Search for rare charm decays at BESIII

إن الكون مبني على مجموعة من القواعد التي يسميها الفيزيائيون "النموذج القياسي". وهو خريطة ناجحة لكيفية سلوك المادة والطاقة، ومع ذلك فإنه يترك بعض الأسئلة الأكبر دون إجابة. لماذا يوجد مادة أكثر من المادة المضادة؟ ما هي المادة المظلمة التي تمسك المجرات معاً؟ للعثور على الإجابات، لا يبحث العلماء عن جسيمات ثقيلة جديدة فحسب؛ بل يبحثون أيضاً عن شقوق في الخريطة الحالية. إنهم يطاردون عمليات نادرة جداً أو محظورة بموجب القواعد الحالية لدرجة أن العثور على حالة واحدة منها سيعني أن شيئاً جديداً يحدث. أحد أكثر الأماكن واعدة للبحث عن هذه الشقوق هو عالم كواركات السحر (charm quarks). هذه جسيمات ثقيلة وغير مستقرة وتتحلل بسرعة، ولكن عندما تفعل ذلك، يمكنها الكشف عن انتهاكات دقيقة للتناظر أو تغييرات غير متوقعة في هويتها. ومن خلال دراسة مليارات من هذه التحليات، يمكن للباحثين اختبار حدود فهمنا ومعرفة ما إذا كان الكون يتصرف تماماً كما يتنبأ النموذج القياسي، أم أنه يحمل سراً يتطلب نظرية جديدة لتفسيره.

وفي قلب هذا البحث تكمن تجربة "بي إس آي 3" (BESIII)، وهي كاشف ضخم يقع في بكين، الصين. يقع هذا الكاشف داخل حلقة تخزين حيث تصطدم حزم من الإلكترونات ونظائرها من المادة المضادة (البوزيترونات) ببعضها البعض. وتخلق هذه الاصطدامات بيئة نظيفة تولد فيها جسيمات جديدة وتتحلل فوراً. لقد جمع الباحثون قدراً هائلاً من البيانات، بما في ذلك أكبر عينات في العالم من جسيمات محددة تسمى "تشارمونيوم" (charmonium)، وهي حالات مرتبطة من كوارك السحر وكوارك مضاد للسحر. ومع هذه المجموعة الضخمة من البيانات، أجرى الفريق مراجعة شاملة لعدة أنواع من التحليات النادرة، بحثاً عن علامات فيزياء يقول النموذج القياسي إنها لا ينبغي أن تحدث، أو يجب أن تحدث بندرة شديدة تجعلها غير مرئية فعلياً.

يتضمن المجال الأول للتحقيق التحلل الضعيف للتشارمونيوم. في النموذج القياسي، يُتوقع أن تتحلل هذه الجسيمات من خلال القوى القوية أو الكهرومغناطيسية، ولكن هناك فرصة ضئيلة وشبه مستحيلة للتحلل عبر القوة الضعيفة، المسؤولة عن النشاط الإشعاعي. بحث الباحثون عن أنماط محددة يتحول فيها جسيم التشارمونيوم إلى زوج من الجسيمات الأخرى، مثل ميزون "دي" المتعادل وميزون "كي ستار". وللعثور على هذه الأحداث النادرة، استخدموا تقنية ذكية: حيث أعادوا بناء أحد نواتج التحلل بطريقة قامت بتصفية ضجيج الخلفية الهائل للاصطدامات الجسيمية العادية. وبعد تحليل البيانات، لم يجدوا أي دليل على هذه التحليات الضعيفة. وبدلاً من ذلك، وضعوا حداً جديداً وأكثر صرامة لمدى تكرار حدوث هذه الأحداث، مما دفع بحد المسموح به إلى مستوى واحد من كل عشرة ملايين. هذه النتيجة لا تثبت حدوث التحلل، لكنها تستبعد العديد من النظريات التي توقعت أنه سيكون أكثر شيوعاً.

بعد ذلك، بحث الفريق عن تيارات محايدة متغيرة للنكهة. بلغة فيزياء الجسيمات، يصف هذا عملية يتغير فيها نوع الكوارك، أو "نكهته"، دون تغيير شحنته الكهربائية. يسمح النموذج القياسي بحدوث ذلك، ولكن فقط من خلال حلقات غير مباشرة معقدة تجعل الأمر نادراً للغاية. فحص الباحثون تحليات حيث يتحول جسيم التشارمونيوم إلى ميزون "دي" متعادل وزوج من الميونات، أو ميزون "دي" متعادل وفوتون. كما بحثوا في تحليات مماثلة تتضمن ميزونات "دي" التي تُنتج عند عتبة طاقة محددة حيث تُخلق في أزواج. ومن خلال تحديد (tagging) أحد الجسيمات في الزوج، استطاعوا دراسة الآخر بدقة عالية. لم يتم العثست كأي إشارات. والآن، تقترب الحدود التي وضعتها هذه الأبحاث من المستوى الذي يتنبأ فيه النموذج القياسي بحدوث هذه الأحداث، مما يعني أنه إذا كانت الفيزياء الجديدة تختبئ في هذه التحليات، فإنها تفعل ذلك ببراعة شديدة.

امتد البحث أيضاً ليشمل انتهاك نكهة الليبتونات المشحونة. وبينما نعلم أن النيوترينوهات يمكن أن تغير نكهتها، يتنبأ النموذج القياسي بأن الجسيمات الأثقل مثل الإلكترونات والميونات لا ينبغي أبداً أن تبدل هوياتها أثناء التحلل. إن العثور على إلكترون يتحول إلى ميون، أو العكس، سيكون علامة واضحة على وجود فيزياء جديدة. بحث الباحثون عن هذا في عدة مواضع: في تحلل جسيم "بساي" (psi) إلى إلكترون وميون، وفي تحلل ميزونات "إيتا" (eta) إلى نفس الزوج. وقد استخدموا البيئة النظيفة للمصادم للتمييز بين هذه الأحداث النادرة وضجيج الخلفية. وكانت النتيجة غياباً تاماً لمثل هذه الأحداث. لقد وضعوا أشد الحدود صرامة حتى الآن على هذه العمليات، مما استبعد فعلياً العديد من النماذج التي تنبأت بمعدل أعلى لتبادل النكهات. وتضع هذه النتال الصفرية قيوداً قوية على القوى النظرية التي يمكن أن تسبب مثل هذا الانتهاك.

أخيراً، حقق الفريق في مبدأ أساسي للطبيعة يسمى "تناظر بوز" (Bose symmetry). ينص هذا القانون على أن جسيمين متطابقين بصفر دوران، مثل اثنين من الكاونات المتعادلة، لا يمكنهما الوجود في حالة تنتهك خصائص ميكانيكية كمومية معينة. في الحالة المحددة لزوج من الكاونات المتعادلة الناتجة من تحلل التشارمونيوم، يتنبأ النموذج القياسي بأن الحدث يجب أن يكون محظوراً ما لم يحدث قدر ضئيل من كسر التناظر. بحث الباحثون عن الإنتاج المتزامن لكاونين متعادلين. ولم يجدوا مثل هذه الأحداث. والحدود التي وضعوها منخفضة جداً لدرجة أنها تقع تحت تنبؤات بعض النظريات المقترحة المتعلقة بالجاذبية الكمومية وانتهاك المحلية، والتي تقترح أن الجسيمات المتشابكة يمكن أن تتصرف بطرق تكسر هذه القواعد. ومع ذلك، تظل النتائج فوق المستوى الضئيل المتوقع للانتهاك الناتج عن مصادر كسر التناظر المعروفة داخل النموذج القياسي.

باختأصار، استخدم تعاون "بي إس آي 3" أكبر عينات من جسيمات السحر في العالم لإجراء أكثر عمليات البحث حساسية حتى الآن للتحليات النادرة والمحظورة. لم يجدوا أي دليل على الفيزياء الجديدة التي كانوا يطاردونها. بدلاً من ذلك، رسموا دائرة أضيق حول النموذج القياسي، موضحين أن الطبيعة تلتزم بقواعدها بدقة مذهلة. ورغم عدم اكتشاف جسيمات أو قوى جديدة، إلا أن العمل لم ينتهِ بعد. ومن المقرر أن تتلقى التجربة تحديثات ستزيد من عدد الاصطدامات وتحسن القدرة على تتبع الجسيمات. ومع المزيد من البيانات والأدوات الأفضل، سيستمر البحث عن أصغر الشقوق في خريطة الفيزياء، مدفوعاً بالأمل في أن يكشف حدث نادر واحد يوماً ما عن حقيقة أعمق للكون.