Search for heavy neutral leptons in top quark decays with same-sign, same-flavor dilepton final states in proton-proton collisions at = 13 TeV
باستخدام 138 fb من بيانات تصادمات بروتون-بروتون عند طاقة مركز الكتلة = 13 TeV التي جُمعت بواسطة كاشف CMS، تبحث هذه الدراسة عن لبتونات متعادلة ثقيلة من نوع مايورانا في اضمحلالات الكوارك القمي عبر حالات لبتون مزدوجة ذات إشارة ونوع متماثلين، وتضع حدوداً عليا بنسبة ثقة 95% على التفرعات الاحتمالية ذات الصلة دون ملاحظة فائض معتبر فوق خلفية النموذج القياسي.
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
على مدى عقود، عرف الفيزيائيون أن الكون ليس مكتملاً تماماً كما هو الآن. فالنموذج المعياري، وهو النظرية التي تصف الجسيمات والقوى الأساسية في الطبيعة، يعمل بدقة مذهلة، ومع ذلك فإنه يترك فجوة صارخة: لا يمكنه تفسير سبب امتلاك النيوترينوات -تلك الجسيمات الشبحية التي تتدفق عبر كل شيء في الكون- لكتلة. لقد افترض النموذج في الأصل أنها عديمة الوزن، لكن التجارب أكدت أنها ليست كذلك. يشير هذا التفاوت الضئيل إلى أن النموذج المعياري ليس سوى رؤية جزئية لواقع أعمق. ولملء هذه الفجوة، اقترح العلماء وجود ليبتونات متعادلة ثقيلة، وهي "أقارب" ضخمة للنيوترينوات المألوفة، والتي قد تحمل المفتاح لفهم سبب وجود المادة في الكون من الأساس. هذه الجسيمات الافتراضية تتنبأ بها نظريات توسع فهمنا الحالي، حيث تقدم آلية لتوليد الكتل الصغيرة التي نلاحظها في النيوترينوات العادية مع إخفاء نظائرها الأثقل عن أنظارنا.
في قلب هذا الغموض يكمن نوع محدد من الجسيمات الثقيلة التي تسلك سلوكاً مختلفاً عن المادة التي نعرفها. فبينما تمتلك الجسيمات العادية هويات متميزة تمنعها من التحول إلى صورها المرآتية، يُفترض نظرياً أن هذه الليبتونات المتعادلة الثقيلة هي جسيمات مضادة لنفسها. وإذا وجد مثل هذا الجسيم، فإنه سينتهك قاعدة أساسية في الطبيعة تُسمى "حفظ عدد الليبتون"، وهو مبدأ يحافظ عادةً على توازن عدد جسيمات معينة في كل تفاعل. إن العثور على دليل على هذا الانتهاك سيكون اكتشافاً هائلاً، يثبت أن الطبيعة تسمح بعمليات محظورة تماماً في كتبنا المدرسية الحالية. وسوف يؤكد ذلك وجود هذه الجسيمات الثقيلة وأنها يمكن أن تتحول بطرق لا تستطيع المادة العادية القيام بها، مما قد يفسر أصل عدم التوازن بين المادة والمادة المضادة في الكون.
للبحث عن هذه الجسيمات المراوغة، وجه الباحثون في مصادم الهادرونات الكبير في جنيف اهتمامهم إلى الكوارك العلوي (top quark)، وهو أثقل جسيم أولي معروف. في النموذج المعياري، يتحلل الكوارك العلوي تقريباً دائماً إلى كوارك سفلي وبوزون W، والذي يتفكك بعد ذلك إلى جسيمات أخف. ومع ذلك، إذا وجدت ليبتونات متعادلة ثقيلة، فقد يسلك الكوارك العلوي أحياناً مساراً مختلفاً، حيث يتحلل إلى كوارك سفلي، وليبتون مشحون مثل الإلكترون أو الميون، وأحد هذه الليبتونات المتعادلة الثقيلة. ثم يسافر هذا الجسيم الثقيل مسافة قصيرة قبل أن يتحلل بدوره، منتجاً ليبتونًا مشحوناً آخر وبوزون W. ولأن الجسيم الثقيل هو جسيم مضاد لنفسه، فإن الليبتون الثاني الذي ينتجه سيكون له نفس الشحنة الكهربائية لليبتون الأول. وهذا يخلق بصمة نادرة ومميزة: إلكترونان أو ميونان من نفس الشحنة، يظهران معاً في حدث تصادم واحد، مصحوبين برذاذ من جسيمات أخرى.
قام تعاون CMS، وهو فريق من آلاف العلماء الذين يديرون كاشفاً ضخماً في المصادم، بتحليل مجموعة هائلة من تصادمات بروتون-بروتون للعثور على هذا النمط المحدد. لقد فحصوا البيانات من عام 2016 إلى 2018، وهو ما يتوافق مع كمية هائلة من المعلومات المسجلة، بحثاً عن أحداث يظهر فيها جسيمان من نفس الشحنة والنوع جنباً إلى جنب مع نفاثات من الطاقة الناتجة عن تحلل الكواركات. التحدي هائل لأن ضجيج الخلفية الناتج عن تفاعلات الجسيمات العادية طاغٍ. معظم التصادمات تنتج أزواجاً من الجسيمات ذات شحنات متضادة، والعثور على جسيمين من نفس الشحنة يشير عادةً إلى خطأ في القياس أو عملية معروفة ونادرة. وللفصل بين الإشارة المحتملة وهذا الضجيج، استخدم الفريق خوارزمية حاسوبية متطورة مدربة على التعرف على الاختلافات الدقيقة في الطاقة والاتجاه بين تحلل جسيم ثقيل حقيقي وحدث خلفية قياسي.
بعد تطبيق معايير الاختيار الصارمة وتشغيل بياناتهم عبر أدوات التحليل الخاصة بهم، لم يجد الباحثون أي دليل على الليبتونات المتعادلة الثقيلة التي كانوا يبحثون عنها. تطابق عدد الأحداث التي رصدوها مع توقعات عمليات الخلفية العادية تماماً. لم يكن هناك فائض في أزواج الليبتونات ذات الشحنة المتماثلة يمكن عزوه إلى تحلل الكوارك العلوي إلى ليبتون متعادل ثقيل. كانت هذه النتيجة الصفرية بحد ذاتها اكتشافاً هاماً، حيث سمحت للعلماء بوضع حدود صارمة حول الأماكن التي قد تختبئ فيها هذه الجسيمات. لقد حددوا أنه إذا كانت هذه الجسيمات الثقيلة موجودة وتنتج في تحللات الكوارك العلوي، فيجب أن تكون نادرة للغاية، حيث تحدث أقل من مرة واحدة في كل بضعة عشرات الآلاف من تحللات الكوارك العلوي.
ركزت الدراسة على الليبتونات المتعادلة الثفيلة التي تتراوح كتلتها بين 20 و100 جيجا إلكترون فولت، وهو نطاق لم يتم استكشافه بدقة في قناة التحلل هذه من قبل. بالنسبة لجسيمات في هذا النطاق الكتلي، حسب الباحثون أن احتمال تحلل الكوارك العلوي إلى ليبتون متعادل ثقيل محدود بجزء صغير جداً. في حالة الإلكترونات، يحدث التحلل أقل من مرة واحدة في كل 20,000 إلى 90,000 من تحللات الكوارك العلوي، اعتماداً على كتلة الجسيم. أما بالنسبة للميونات، فإن الحد أكثر صرامة، حيث يحدث التحلل أقل من مرة واحدة في كل 40,000 إلى 270,000 تحلل. هذه الحدود هي الأكثر صرامة حتى الآن لهذا الأسلوب الإنتاجي المحدد، مما يستبعد فعلياً وجود هذه الجسيمات في هذا النطاق الكتلي إذا كانت تُنتج بمعدلات أعلى.
على الرغم من أن البحث لم يكتشف الجسيمات الثقيلة، إلا أنه قدم قطعة حاسمة من اللغز من خلال تضييق مساحة البحث. تخبرنا النتائج أنه إذا كانت هذه الليبتونات المتعادلة الثقيلة موجودة وتتفاعل مع الكواركات العليا بالطريقة التي تتنبأ بها النظرية، فيجب أن تكون أكثر مراوغة مما كان يُعتقد سابقاً. تتفق البيانات مع النموذج المعياري، مما يشير إلى أن الجسيمات الثقيلة، إذا كانت موجودة، لا تظهر في تحللات الكوارك العلوي بالوتيرة المطلوبة لتفسير لغز كتلة النيوترينو من خلال هذه الآلية المحددة وحدها. وهذا يدفع المنظرين إلى إعادة النظر في معاملات نماذجهم أو البحث عن هذه الجسيمات في قنوات إنتاج أخرى. ويقف هذا العمل كشهادة على دقة فيزياء الجسيمات الحديثة، حيث يكون غياب الاكتشاف بنفس أهمية الاكتشاف نفسه، مما يوجه المجتمع العلمي نحو الخطوات التالية لفهم اللبنات الأساسية للكون.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.