Search for the rare decay
باستخدام عينة تبلغ حوالي 10 مليارات حدث من جُمعت بواسطة كاشف BESIII، بحث الباحثون عن التحلل النادر ، ولم يجدوا إشارة معنوية، ووضعوا حداً أقصى جديداً لكسر هذا التحلل قدره عند مستوى ثقة 90%، مما يحسن الحدود السابقة بأكثر من أربعة أضعاف.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم ما دون الذرة، لا تُعد الجسيمات مجرد لبنات بناء صغيرة فحسب؛ بل هي أيضاً رسل القواعد الأكثر جوهرية في الكون. ومن بين هذه القواعد هي التناظرات — أنماط خفية تملي كيفية سلوك الجسيمات وتحولها. إحدى هذه القواعد هي "ترافق الشحنة"، أو تناظر (C)، والذي يتساءل جوهرياً: إذا استبدلت كل جسيم في تفاعل ما بقرينه من المادة المضادة، فهل ستبدو قوانين الفيزياء هي نفسها تماماً؟ بالنسبة لمعظم العمليات اليومية، تكون الإجابة نعم. ومع ذلك، لطالما اشتبه الفيزيائيون في أن الطبيعة قد تكسر هذه القاعدة أحياناً بطرق محددة ونادرة للغاية. إن العثور على مثل هذا الكسر سيكون اكتشافاً هائلاً، يشير إلى فيزياء جديدة تتجاوز فهمنا الحالي للكون.
يقع جسيمان، "إيتا" (eta) و"إيتا-برايم" (eta-prime)، في قلب هذا التحقيق. وهذان الجسيمان متعادلان، مما يعني أنهما لا يحملان شحنة كهربائية، ويتكونان من مزيج من الكواركات، وهي المكونات الأساسية للمادة. وبسبب تكوينهما الفريد وقوانين الحفظ الصارمة التي تحكمهما، يُتوقع أن يتحلل هذان الجسيمان بطرق يمكن التنبؤ بها بدقة. وإذا تحللا إلى ثلاثة فوتونات — وهي جسيمات الضوء — بدلاً من الفوتونين المعتادين، فسيشير ذلك إلى انتهاك لتناظر (C). إن حدثاً كهذا مستبعد جداً بموجب نظرياتنا الحالية، لدرجة أن العثور عليه سيكون كالعثور على حبة رمل محددة وسط شاطئ شاسع، ومع ذلك، فإن هذا النوع من البحث عن "إبرة في كومة قش" هو ما يدفع عجلة الفيزياء الجسيمية الحديثة.
لقد اتخذ فريق من الباحثين من تعاون "بي إس آي 3" (BESIII) الآن خطوة ضخمة في هذا البحث. فباستخدام كاشف جسيمات عملاق يقع في معهد الفيزياء عالية الطاقة في بكين، قاموا بتحليل مجموعة بيانات هائلة تحتوي على أكثر من عشرة مليارات تصادم للإلكترونات والبوزيترونات. هذه التصادمات، التي تحدث في منشأة تسمى "بي إي سي 2 آي" (BEPCII)، تنتج دفقاً من الجسيمات، بما في ذلك ميزون "جي/ساي" (J/psi). ركز الباحثون على سلسلة محددة من الأحداث: تحلل ميزون "جي/ساي" إلى فوتون وجسيم "إيتا-برايم"، يليه تحلل جسيم "إيتا-برايم" نفسه إلى ثلاثة فوتونات. ولرصد هذا الحدث النادر، كان على الفريق فحص جبل من البيانات، بحثاً عن بصمة محددة للغاية: انفجار طاقة من ثلاث ومضات ضوئية متميزة، مع عدم وجود أي جسيمات مشحونة أخرى في المزيج النهائي.
كان التحدي هائلاً. فالكاشف، وهو أسطوانة معقدة مليئة بالأجهزة الحساسة، يسجل ترسبات الطاقة من الجسيمات التي تمر عبره. وكان على الفريق تصفية مليارات الأحداث الخلفية التي يمكن أن تحاكي إشارتهم، مثل الحالات التي يتحلل فيها جسيم إلى فوتونين ويحدث أن يتم رصد فوتون ثالث غير مرتبط بهما في مكان قريب. استخدموا محاكاة حاسوبية متطورة لفهم كيفية استجابة الكاشف لكل من الإشارة التي يبحثون عنها والضجيج الذي قد يحجبها. ومن خلال تطبيق فلاتر صارمة على توقيت وطاقة ومضات الضوء، وبالتحقق من أن الكتلة الإجمالية للفوتونات الثلاثة تطابق الكتلة المعروفة لجسيم "إيتا-برايم"، نجحوا في تضييق النطاق إلى عدد يمكن التحكم فيه من المرشحين.
بعد إجراء تحليلهم، لم يجد الباحثون أي دليل على التحلل النادر الذي كانوا يبحثون عنه. لم تظهر البيانات أي ارتفاع ملحوظ في عدد أحداث الفوتونات الثلاثة التي يمكن عزوها إلى كسر قواعد "إيتا-برايم". وبدلاً من ذلك، كانت النتائج متوافقة مع التقلبات العشوائية للخلفية. إن غياب الإشارة هو، في حد ذاته، نتيجة قوية؛ فقد سمح ذلك للفريق بوضع حد جديد وأكثر صرامة لمدى تكرار هذا التحلل المحظور. لقد حددوا أنه إذا حدث هذا التحلل، فإنه يحدث بمعدل أقل من 2.25 مرة لكل 100,000 جسيم "إيتا-برايم" يتم إنتاجه. وهذا الحد الأعلى الجديد هو أكثر صرامة بأكثر من أربعة أضعاف من أفضل قياس سابق، مما يدفع فعلياً حدود ما هو ممكن في عالم ما دون الذرة.
إن تداعيات هذه النتيجة الصفرية مهمة للسعي الأوسع لفهم الكون. فمن خلال استبعاد التحلل عند هذا المستوى من الحساسية، تضع الدراسة قيوداً صارمة على النظريات التي تتنبأ بمصادر جديدة لانتهاك التناظر. فإذا كانت هناك فيزياء جديدة تسمح لـ "إيتا-برايم" بالانقسام إلى ثلاثة فوتونات، فلا بد أن تكون أكثر مراوغة مما كان يُعتقد سابقاً. إن عمل الباحثين هو شهادة على قوة الصبر والدقة في العلم؛ فمن خلال النظر في عشرة مليارات حدث والعثور على لا شيء، نجحوا في إزالة طبقة من عدم اليقين، مما يقربنا خطوة من صورة كاملة لكيفية عمل القوى الأساسية في الطبيعة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.