Multimuon Events from Cosmic Rays with the ALICE Detector
تحلل هذه الورقة 62.5 يوماً من بيانات الأشعة الكونية التي جمعتها تجربة ALICE بين عامي 2015 و2018 لدراسة أحداث الميونات المتعددة، حيث وجدت أنه بينما تكافح نماذج التفاعل الهادروني الحالية لوصف البيانات بشكل كامل، فإن نموذج QGSJET-II-04 هو الأفضل في إعادة إنتاج توزيع تعدد الميونات ومعدلات الأحداث ذات التعدد العالي تحت فرضية التركيب الأولي للحديد النقي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلف ولم يصادق عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعالي الأرض، يهطل مطر مستمر من الجسيمات غير المرئية من حافة الكون. هذه هي الأشعة الكونية، وهي في الغالب نوى ذرية تسافر بسرعة تقارب سرعة الضوء، تصطدم بالغلاف الجوي وتصدم جزيئات الهواء. وعندما تصطدم، تتفتت إلى شلال من الجسيمات الثانوية، مما يخلق زخات تنتشر عبر السماء. ومن بين هذه الشظايا توجد الميونات، وهي أقارب غير مستقرة للإلكترون يمكنها السفر عميقاً تحت الأرض قبل أن تتحلل. لطالما استخدم العلماء هذه الميونات كرسل لفهم طبيعة الأشعة الكونية الأصلية والفيزياء العنيفة التي تحدث عندما تصطدم بالغلاف الجوي. ومع ذلك، ظل هناك لغز مستمر يلوح في الأفق: النماذج القياسية المستخدمة للتنبؤ بكيفية تطور هذه الزخات غالباً ما تفشل في تفسير الانفجارات الهائلة والنادرة للميونات التي تصل معاً في مجموعات كبيرة. إن فهم هذه الأحداث أمر بالغ الأهمية لأنها تكشف ما إذا كانت نظرياتنا الحالية في فيزياء الجسيمات كاملة أم أن هناك شيئاً جوهرياً مفقوداً من صورتنا للكون.
في مصادم الهادونات الكبير في سويسرا، صُممت تجربة "أليس" (ALICE) بشكل أساسي لتحطيم الأيونات الثقيلة معاً لإعادة إنشاء ظروف الكون المبكر. ومع ذلك، بين عامي 2015 و2018، وبينما لم يكن المصادم يعمل، ظل الكاشف ساكناً تحت الأرض، حيث عمل كشبكة عملاقة للأشعة الكونية. مدفون على عمق 52 متراً تحت السطح، يحتمي التجربة بأطنان من الصخور التي تحجب جميع الجسيمات الأخرى تقريباً، مما يسمح فقط للميونات الأكثر طاقة بالوصول إلى غرف التتبع الحساسة في الداخل. خلال هذه الفترة، جمع الفريق بيانات لمدة 62.5 يوماً من وقت الرصد الفعلي. وقد ركزوا بشكل خاص على "أحداث الميونات المتعددة"، وهي لحظات نادرة تصل فيها أكثر من أربعة ميونات إلى الكاشف في وقت واحد. ومن خلال تحليل آلاف هذه الأحداث، هدف الباحثون إلى معرفة ما إذا كانت نماذج الكمبيوتر الحالية لزخات الأشعة الكونية يمكنها التنبؤ بدقة بمدى تكرار ظهور هذه المجموعات الكبيرة وعدد الميونات التي تحتوي عليها.
نظر الباحثون أولاً في توزيع أعداد الميونات، وفحصوا الأحداث التي تحتوي على ما بين أربعة وخمسين ميوناً. وقارنوا قياساتهم الواقعية بثلاثة محاكيات كمبيوتر مختلفة، كل منها يعتمد على نظرية مختلفة حول كيفية تفاعل الجسيمات في الغلاف الجوي. ولاختبار هذه النظريات، افترضت عمليات المحاكاة احتمالين متطرفين لتكوين الأشعة الكونية القادمة: إما أنها جميعاً بروتونات خفيفة أو أنها جميعاً نوى حديد ثقيلة. أظهرت النتائج انقساماً واضحاً؛ فالنماذج القائمة على البروتونات الخفيفة تنبأت باستمرار بعدد أقل بكثير من مجموعات الميونات عما رصده الكاشف بالفعل. ومع ذلك، عندما افترضت عمليات المحاكاة أن الأشعة الكونية مكونة من حديد ثقيل، فإن نموذجاً واحداً محدداً، يُعرف باسم QGSJET-II-04، طابق البيانات الواقعية بشكل ملحوظ. أما النموذجان الآخران، حتى مع افتراض وجود الحديد الثقيل، فقد توقعا عدداً قليទ្ធاً جداً من الميونات، وفشلا في إعادة إنتاج النمط المرصود. يشير هذا إلى أن النظريات القياسية لتفاعل الجسيمات تواجه صعوبة في وصف هذه الزخات ما لم تكن الأشعة الكونية القادمة ثقيلة وكان نموذج التفاعل مضبوطاً خصيصاً للتعامل معها.
كما بحث الفريق أيضاً في الأحداث الأكثر تطرفاً، تلك التي تحتوي على أكثر من مائة ميون، والتي أطلقوا عليها أحداث تعدد الميونات العالي. في بياناتهم التي بلغت 62.5 يوماً، سجلوا ثلاثة عشر حدثاً من هذا النوع، وكان أكبر انفجار منفرد يحتوي على 287 ميوناً. وهذا يترجم إلى معدل يبلغ حوالي حدث واحد ضخم كل 4.8 أيام. وعندما قارنوا هذا المعدل المرصود بمحاكاتهم، عززت النتائج الاستنتاج السابق. فالنموذج الذي يفترض تكويناً من الحديد الثقيل ويستخدم نظرية التفاعل QGSJET-II-04 تنبأ بمعدل يتوافق وثيقاً مع القياسات الفعلية. وفي المقابل، كان النموذج الذي يفترض بروتونات خفيفة يتنبأ بمعدل منخفض جداً بحيث لا يتناسب مع الواقع. كما أخفقت نماذج التفاعل الأخرى أيضاً، حيث تنبأ أحدها بمعدل منخفض للغاية لدرجة أنه غير متوافق إحصائياً مع البيانات. وتقدر طاقة الأشعة الكونية المسببة لهذه الانفجارات الضخمة بنحو 100 كوادريليون إلكترون فولت، وهي كمية هائلة من الطاقة تتركز في جسيم واحد.
في النهاية، تقدم الدراسة مؤشراً قوياً على أن الأشعة الكونية المسؤولة عن هذه الانفجارات النادرة وعالية التعدد من الميونات هي على الأرجح مكونة من عناصر ثقيلة مثل الحديد، بدلاً من البروتونات الخفيفة. وبينما لا تثبت البيانات بشكل قاطع تكوين جميع الأشعة الكونية، إلا أنها تشير بقوة إلى أن النماذج القياسية الحالية لفيزياء الجسيمات تتطلب تكويناً ثقيلاً لوصف سلوك هذه الزخات الجوية بشكل صحيح. إن نجاح نموذج QGSJET-II-04 في مطابقة البيانات، بينما فشلت النماذج الأخرى، يسلط الضوء على أن فهمنا لكيفية تفاعل الجسيمات عالية الطاقة في الغلاف الجوي لا يزال في طور التطور. لقد نجح كاشف "أليس"، القابع في أعماق الأرض، في التقاط هذه اللحظات العابرة من الكون، مقدماً رؤية واضحة تتحدى وتصقل خرائطنا النظرية للعالم دون الذري.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.