Neutrino trident process at a muon collider

في أعماق العالم دون الذري، تُعد الجسيمات المعروفة باسم النيوترينوات مسافرين شبحيين؛ فهي تكاد لا تملك كتلة، ولا تحمل أي شحنة كهربائية، ونادراً ما تتفاعل مع أي شيء تمر عبره. ولأنها تنزلق عبر المادة العادية بسهولة شديدة، فمن الصعب جداً الإمساك بها ودراستها. ومع ذلك، فإن فهم هذه الجسيمات المراوغة أمر بالغ الأهمية لعلماء الفيزياء، لأنها تحمل أدلة على القوى الأساسية التي تشكل كوننا، وقد تكشف عن قوانين فيزيائية تتجاوز أفضل نظرياتنا الحالية. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على كواشف ضخمة موضوعة بالقرب من مسرعات الجسيمات أو المصادر الطبيعية مثل الشمس لاستراق النظر إلى هذه الجسيمات. والآن، يقترح مقترح جديد استخدام آلة مستقبلية مصممة لصدم "الميونات" معاً — وهي نوع من الأقارب الثقيلة للإلكترون — لإنشاء حزمة مكثفة ومركزة من النيوترينوات. ستوفر هذه الحزمة مصدراً نقياً ومفهوماً جيداً للجسيمات، مما يسمح للباحثين باختبار قواعد الطبيعة بدقة لم تكن ممكنة من قبل.

في دراسة حديثة، استكشف الباحثان رينالدو فرانسينر وفيكتور ب. غونسالفيس ما سيحدث إذا تم بناء مثل هذه الآلة، التي تسمى "مصادم الميونات"، مع كاشف نيوترينو مخصص يوضع بعيداً في اتجاه مجرى التصادم. وبينما تتحرك الميونات حول حلقة المصادم، فإنها تتحلل طبيعياً إلى نيوترينوات وجسيمات أخرى. وفي الأجزاء المستقيمة من الحلقة، تنطلق هذه النيوترينوات في حزمة ضيقة وعالية الطاقة. ركز الفريق على حدث نادر يسمى عملية "النيوترينو الثلاثي" (neutrino trident). في هذا السيناريو، يقترب نيوترينو من الحزمة من نواة ذرية ثقيلة في هدف الكاشف. وبدلاً من المرور مباشرة عبرها، يتفاعل النيوترينو مع المجال الكهربائي المحيط بتلك النواة. هذا التفاعل محدد للغاية لدرجة أنه يتسبب في انقسام النيوترينو، مما يؤدي إلى خلق زوج من الجسيمات المشحونة الجديدة — إما اثنين من الميونات، أو اثنين من الإلكترونات، أو اثنين من جسيمات التاو — بينما يستمر النيوترو نفسه في طريقه. إنه رقص دقيق للقوى حيث ينتج عن نيوترينو واحد جسيمان جديدان من فراغ مجال النواة.

قام الباحثون بمحاكاة هذه العملية لكاشف مقترح يحتوي على عشرة كيلوغرامات من التنجستن، وهو معدن كثيف جداً، يعمل لمدة عام واحد. توقعت حساباتهم عدداً كبيراً بشكل مفاجئ من هذه الأحداث؛ حيث وجدوا أن الكاشف سيسجل حوالي عشرة آلاف حدث يتم فيها خلق إلكترون وبوزيترون (التوأم المضاد للإلكترون)، وما يقرب من ستة آلاف حدث ينتج زوجاً من الميونات. وحتى جسيمات التاو الأثقل والأكثر مراوغة ستظهر في حوالي مائتين وستين حدثاً. كما بحثت الدراسة في الحالات التي يكون فيها الجسيمان الجديدان من نوعين مختلفين، مثل إلكترون وميون، وتوقعت عشرات الآلاف من هذه الأزواج المختلطة. هذه الأرقام مهمة لأن التجارب السابقة، التي اعتمدت على مصادر نيوترينو أقل تحكماً، لم تشهد سوى حفنة من هذه الأحداث مع هوامش خطأ كبيرة. إن الحجم الهائل للأحداث المتوقعة هنا يشير إلى أن مصادم الميونات يمكن أن يحول عملية "النيترينو الثلاثي" من مجرد فضول نادر إلى أداة قياس روتينية.

لضمان أن تكون هذه التوقعات واقعية، طبق الفريق مرشحات صارمة تحاكي ما قد يراه كاشف حقيقي. لقد وضعوا في الحسبان حقيقة أن الكواشف ليست مثالية وأن الضجيج الخلفي الناتج عن تفاعلات الجسيمات الأخرى قد يخفي الإشارة. وحتى بعد تطبيق هذه القيود الواقعية، والتي تستبعد الأحداث الفوضوية للغاية أو ذات الطاقة المنخفضة التي لا تكون مفيدة، قدر الفريق أن أكثر من ثلاثة آلاف وخمسمائة حدث نظيف من أزواج الميونات ستظل قائمة. هذا العدد المرتفع يعني أن العلماء يمكنهم قياس خصائص عملية "النيترينو الثلاثي" بدقة غير مسبوقة. وتعد هذه الدقة حيوية لأن المعدل الذي تحدث به هذه الأحداث مرتبط ارتباطاً وثيقاً بالقواعد الأساسية التي تحكم كيفية تفاعل الجسيمات. فإذا اختلف المعدل المقاس ولو قليلاً عن توقعات "النموذج القياسي" — وهو أفضل نظرية حالية في فيزياء الجسيمات — فسيكون ذلك علامة واضحة على وجود قوى أو جسيمات جديدة وغير معروفة في العمل.

استخدم الباحثون هذه الإمكانات للبحث عن علامات "الفيزياء الجديدة"، وتحديداً اختبار نظرية تتنبأ بوجود جسيم ثقيل جديد يسمى "بوزون زد-برايم" (Z-prime boson). هذا الجسيم الافتراضي سيتفاعل فقط مع أنواع معينة من اللبتونات، وهي عائلة الجسيمات التي تشمل الإلكترونات والميونات والتاو. ومن خلال حساب كيف سيغير وجود هذا الجسيم الجديد عدد أحداث "النيترينو الثلاثي"، رسم الفريق خريطة لما يمكن لمصادم الميونات اكتشافه. تظهر نتائجهم أن كاشفاً في هذه المنشأة يمكنه استكشاف مناطق في "فضاء المعلمات" الخاص بالنظرية والتي لا تزال غير مرئية للتجارب الأخرى. يمكنه البحث عن هذه الجسيمات الجديدة بكتل تتراوح من خفيفة جداً إلى أثقل بكثير من القوى المعروفة في الطبيعة. وتخلص الدراسة إلى أن كاشف النيوترينو في مصادم الميونات لن يؤكد النموذج القياسي بدقة عالية فحسب، بل سيمد أيضاً البحث عن الفيزياء الجديدة بشكل كبير، مما قد يكشف عن جسيمات ظلت مختبئة عن أنظارنا حتى الآن.