Search for charged-lepton-flavour violating $e\mu tq$ interactions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

في الكون كما نفهمه، تأتي الجسيمات التي تسمى "اللبتونات" في ثلاث عائلات متميزة: الإلكترونات، والميونات، والتاويات. لعقود من الزمن، ظلت القوانين الأساسية للفيزياء تقرر أن هذه العائلات منفصلة تماماً؛ إذ لا ينبغي للإلكترون أبداً أن يتحول تلقائياً إلى ميون، تماماً كما لا ينبغي للميون أن يصبح إلكتروناً. هذه القاعدة المتعلقة بـ "حفظ النكهة" هي حجر الزاوية في النموذج المعياري، وهو أفضل نظرية لدينا حول كيفية تفاعل أصغر لبنات بناء الطبيعة. ومع ذلك، نحن نعلم أن هذه القاعدة ليست مطلقة لجميع الجسيمات؛ فالنيوترينوهات، وهي الأقارب الأشباح لهذه اللبتونات المشحونة، معروفة بتغيير نكهتها أثناء انتقالها، وهو اكتشاف نال جائزة نوبل وأثبت أن الطبيعة أكثر سيولة مما توحي به معادلاتنا البسيطة. وهذا يثير سؤالاً مثيراً للاهتمام لدى الفيزيائيين: إذا كانت النيوترينوهات قادرة على كسر القواعد، فهل يمكن للنسخ الأثقل والأكثر شحنة من هذه الجسيمات أن تفعل الشيء نفسه؟ إن العثور على حالة واحدة حيث يتبادل فيها إلكترون وميون الهويات في تصادم عالي الطاقة سيكون بمثابة "دليل قاطع" على فيزياء جديدة، يشير إلى قوى أو جسيمات موجودة خارج فهمنا الحالي.

وللبحث عن هذا التحول النادر، وجه العلماء في مصادم الهادرات الكبير في سويسرا اهتمامهم إلى أثقل جسيم أولي معروف: الكوارك العلوي (top quark). هذا الجسيم ضخم جداً لدرجة أنه يتحلل فوراً، ويختفي في جزء من الثانية بعد إنشائه. وقد قام تجربة "أطلس" (ATLAS)، وهي كاشف ضخم بحجم كاتدرائية يحيط بنقطة التصادم، بتسجيل المليارات من هذه التصادمات. وفي تحليل حديث، فحص الفريق البيانات المقابلة لـ 140 فيمتوفارن عكسية من التصادمات، وهو حجم من المعلومات يمثل مجموعة البيانات الكاملة التي جمعها الكاشف خلال تشغيله الرئيسي الثاني. كانوا يبحثون عن بصمة محددة وغير عادية: كوارك علوي، بدلاً من أن يتحلل إلى المزيج المعتاد من الجسيمات، ينقسم إلى ثلاثة جسيمات مشحونة — إلكترون، وميون، ونفاثة من الجسيمات الأخرى — بينما يتصرف كوارك علوي ثانٍ في نفس الحدث بشكل طبيعي. هذا المزيج المحدد من ظهور إلكترون وميون معاً من كوارك علوي واحد سيكون انتهاكاً واضحاً لقاعدة حفظ النكهة.

اقترب الباحثون من هذا البحث من خلال النظر في طريقتين مختلفتين يمكن أن يحدث من خلالهما هذا الانتهاك. يتضمن السيناريو الأول إنشاء كوارك علوي واحد مباشرة جنباً إلى جنب مع زوج اللبتونات، بينما يتضمن السيناريو الثاني إنشاء زوج من الكواركات العلوية، حيث يتحلل أحدها بهذه الطريقة المحظورة. ولأن الإشارة التي يبحثون عنها من المتوقع أن تكون خافتة للغاية، ومدفونة تحت جبل من أحداث الخلفية العادية، استخدم الفريق خوارزميات حاسوبية متطورة لتمييز الإشارة عن الضجيج. عملت هذه الخوارزميات مثل مرشح (فلتر) مدرب تدريباً عالياً، حيث تعلمت التعرف على الأنماط الدقيقة في طاقة واتجاه الجسيمات التي قد تشير إلى أن كواركاً علوياً قد تصرف بشكل غريب. لقد ركزوا على الأحداث التي تحتوي على ثلاثة جسيمات مشحونة بالضبط — إلكترونات أو ميونات — ونفاثة واحدة على الأقل من الحطام، مع إزالة أي أحداث تبدو كعمليات خلفية شائعة بعناية، مثل تحلل بوزون Z، والذي يمكن أن يحاكي الإشارة.

بعد تشغيل تحليلهم، لم يجد الفريق أي دليل على انتهاك نكهة اللبتون المشحون الذي كانوا يبحثون عنه. تطابق عدد الأحداث التي رصدوها مع تنبؤات النموذج المعياري تماماً، دون ظهور أي زيادات غريبة في البيانات. وهذه النتيجة الصفرية هي، في حد ذاتها، اكتشاف مهم؛ فهي تسمح للعلماء بوضع حدود صارمة على مدى تكرار حدوث هذا التحلل المحظور. لقد حسبوا أنه إذا كانت هذه العملية تحدث بالفعل، فيجب أن تكون نادرة للغاية، بحيث تحدث أقل من مرة واحدة في كل بضع مئات من ملايين تحللات الكوارك العلوي. وتحديداً، حددوا أن احتمال تحلل كوارك علوي إلى إلكترون وميون وكوارك علوي (up-quark) هو أقل من ستة في المليار، بينما احتمال تحلله إلى إلكترون وميون وكوارك ساح (charm-quark) هو أقل من ثلاثة في عشرة ملايين.

تُترجم هذه الحدود إلى قيود على "القوة" النظرية للقوى الجديدة التي قد تتطلب حدوث هذا الانتهاك. وجد الباحثون أن أي فيزياء جديدة قادرة على التسبب في هذا التأثير يجب أن تكون ضعيفة للغاية أو موجودة في مستويات طاقة تتجاوز بكثير ما يمكن للمصادم الحالي الوصول إليه. لقد استبعدت الدراسة فعلياً مجموعة واسعة من النماذج النظرية التي توقعت أن تكون هذه الانتهاكات شائعة بما يكفي ليتم رصدها بالقدر الحالي من البيانات. وعلى الرغم من أن البحث لم يجد الجسيم الجديد أو القوة الجديدة التي كانوا يأملون فيها، إلا أنه نجح في تضييق الخريطة التي قد تختبئ فيها تلك الفيزياء الجديدة. إن غياب الإشارة يؤكد أن النموذج المعياري لا يزال قوياً في هذا المجال، ولكنه يمهد الطريق أيضاً لتجارب مستقبلية مع آلات أكثر قوة لمواصلة البحث عن الشقوق في قواعد الطبيعة.