Search for new physics with charm data at BESIII

إن الكون الذي نراه من حولنا مكون من المادة، ومع ذلك فإن قوانين الفيزياء التي تحكم الجسيمات الأصغر تشير إلى أن الانفجار العظيم كان ينبغي أن يخلق كميات متساوية من المادة والمادة المضادة، والتي كان من المفترض أن يفني بعضهما بعضًا على الفور. هذا التفاوت هو أحد الألغاز الكبرى غير المحلولة في العلم الحديث، إلى جانب لغز سبب امتلاك النيوترينوهات -وهي جسيمات شبحية تمر عبر كل شيء- لكتلة على الإطلاق. يصف "النموذج القياسي"، وهو أفضل خريطة لدينا حاليًا للعالم دون الذري، كيفية تفاعل الجسيمات، لكنه لا يستطيع تفسير هذه الفجوات. ولإيجاد القطع المفقودة، يبحث الفيزيائيون عن أحداث نادرة تبدو فيها القواعد وكأنها تُنتهك، مثل العمليات التي تنتهك حفظ العدد الليبتوني أو العدد الباروتوني. العدد الليبتوني هو تعداد لجسيمات خفيفة معينة مثل الإلكترونات، بينما يحصي العدد الباروتوني الجسيمات الأثقل مثل البروتونات والنيوترونات؛ وفي النموذج القياسي، يتم الحفاظ على هذه الأعداد بصرامة. إذا تمكن العلماء من ضبط جسيم يقوم بشيء يغير هذه الأعداد، أو إذا رأوا جسيمًا يتحول إلى نوع مختلف من الليبتونات دون وجود نيوترينو لموازنة الحسابات، فسيكون ذلك علامة واضحة على وجود فيزياء جديدة تتجاوز فهمنا الحالي.

في مصادم بكين للإلكترون والبوزيترون، وهو آلة تصدم الإلكترونات ونظيراتها من المادة المضادة معًا، جمعت تجربة (BESIII) مجموعة هائلة من البيانات من التصادمات التي تنتج "التشارمونيوم"، وهو جسيم ثقيل مكون من كوارك سحر (charm quark) وكوارك مضاد له. تعمل مجموعة البيانات هذه، التي تحتوي على مليارات الأحداث، كمجهر عالي الدقة للبحث عن هذه التحولات المحظورة. ركز الباحثون على ثلاثة مسارات رئيسية: البحث عن علامات تشير إلى أن النيوترينوهات هي جسيمات مضادة لنفسها، والبحث عن جسيمات تغير هويتها بطرق يحظرها النموذج القياسي، والتحقق مما إذا كانت جسيمات التشارمونيوم الثقيلة يمكن أن تتحلل عبر القوى الضعيفة بطرق مستحيلة عادةً. ومن خلال تحليل مليارات التصادمات هذه، تمكن الفريق من وضع أكثر الحدود صرامة حتى الآن على مدى تكرار حدوث هذه الأحداث الغريبة، مما أدى فعليًا إلى تضييق نطاق البحث عن نظريات جديدة.

في البحث عن انتهاك العدد الليبتوني، بحث الفريق عن عملية يتحلل فيها باريون ثقيل يسمى "باريون كاسكيد" إلى "باريون سيجما" أخف وثنائيات من الإلكترونات، وهو تفاعل من شأنه أن يعني أن النيوترينو هو جسيم "مايورانا"، أي أنه جسيم مضاد لنفسه. وباستخدام تقنية تعيد بناء الحدث من كلا جانبي التصادم لضمان الدقة، فحصوا أكثر من عشرة مليارات تصادم. لم يجدوا أي دليل على حدوث هذا التحلل. وبدلاً من العثور على إشارة، حسبوا أنه إذا حدث هذا التحلل، فيجب أن يحدث بمعدل أقل من مرتين في كل مائة ألف محاولة. وقد وسعوا هذا البحث ليشمل جسيمات أخرى، بما في ذلك الميزونات مثل "إيتا" و"أوميغا"، بحثًا عن تحللات مماثلة حيث يتحول جسيم متعادل إلى اثنين من البيونات واثنين من الإلكترونات. ومرة أخرى، لم تظهر أي إشارات، وحدد الباحثون أن هذه التحليات هي أندر، حيث تحدث بأقل من بضع مرات في المليون للميزونات الأخف، وأقل من مرتين في المليار للميزونات الأثقل.

كما اتجه البحث نحو انتهاك العدد الباروتوني، وتحديدًا البحث عن ظاهرة يتحول فيها "باريون لامدا" تلقائيًا إلى توأمه من المادة المضادة، وهو "أنتي-لامدا"، ويعود مرة أخرى. هذا التذبذب يكسر القاعدة التي تقضي بأن المادة والمادة المضادة متميزتان ومحفوظتان بشكل منفصل. حلل الفريق نفس المجموعة الضخمة من بيانات التصادمات للعثق عن أحداث تشير إلى حدوث مثل هذا الانقلاب. وجدوا صفر حالات لحدوث ذلك. وبناءً على غياب أي إشارة، حددوا أنه إذا كان هذا التذبذب يحدث، فيجب أن يحدث أقل من مرة واحدة في كل مليون محاولة. وتضع هذه النتيجة حدًا جديدًا وأكثر صرامة لمدى سرعة حدوث مثل هذا التحول، مما يدفع الحد الأدنى للوقت المطلوب للانقلاب ليكون أطول من ثلاثة أعشار الميكروثانية، وهو مقياس زمني سريع للغاية ولكنه لا يزال بعيدًا جدًا عما يسمح به النموذج القياسي.

كما استقصت التجربة انتهاك نكهة الليبتون المشحون، وهي عملية يتحلل فيها جسيم ثقيل إلى نوعين مختلفين من الليبتونات المشحونة، مثل إلكترون وميون، دون وجود شركاء النيوترينو المعتادين. في النموذج القياسي، تعتبر الإلكترونات والميونات عائلات متميزة لا تختلط بهذه الطريقة. بحث الباحثون عن هذا الاختلاط في تحلل جسيم "بساي 3686" وفي تحللات ميزونات "إيتا" و"إيتا-برايم". وفي حالة "بساي 3686"، رصدوا عددًا قليلًا من الأحداث المرشحة، لكن العدد كان متسقًا مع ما هو متوقع من ضجيج الخلفية العشوائي وليس إشارة حقيقية. أما بالنسبة لميزونات "إيتا" و"إيتا-برايم"، فقد أظهرت البيانات عدم وجود أي فائض في الأحداث على الإطلاق. وبناءً على ذلك، خلص الفريق إلى أن هذه التحليات المغيرة للنكهة نادرة للغاية، حيث تحدث أقل من مرة واحدة في كل عشرة ملايين إلى عشرة مليارات محاولة، اعتمادًا على الجسيم المحدد. وهذه الحدود أضيق بكثير من القياسات السابقة، مما يستبعد فعليًا العديد من النماذج النظرية التي توقعت أن تكون هذه التحليات أكثر شيوعًا.

أخيرًا، بحث الفريق عن التحللات الضعيفة للتشارمونيوم التي تتضمن تغييرًا في نكهة "الكوارك السحر"، وهي عملية مكبوتة بشدة في النموذج القياسي ولكن يمكن تعزيزها بواسطة فيزياء جديدة. بحثوا عن تحليات يتحول فيها التشارمونيوم إلى "ميزون دي" وجسيمات أخرى، أو حيث ينبعث منه فوتون أو زوج من الميونات. وعبر جميع القنوات التي فحصوها، من تلك التي تتضمن "ميزون دي" و"ميزون رو" إلى تلك التي تتضمن "ميزون دي" وإلكترون، لم يتم العثًور على أي إشارات ذات دلالة. وضع الباحثون حدودًا عليا لمدى حدوث هذه التحليات، ووجدوا أنها تحدث بأقل من بضع مرات في كل عشرة ملايين إلى عشرة مليارات محاولة. توفر هذه النتائج خريطة شاملة للمكان الذي لا تختبئ فيه الفيزياء الجديدة، مما يجبر المنظرين على صقل نماذجهم لتتناسب مع هذه القيود الصارمة المتزايدة.

إن العمل الذي قام به تعاون (BESIII) لا يكشف عن جسيم جديد أو قانون طبيعة مكسور، ولكنه يقوم بشيء لا يقل أهمية للعلم: إنه يرسم حدودًا أكثر دقة لما هو ممكن. باستخدام أكبر عينات بيانات "التشارم" في العالم، أظهر الفريق أن الكون أكثر طاعة للنموذج القياسي مما كان يُعتقد سابقًا، على الأقل في هذه المسارات المحددة. إن غياب الإشارات هو نتيجة قوية، حيث إنه يلغي مجموعة واسعة من الاحتمالات النظرية ويوجه البحث المستقبلي نحو الزوايا القليلة المتبقية حيث قد لا تزال الفيزياء الجديدة في انتظار الاكتشاف. ومع جمع المزيد من البيانات، ستستمر هذه الحدود في الضيق، إما من خلال الكشف عن صدع في النموذج الحالي أو بدفع البحث عن الفيزياء الجديدة إلى حدود أكثر تطرفًا.