعي ضيق جداً بحيث لا يمكن رؤيته مباشرة حتى بواسطة أقوى الكواشف. الأمر يشبه محاولة قياس سمك شعرة بشرية من خلال النظر إلى صورة ضبابية لقطار مسرع؛ حيث يكون ضباب القياس أوسع بآلاف الممرات من الجسم نفسه. لسنوات، حاول الفيزيائيون استنتاج العرض بشكل غير مباشر عبر مقارنة عدد مرات ظهور بوزون هيجز عند كتلته الطبيعية مقابل عدد مرات ظهوره عند طاقات أعلى وأندر بكثير. هذه الطريقة تعمل، لكنها تعتمد على افتراض أن بوزون هيجز يتصرف بنفس الطريقة تماماً عند الطاقات العالية كما يفعل عند الطاقات العادية. وإذا كان هذا الافتراض خاطئاً، فقد يكون القياس مضللاً.
قام فريق من الفيزيائيين العاملين مع كاشف "أطلس" (ATLAS) في مصادم الهادرونات الكبير باتباع نهج مختلف الآن، وهو نهج لا يتطلب مثل هذه الافتراضات. لقد ركزوا على تأثير محدد ودقيق يحدث عندما يضمحل بوزون هيجز إلى فوتونين. في العالم الكمي، يمكن للجسيمات أن تتصرف مثل الموجات. فعندما يتولد بوزون هيجز ويضمحل فوراً إلى فوتونين، فإنه ينتج موجة تتداخل مع الموجات الخلفية للفوتونات الناتجة عن عمليات أخرى غير مرتبطة بهيغز. تماماً كما يمكن لموجتين صوتيتين أن تتداخلا لتوليد صوت أعلى أو أخفض، تتداخل هذه الموجات الجسيمية مع بعضها البعض. هذا التداخل يشوه شكل توزيع الكتلة للفوتونين، مما يؤدي إلى إزاحة ذروة الإشارة قليلاً إلى أحد الجانبين. ويعتمد حجم هذه الإزاحة مباشرة على العرض الكلي لبوزون هيجز. ومن خلال دراسة هذا التشوه، يمكن للباحثين قياس العرض دون الحاجة إلى التخمين حول كيفية سلوك الجسيم عند طاقات مختلفة.
باستخدام بيانات تصادمات البروتونات المسجلة بين عامي 2015 و2018، حلل الفريق أكثر من 140 فيمتوفارن عكسي من أحداث التصادم. وقد سمحت هذه المجموعة الضخمة من البيانات بالنظر في توزيع أزواج الفوتونات بدقة متناهية. وقسم الباحثون البيانات إلى مجموعتين بناءً على زخم أزواج الفوتونات، وهي تقنية تساعد في عزل تأثير التداخل. ثم قارن الباحثون البيانات الفعلية مقابل محاكاة حاسوبية صممت لنمذجة كيف سيبدو التوزيع إذا كان لبوزون هيجز عروض مختلفة. ووجدوا أن البيانات كانت متوافقة مع تنبؤات النموذج القياسي، مما أظهر عدم وجود دليل على وجود نمط اضمحلال خفي أو غير مرئي كان من شأنه أن يزيد من اتساع العرض.
وضعت هذه الدراسة حداً جديداً للعرض الكلي لبوزون هيجز. وخلص الباحثون إلى أن العرض يقل عن 307 مليون إلكترون فولت عند مستوى ثقة قدره 95 بالمئة. وهذا يعني أنه لو كان العرض أكبر من ذلك، لكان التشوه في بيانات الفوتونات واضحاً جداً بحيث لا يمكن تجاهله. وكان الحد المتوقع، بناءً على ما كان ينبغي للتجربة أن تراه إذا كانت البيانات مثالية، هو 258 مليون إلكترون فولت. ورغم أن هذه الأرقام لا تزال أكبر بنحو 75 مرة من تنبؤ النموذج القياسي البالغ 4.1 مليون إلكترون فولت، إلا أن القياس يعتبر مهماً لأنه ملاحظة مباشرة (on-shell) لا تعتمد على افتراضات نظرية حول ارتباطات الجسيم. فهو يوفر طريقة تكميلية للتحقق من خصائص بوزون هيجز، بشكل مستقل عن الأساليب المستخدمة في الدراسات السابقة.
إن دقة هذه النتيجة محدودة حالياً بسبب حالات عدم اليقين في الحسابات النظرية لتأثير التداخل والكتلة الدقيقة لبوزون هيجز. وأشار الباحثون إلى أن أكبر مصدر لعدم اليقين يأتي من الجانب النظري، وتحديداً حساب كيفية سلوك التداخل. وهذا يشير إلى أن التحسينات المستقبلية في الفيزياء النظرية ستكون بنفس أهمية جمع المزيد من البيانات. وبالرغم من القيود الحالية، فإن المنهج نفسه يعد انتصاراً؛ فهو يثبت أن العلماء يمكنهم استخدام التداخل الدقيق للموجات الكمية لقياس خاصية تكون بخلاف ذلك مخفية بسبب حدود الدقة التجريبية. وهذا يفتح مساراً جديداً لاختبار النموذج القياسي، مما يوفر وسيلة للبحث عن فيزياء جديدة لا تعتمد على نفس الافتراضات المستخدمة في التقنيات الأخرى.
تؤكد النتائج أن بوزون هيجز، ضمن الحدود الحالية للقياس، يتصرف كما يتنبأ به النموذج القياسي. لا يوجد أي مؤشر على أنه يضمحل إلى جسيمات غير مرئية أو حالات غريبة أخرى كانت ستؤدي إلى توسيع عرض اضمحلاله الكلي. وبينما لا يزال القياس ليس دقيقاً بما يكفي لاستبعاد جميع أنواع الفيزياء الجديدة الممكنة، إلا أنه يضع قيداً قوياً وخالياً من الافتراضات. ومع تحسن الحسابات النظرية وجمع المزيد من البيانات، ستصبح هذه التقنية أكثر قوة، مما قد يكشف عن أول الشقوق في النموذج القياسي أو يؤكد صموده بوضوح غير مسبوق. وفي الوقت الحالي، لا يزال بوزك هيجز لغزاً من حيث أن عرضه لم يُقس بعد بدقة المسطرة، ولكن الظل الذي يلقيه على المشهد الكمي قد تم رسم خرائطه بنوع جديد من الضوء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.