Measurements of the branching fractions of \boldmath $χ_{cJ}\toΣ^0\barΣ^0η$

في أعماق نسيج الكون، تتماسك المادة بفعل قوة هائلة تربط نوى الذرات ببعضها البعض. هذه القوة، المعروفة بالتفاعل القوي، تحكمها مجموعة من القواعد تسمى الديناميكا اللونية الكمومية. وبينما أتقن العلماء رياضيات هذه القوة عند الطاقات العالية، لا يزال عالم الطاقة المنخفضة مشهداً ضبابياً من الألغاز. هنا، لا تتصرف الجسيمات مثل كرات البلياردو البسيطة؛ بل تدور وتتفاعل بطرق معقدة يصعب التنبؤ بها. ولرسم خريطة هذا الإقليم الخفي، غالباً ما يستخدم الفيزيائيون جسيمات خاصة قصيرة العمر تسمى حالات "التشارمونيوم". هذه الحالات تشبه مختبرات صغيرة ثقيلة تم إنشاؤها في مسرعات الجسيمات، حيث يدور كوارك "التشارم" وشريكه من المادة المضادة، وهو "الكوارك المضاد للتشارم"، حول بعضهما البعض. وعندما تضمحل هذه الأزواج، فإنها تتفكك إلى جسيمات أخرى، مما يمنح لمحة عن القواعد التي تحكم تفككها. ومن خلال دراسة كيفية تفكك هذه الأزواج الثقيلة بدقة، يمكن للباحثين اختبار حدود فهمهم الحالي والبحث عن شقوق في النظرية قد تشير إلى فيزياء جديدة.

قام باحث يستخدم كاشف "BESIII" في مصادم "BEPCII" في بكين بتسليط الضوان مؤخراً على ركن كان مظلماً سابقاً في هذا المشهد. فقد قام بتحليل مجموعة ضخمة من البيانات تحتوي على أكثر من 2.7 مليار تصادم للإلكترونات والبوزيترونات. ومن هذه المجموعة الهائلة من البيانات، ركز على نوع محدد من الجسيمات الثقيلة يُعرف باسم "chi-c"، والتي تأتي في ثلاثة أنواع مختلفة قليلاً تتميز باختلاف دورانها المغزلي (السبين). كان الباحث يبحث عن حدث محدد ونادر: اللحظة التي يتحلل فيها أحد جسيمات "chi-c" هذه إلى ثلاثية من جسيمات أخرى: باريون "سيجما" متعادل، وتوأمه من المادة المضادة، وميزون "إيتا" متعادل. وحتى الآن، لم يُرَ هذا التحلل المحدد قط، سواء في التجارب أو في الحسابات النظرية. وقد أعاد الباحث بناء هذه الأحداث من خلال تتبع الحطام المتبقي، وبالتحديد من خلال البحث عن نمط مميز من البروتونات، والبروتونات المضادة، والبيونات، وخمسة فوتونات من أجل تأكيد وجود الجسيمات المطلوبة.

بعد غربلة مليارات التصادمات، أبلغ الباحث عن الملاحظات الأولى لهذا التحلل لجميع الأنواع الثلاثة لجسيم "chi-c"، بمعايير دلالة إحصائية بلغت 7.2σ و5.7σ و6.7σ على التوالي. وبينما كانت هذه النتائج قوية بما يكفي لإعلان الملاحظات الأولى، أشار الباحث إلى أن الدليل على أحد المسارات (5.7σ) يقل قليلاً عن عتبة الـ 6σ النموذجية المستخدمة غالباً للملاحظات الحاسمة في بعض السياقات. وقد قام بقياس مدى تكرار حدوث هذا التحلل بالنسبة للعدد الإجمالي لجسيمات "chi-c" المنتجة، محدداً الاحتمالية، أو ما يسمى بـ "الكسر الفرعي". بالنسبة للنوع الأول، يحدث التحلل تقريباً 9.7 مرة لكل 100,000 جسيم من "chi-c". وبالنسبة للنوع الثاني، يحدث حوالي 4.9 مرة لكل 100,000. أما بالنسبة للثالث، فيحدث حوالي م 6.1 مرة لكل 100,000. توفر هذه الأرقام أول نقاط بيانات ملموسة لهذا التفاعل المحدد، مما يسمح للفيزيائيين بمقارنة كيف تؤثر حالات الدوران المغزلي المختلفة للجسيم الأم على النتيجة.

كما فحص الباحث ترتيب الجسيمات أثناء تطايرها لمعرفة ما إذا كانت تشكل أي هياكل وسيطة مؤقتة، مثل نوع جديد من الجسيمات المثارة. لقد نظر بدقة في تركيبات الكتلة للجسيمات في المجموعة النهائية، بحثاً عن أي تكتلات أو رنينات غير متوقعة قد تشير إلى حالة جديدة من المادة. وأظهرت البيانات عدم وجود هياكل كبيرة في توزيعات الكتلة لأزواج الجسيمات في ظل الإحصائيات الحالية؛ إذ بدا أن الجسيمات تظهر مباشرة من التحلل دون تكوين أي خطوات وسيطة. إن غياب هذه الهياكل الجديدة لا يقل أهمية عن اكتشاف التحلل نفسه، لأنه يستبعد نماذج نظرية معينة تنبأت بوجود مثل هذه الحالات الوسيطة. علاوة على ذلك، ومن خلال مقارنة هذه النتائج مع قياسات سابقة لعمليات تحلل مماثلة تشمل جسيمات مشحونة، وجد الباحث أن المعدلات طابقت التوقعات بناءً على التماثل الطبيعي المعروف باسم "الأيزوسبين". وهذا يشير إلى أن القوة القوية تتعامل مع هذه التوليفات المختلفة من الجسيمات بيد ثابتة، مما يعزز النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

تقدم النتائج أيضاً تلميحاً دقيقاً حول الآليات الداخلية لهذه التحليات. فعندما قارن الباحث قوة التحلل لأنواع الدوران المغزلي المختلفة، لاحظ أن النوع الأول تصرف بشكل مختلف عن النوعين الآخرين. ويشير هذا الاختلاف في السلوك إلى أن النوع الأول قد يمتزج مع نوع آخر أكثر غرابة من الجسيمات المتوقعة نظرياً، أو أنه يتحلل عبر آلية فريدة. وبينما لا تؤكد البيانات بالضبط ما يحدث، إلا أنها توفر قطعة حاسمة جديدة في أحجية اللغز. إن اكتشاف هذه التحليات، جنباً إلى جنب مع القياسات الدقيقة لمعدلاتها، يمنح المنظرين معياراً جديداً لاختبار نماذجهم. فهو يؤكد أن القوة القوية تعمل بطريقة تسم تسمح بتشكل هذه التوليفات المحددة، بينما يضيق في الوقت ذاته نطاق البحث عن الأسباب العميقة الكامنة وراء الاختلافات في كيفية تفكك هذه الجسيمات. ومع تقدم المجال، ستعمل هذه القياسات كقاعدة لتجارب مستقبلية تهدف إلى فك رموز الأسرار المتبقية للتفاعل القوي.