علماء فيزياء الجسيمات مجموعة فضوليين. هدفهم هو نموذج عملي وكامل للجسيمات والقوى التي يتكون منها الكون ، وهم يتابعون هذا الهدف بقوة لا يضاهيها سوى عدد قليل من المهن الأخرى.
ال النموذج القياسي للفيزياء هي نتيجة جهودهم ، وعلى مدار 25 عامًا أو نحو ذلك ، فقد وجهت تفكيرنا وفهمنا لفيزياء الجسيمات. أفضل أداة لدينا لدراسة الفيزياء بشكل أكبر هي مصادم هادرون كبير (LHC) ، بالقرب من جنيف ، سويسرا. وتشير بعض النتائج الحديثة والمثيرة للاهتمام من المصادم LHC إلى وجود جسيم مكتشف حديثًا.
مصادم الهادرونات الكبير هو أقوى مسرع للجسيمات في العالم. الصورة: سيرن
يحتوي LHC على أربعة أجهزة كشف منفصلة. اثنان منهم عبارة عن كاشفات 'للأغراض العامة' تسمى ATLAS و CMS. في العام الماضي ، أنتجت تجارب منفصلة في كل من مكشافات ATLAS و CMS أفضل ما يُسمى 'نتوء' في بياناتهم. في البداية ، كان الفريقان اللذان أجروا التجارب في حيرة من البيانات. لكن عند مقارنتها ، وجدوا أن النتوءات في بياناتهم كانت هي نفسها في كلتا التجربتين ، وألمحا إلى ما يمكن أن يكون نوعًا جديدًا من الجسيمات ، لم يتم اكتشافه من قبل.
تضمنت التجربتان ضرب البروتونات ببعضها البعض بسرعات شبه نسبية. أنتجت الاصطدامات فوتونات عالية الطاقة أكثر مما تتوقع النظرية. ليس أكثر من ذلك بكثير ، لكن الفيزياء هي مسعى مفصل ، لذا فإن الزيادة الطفيفة في كمية الفوتونات المنتجة تعد أمرًا مهمًا. في الفيزياء ، كل شيء يحدث لسبب ما.
لكي نكون أكثر تحديدًا ، سجل ATLAS و CMS نشاطًا متزايدًا عند مستوى طاقة يبلغ حوالي 750 جيجا إلكترون فولت (GeV). ما يعنيه هذا ، بالنسبة لجميع علماء الفيزياء من غير الجسيمات ، هو أن الجسيم الجديد يتحلل إلى فوتونين عند نقطة تصادم البروتون والبروتون. إذا كان الجسيم الجديد موجودًا ، فهذا هو.
جسيم جديد سيكون اكتشافًا ضخمًا. يصف النموذج القياسي جميع الجسيمات الموجودة في الطبيعة بشكل جيد. حتى أنها تنبأت بوجود نوع واحد من الجسيمات ، وهو هيغز بوسون ، قبل فترة طويلة من قيام المصادم LHC بالتحقق من وجوده بالفعل. سيكون اكتشاف نوع جديد من الجسيمات بمثابة أخبار مثيرة للغاية بالفعل ، ويمكن أن يكسر النموذج القياسي.
منذ أن تم إصدار هذه البيانات من التجارب في LHC العام الماضي ، كان عالم الفيزياء صاخبًا. تمت كتابة أكثر من 100 ورقة في محاولة لشرح ما قد تعنيه النتائج. لكن يلزم بعض الحذر.
أول شيء يفعله العلماء عندما يواجهون نتائج كهذه هو محاولة تحديد احتمالية أن تكون صدفة. إذا كانت تجربة واحدة فقط تحتوي على هذا النتوء في بياناتها ، فإن احتمال حدوثها بالصدفة يكون مرتفعًا جدًا. هناك العديد من الأسباب التي تجعل تجربة ما يمكن أن تكون لها نتيجة مثل هذه ، وهذا هو السبب في أن التكرار يمثل مشكلة كبيرة في العلم. ولكن عندما تحصل تجربتان منفصلتان منفصلتان على نفس النتيجة ، فإن آذان الناس تنبض بالحياة.
مرت بضعة أشهر منذ إجراء التجارب ، وفي ذلك الوقت ، حاول المجربون تحديد احتمال حدوث هذه النتائج بالصدفة. بعد العمل مع البيانات ، حدث شيء مضحك. ارتفعت أهمية الفوتونات الإضافية التي تم الكشف عنها بواسطة CMS ، بينما انخفضت أهمية الفوتونات الإضافية التي اكتشفها ATLAS. لقد ترك هذا بالتأكيد علماء الفيزياء في حيرة من أمرهم.
في ذلك الوقت أيضًا ، تسربت حوالي أربعة تفسيرات رئيسية للنتائج التجريبية إلى السطح. يقول أحدهم أن الجسيم الجديد ، إذا كان موجودًا ، يتكون من جسيمات أصغر ، على غرار الطريقة التي يتكون بها البروتون من الكواركات. يمكن أن تتماسك هذه الجسيمات الأصغر معًا بقوة غير معروفة. يعتقد بعض علماء الفيزياء النظرية أن هذا هو الأنسب للبيانات.
الاحتمال الآخر هو أن الجسيم الجديد هو نسخة أثقل من Higgs Boson. أثقل بحوالي 12 مرة. أو يمكن أن يكون بوزون هيغز نفسه مكونًا من جسيمات أصغر ، وهذا ما اكتشفته التجربة.
النموذج القياسي للجسيمات الأولية. الصورة: بقلم MissMJ - العمل الخاص بواسطة القائم بالتحميل ، PBS NOVA [1] ، Fermilab ، Office of Science ، وزارة الطاقة الأمريكية ، مجموعة بيانات الجسيمات ، CC BY 3.0
أو يمكن أن يكون مفترضًا كثيرًا جرافيتون ، الجسيم النظري الذي يحمل قوة الجاذبية. القوى الأساسية الأربعة في الكون هي الكهرومغناطيسية ، والقوة النووية الشديدة ، والقوة النووية الضعيفة ، والجاذبية. حتى الآن ، اكتشفنا الجسيمات التي تنقل كل تلك القوى ، باستثناء الجاذبية. إذا كان جسيمًا جديدًا تم اكتشافه ، وإذا ثبت أنه الجرافيتون ، فسيكون ذلك خبرًا هائلاً ومدهشًا للأرض. على الأقل لأولئك المتحمسين لفهم الطبيعة.
هذا كثير من 'ifs' بالرغم من ذلك.
هناك الكثير من الثغرات في معرفتنا بالكون ، والفيزيائيون حريصون على سد تلك الفجوات. قد يجيب اكتشاف جسيم جديد جيدًا على بعض الأسئلة الأساسية حول المادة المظلمة أو الطاقة المظلمة أو حتى الجاذبية نفسها. ولكن هناك الكثير من التجارب التي يتعين القيام بها قبل الإعلان عن وجود جسيم جديد.