ALP photo-production in the parton and hadron cascade model PACIAE

في أعماق نسيج الكون، يشتبه الفيزيائيون في وجود جسيمات خفية يمكن أن تحل بعض الألغاز الأكثر استعصاءً في الطبيعة. ومن بين هذه المرشحات المحتملة، تبرز الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات (axion-like particles)، وهي كيانات شبحية قد تفسر سبب سلوك الكون كما هو، بل ويمكن أن تشكل المادة المظلمة غير المرئية التي تمسك المجرات ببعضها البعض. ورغم أن هذه الجسيمات لم تُرَ بشكل مباشر قط، إلا أن العلماء يعلمون أنها إذا كانت موجودة، فينبغي أن تكون قادرة على التحول إلى أزواج من الجسيمات الضوئية، المعروفة باسم الفوتونات، والعكس صحيح. وقد دفع هذا الاحتمال النظري الباحثين للبحث عنها في التصادمات عالية الطاقة، آملين في رصد ومضة من تكوينها أو اضمحلالها. وتكمن التحديات في حقيقة أن هذه الجسيمات مراوغة، وغالباً ما تُدفن إشاراتها تحت عاصفة فوضوية من الحطام دون الذري الآخر الناتج عن نفس التصادمات.

ولاستكشاف هذا الاحتمال، لجأ فريق من الباحثين إلى محاكاة حاسوبية قوية لإعادة إنشاء ظروف اصطدام جسيمات هائل. فقد ركزوا على تصادمات بين نوى الذهب، عبر صدمها معاً عند مستوى طاقة يبلغ 200 جيجا إلكترون فولت (GeV)، وهي سرعة وقوة تضاهي ما يحدث في أكثر التجارب كثافة في مسرعات الجسيمات الكبرى. استخدم الفريق نموذجاً رقمياً متطوراً يسمى "باكياك" (PACIAE) لمحاكاة خمسة ملايين من هذه التصادمات. يعمل هذا النموذج كمختبر افتري، حيث يتتبع كيفية تشتت وتفاعل اللبنات الأساسية للمادة، المعروفة باسم "البارتونات" (partons)، قبل أن تستقر في سحابة نهائية من الجسيمات المستقرة. وفي هذا المشهد اللاحق للمحاكاة، وجد الباحثون عدداً هائلاً من الفوتونات، وهي جسيمات الضوء، منتشرة في جميع أنحاء الحطام.

تضمن جوهر هذه الدراسة منهجية جديدة لمعرفة ما إذا كان يمكن إعادة تجميع هذه الفوتونات المتناثرة إلى الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات الخفية. طبق الباحثون نهجاً إحصائياً، بحثاً عن أزواج من الفوتونات في بيانات المحاكاة الخاصة بهم، والتي تكون قريبة بما يكفي في الطاقة والاتجاه بحيث يمكن دمجها مجدداً في جسيم واحد شبيه بالأكسيون. ووضعوا قواعد محددة لعملية الدمج هذه، مع التركيز على الأزواج التي يكون فيها مجموع الطاقة أقل من ضعف كتلة نوع معين من الجسيمات يسمى "الكاون" (kaon). ومن خلال تطبيق عامل احتمالية بناءً على مدى تكرار حدوث مثل هذا التحول، تمكنوا من حساب عدد هذه الجسيمات الخفية التي ربما تشكلت في تصادماتهم الافتراضية. وكانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها محاولة استخدام هذه التقنية المحددة لإعادة دمج الفوتونات من حالة هادرونية إلى جسيمات شبيهة بالأكسيونات بهذا الأسلوب.

قدمت نتائج هذه المحاكاة صورة واضحة لما ينبغي توقعه إذا كانت هذه الجسيمات تُخلق بالفعل. فقد حسب الباحثون عدد الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات التي ستظهر لمختلف الكتل، بدءاً من الكتل الخفيفة جداً وصولاً إلى القيم الأثقل ضمن نطاقات الميجا إلكترون فولت (MeV) والجيجا إلكترون فولت (GeV). ووجدوا أنه كلما زادت كتلة الجسيم، انخفض عدد الجسيمات المنتجة بشكل ملحوظ. فبالنسبة لأخف كتلة اختبروها، توقعت المحاكاة إنتاج ما يقرب من 28 جسيماً عبر النطاق الكامل للنتائج الممكنة، بينما انخفض هذا الرقم للكتلة الأثقل إلى ما يزيد قليلاً عن ثلاثة. كما رسم الفريق خريطة لكيفية حركة هذه الجسيمات وأين ستظهر داخل منطقة التصادم. واكتشفوا أن طريقة انتشار الجسيمات جانبياً لم تتغير كثيراً بغض النظر عن كتلتها، ولكن العدد الإجمالي للجسيمات تناقص مع زيادة الكتلة. علاوة على ذلك، فإن انتشار الجسيمات على طول اتجاه شعاع التصادم ضاق مع زيادة الكتلة، مما خلق تجمعاً أكثر إحكاماً للجسيمات الأثقل.

تقدم هذه النتائج مجموعة ملموسة من التوقعات التي يمكن للتجريبيين اختبارها. فقد قدم الباحثون أرقاماً محددة حول عدد هذه الجسيمات التي ينبغي رؤيتها، ومدى سرعة حركتها، وأين يجب أن تقع ضمن حطام التصادم. وبينما تعد هذه الدراسة محاكاة وليست رصداً مباشراً، إلا أنها تضع خط أساس لما يجب أن تبحث عنه تجربة حقيقية. ويشير المؤلفون إلى أن التحقيقات المستقبلية يمكن أن تستخدم هذه التوقعات للبحث عن هذه الجسيمات في بيانات فعلية من تصادمات الأيونات الثقيلة. كما يخططون لتوسيع عملهم في المستقبل من خلال البحث في كيفية مساهمة "الغلوونات" (gluons)، وهي نوع آخر من الجسيمات الأساسية، في خلق هذه الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات، وكيف يمكن ربط هذه العملية بالتحولات الطورية للمادة التي حدثت في الكون المبكر. وفي الوقت الحالي، يقف هذا العمل كخريطة نظرية مفصلة، توجه البحث عن جسيم لا يزال يمثل أحد أكثر الاحتمالات إثارة للاهتمام في الفيزياء الحديثة.