Measurement of electromagnetic transition form factors in two-photon collisions at BESIII

إن الكون متماسك بفعل قوى ليست مرئية دائمًا، ويتمثل أحد أكثر الألغاز استمرارًا في الفيزياء الحديثة في جسيم صغير يسمى الميون. هذا الجسيم هو "ابن عم" أثقل للالكترون، ويمتلك خاصية مغناطيسية تجعله يتذبذب أثناء دورانه. لقد حسب العلماء بدقة مقدار هذا التذبذب الذي ينبغي أن يكون بناءً على "النموذج القياسي"، وهو أفضل نظرية لدينا حول كيفية عمل الكون. ومع ذلك، عندما يقيسون هذا التذبذب في العالم الحقيقي، تكون النتيجة مختلفة. هذه الفجوة بين التنبؤ والواقع هي إشارة إلى وجود شيء مفقود في فهمنا، ربما قوة طبيعة جديدة أو خلل في كيفية حساب سلوك القوة النووية القوية عند مستويات الطاقة المنخفضة. ولحل هذا اللغز، يجب على الفيزيائيين تحسين حساباتهم لكيفية تفاعل الجسيمات، وتحديدًا من خلال النظر في كيفية تصادم الضوء والمادة بطرق يصعب التنبؤ بها باستخدام الرياضيات الحالية.

وللحصول على صورة أوضح، يحتاج الباحثون إلى بيانات دقيقة حول كيفية استجابة جسيمات معينة عند تعرضها لشعاعين من الضوء في آن واحد. هذه العملية، المعروفة باسم "اندماج الفوتونين"، هي المفتاح لفهم "تشتت الضوء بواسطة الهادرونات" (hadronic light-by-light scattering) الذي يساهم في التذبذب المغناطيسي للميون. وتكافح النماذج النظرية لوصف هذا التفاعل عند مستويات الطاقة المنخفضة حيث تحدث التأثيرات الأكثر أهمية. وبناءً على ذلك، يجب على العلماء اللجوء إلى تجارب يمكنها مراقبة هذه التصادمات بشكل مباشر. وتعمل تجربة "BESIII"، الموجودة في بكين بالصين، عند مستوى طاقة يجعلها مؤهلة بشكل فريد لمراقبة هذه الأحداث النادرة وهي تتكشف. فمن خلال تصادم الإلكترونات والبوزيترونات، تخلق الآلة وابلًا من الجسيمات، بما في ذلك البيونات المحايدة وحالات أخرى قصيرة العمر، مما يسمح للفيزيائيين بقياس كيفية تشكل هذه الجسيمات عند اصطدامها بفوتونين.

في هذا العمل الأخير، استخدم تعاون "BESIII" مجموعة ضخمة من بيانات التصادم لقياس عوامل الشكل الانتقالي الكهرومغناطيسي لعدة جسيمات خفيفة. وعامل الشكل الانتقالي هو في الأساس خريطة توضح كيف يتغير الهيكل الداخلي للجسيم عندما يصطدم به فوتون بطاقة محددة. ركز الفريق أولاً على البيون المحايد، وهو جسيم أساسي مكون من كوارك وكوارك مضاد. وباستخدام 2.93 فمتوبار (fb⁻¹) من بيانات التصادم، قاموا بقياس كيفية استجابة البيون لفوتون افتراضي واحد — وهو فوتون يوجد فقط للحظة عابرة أثناء التصادم — عبر نطاق من الطاقات المنخفضة. وكانت النتيجة قياسًا عالي الدقة يسد فجوة تركتها التجارب السابقة. وعند مقارنتها بالنظريات القائمة، توفر البيانات الجديدة اختبارًا صارمًا، مما يساعد في التمييز بين النماذج الرياضية المختلفة التي تحاول وصف القوة القوية. وتتوافق القياسات جيدًا مع بعض التنبؤات النظرية بينما تستبعد أخرى، مما يوفر مسارًا أوضح لحساب العزم المغناطيسي للميون.

وبعيدًا عن البيون المنفرد، بحث الباحثون أيضًا فيما يحدث عندما يتصادم فوتونان لإنتاج زوج من البيونات المحايدة. هذه العملية أكثر تعقيدًا لأنها تتضمن حالات وسيطة، أو رنينات مؤقتة، تعمل كخطوات انتقالية بين التصادم الأولي والجسيمات النهائية. قام الفريق بتحليل البيانات لعزل مساهمات جسيمات محددة، بما في ذلك الميزونات القياسية المعروفة باسم f0(500) وf0(980)، والميزون الموتري f2(1270). ومن خلال فرز البيانات بعناية بناءً على طاقة التصادم والزاوية التي تظهر بها الجسيمات، تمكنوا من عزل إشارات هذه الحالات قصيرة العمر. وقد سمح لهم ذلك باستخراج عوامل الشكل الانتقالي لهذه الجسيمات، مما أسفر عن أول قياس على الإطلاق لعامل الشكل الانتقالي للجسيم f0(500)، إلى جانب أكثر التقديرات دقة وأقلها طاقة في مستويات الطاقة المنخفضة لكل من f0(980) وf2(1270). وقد كشفت البيانات عن الهيكل الداخلي لهذه الجسيمات بدقة لم تتحقق من قبل، موضحين كيفية تفاعلها مع الضوء عند مستويات الطاقة المنخفضة.

إن أهمية هذه النتائج تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد فهرسة خصائص الجسيمات. إذ توفر القياسات الجديدة المدخل التجريبي الحاسم اللازم لصقل التنبؤات النظرية للعزم المغناطيسي الشاذ للميون. ومن خلال تقليل عدم اليقين في مساهمة تشتت الضوء بواسطة الهادرونات، يساعد هذا العمل في توضيح ما إذا كان التباين بين النظرية والتجربة ناتجًا عن فيزياء جديدة أو مجرد قصور في نماذجنا الحالية. لقد أثبت فريق "BESIII" أنه باستخدام مجموعات البيانات الكبيرة والتحليل الدقيق، من الممكن سبر الأغوار الداخلية لهذه الجسيمات بدقة غير مسبوقة. وبالتطلع إلى المستقبل، يخطط التجربة لاستخدام مجموعات بيانات أكبر لقياس عوامل الشكل لجسيمات أخرى، بما في ذلك f1(1285)، والذي من المتوقع أن يكون أكثر أهمية لحل لغز الميون. وتمثل هذه الجهود خطوة ثابتة ومنهجية نحو حل واحد من أكثر الأسئلة إثارة للاهتمام في فيزياء الجسيمات، مما يقرب المجتمع العلمي من فهم القوى الأساسية التي تشكل كوننا.