الفيزيائيون يخططون لاقتناص بوزونات هيغز المزدوجة

بقلم: أدريان تشو Adrian Cho

ترجمة: مي منصور بورسلي

صورة: الكاشف العملاق CMS في مُصادم الهادرون الكبير LHC سيبحث عن أحداث إنتاج أزواج جسيمات هيغز

 يُعدّ اكتشاف بوزون هيغز Higgs Boson بالنسبة إلى علماء فيزياء الجسيمات المتلهفين لاستكشاف آفاق جديدة، انتصارًا حلوًا ومُرًّا في الوقت نفسه. إذ ملأ الجسيم الذي طال البحث عنه بعد اكتشافه في عام 2012 في أكبر مُحطّم ذرة في العالم، مصادمَ الهادرون الكبير Large Hadron Collider (اختصارًا: المُصادم LHC)، الفجوة الأخيرة في النموذج القياسي Standard Model للجسيمات والقوى الأساسية. ولكن منذ ذلك الحين، صمد النموذج القياسي أمام كل اختبار، ولم يُقدّم أي دليل على وجود فيزياء جديدة. والآن، قد يجد بوزون هيغز لذاته منفذًا من الطريق المسدود. إذ يعتزم العلماءالفيزياء التجريبية في مصادم LHC في مختبر سيرن CERN المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات بالقرب من جنيف في سويسرا، البحث عن التصادمات التي ينتج عنها زوج من بوزون هيغز وليس واحد فقط. ويمكن أن يُشير إيجاد المزيد من هذه الأحداث النادرة لبوزونات هيغز المزدوجة Double-Higgs وغير المتوقعة  إلى وجود جسيمات أو قوى خارج النموذج القياسي. وربما قد يساعد هذا أيضًا على تفسير اختلال توازن المادة Matter وضديد المادة Antimatter في الكون.

    وتقول سالي داوسون Sally Dawson، وهي عالمة نظرية من مختبر بروكهافن الوطني Brookhaven National Laboratory في أبتون بنيويورك، ومُنظِّمة ورشة عمل الأسبوع الماضي في مختبر فيرمي الوطني لمُسرّع الجسيمات Fermi National Accelerator Laboratory (اختصارًا: فيرميلابFermi Lab ) في باتافيا بولاية إلينو:، حيث اجتمع أكثر من مئة عالم فيزياء لصقل الأدوات المفاهيمية اللازمة للبحث الطويل: “هذا هو الموضوع الكبير القادم.”

 ويؤدي بوزون هيغز دورًا خاصًا في النموذج القياسي، الذي يصف الكيفية التي تتفاعل بها اثنا عشر نوعًا من الجسيمات خلال ثلاث قوى: الكهرومغناطيسية Electromagnetism، والقوى النووية الضعيفة Weak Nuclear Force، والقوى القوية Strong Nuclear Force. (الجاذبية Gravity غير مشمولة في النظرية، وهذا إخفاق كبير.) وتنشأ القوى في النموذج عن تناظرات رياضياتية معينة. ولكن هذه الرياضيات تعمل فقط في حال عدم اكتساب الجسيمات للكتلة Mass في البداية. لذا يجب أن تظهر الكتلة بطريقة ما من خلال التفاعلات التي تحدث بين الجسيمات عديمة الكتلة ذاتها.

وهنا يأتي دور جسيم هيغز. إذ يفترض الفيزيائيون أنّ الفضاء يحتوي على حقل هيغز Higgs Field- كما الحقل الكهربائي – ناتجًا من بوزون هيغز كامِنًا في الفراغ. وتتفاعل الجسيمات مع الحقل لاكتساب الطاقة وكذلك، من خلال معادلة آلبرت آينشتاين Albert Einstein الشهيرة، E = mc².

وقد اكتسبت آلية هيغز هذه قبل 6 سنوات دعما كبيرا بفعل الصدى الذي تحقق عندما فجّر علماء الفيزياء التجريبية الذين يعملون مع اثنين من أكبر كواشف الجسيمات التي يغذيها مُصادم LHC، جهاز الكاشف الحلقي لمصادم الهادرون الكبير Toroidal LHC Apparatus (اختصارًا: أطلس ATLAS) وكاشف مِلَف الميون اللولبي المضغوط Compact Muon Solenoid (اختصارًا: الكاشف CMS)، جسيما عابرا يزن 133 بروتونًا. وهو يتحلل بالطرق التي يُفترض أن يتحلل فيها جسيم هيغز – على سبيل المثال، إلى زوج من الفوتونات. ولكن علماء الفيزياء غير متأكدين أنّ ما رصدوه هو بوزون هيغز وفق النموذج القياسي أم شيء مختلف قليلا.

وتَعِدُّ أحداث جسيمات هيغز المزدوجة بطريقة للتأكيد على ذلك، من خلال الكشف عن مدى تفاعل حقل هيغز ذاتيًا. وبينما يتلاشى الحقل الكهربائي في حال افتقاره للشحنة، فعلى حقل هيغز أن يكون موجودًا دائمًا في الفراغ، وإلا فسيكون عاجزًا عن نقل الكتلة إلى الجسيمات الأخرى. إذ يفترض النموذج القياسي أنّ ذلك يحصل مع حقل هيغز المُتفاعِل ذاتيًا بحيث تنقص طاقته عن طريق اكتساب قوة غير صفرية، وليس عن طريق التلاشي كما الحقل الكهربائي.

هناك العديد من الطرق لتدبير مثل هذا المعادلة رياضياتيا، إذ يستخدم النموذج القياسي أبسطها، وذلك بالتحكم في عامل متغير واحد فقط. وبدوره، يتنبأ هذا العامل المتغير بمعدل ظهور أزواج جسيم هيغز في تصادمات الجسيمات؛ مما يعطي الفيزيائيين وسيلة لاختبار النموذج القياسي.

والتحدي هو اقتناص الانحلالات النادرة. إذ يتنبأ النموذج القياسي بأنه مقابل كل 10 آلاف تصادم بروتون- بروتون الذي ينتج منه بوزون هيغز واحد في المُصادم LHC، ينتج زوج واحد من ستة تصادمات تقريبًا. وحينما ينتج من أحداث أزواج جسيم هيغز وابل فوضويٍ من جسيمات أخرى، يكون التعرف عليها صعبًا أكثر. وقد أنتج مصادم  LHC على الأرجح نحو ألف حدث لأزواج جسيم هيغز، لكن لا يمكن لكاشف أطلس ATLAS و CMS أن يقتربا بعد من تمييز إشارة صادرة من الخلفية.

 ومع ذلك يقول علماء الفيزياء التجريبية المشتغلين في مُصادم LHC إنهم متفائلون بشأن فرصهم، خاصة وتقنياتهم في اكتشاف بوزون هيغز تتحسن. وقد أعلنوا في الشهر الماضي أنهم رصدوا دليلاً على اكتشاف حالة اضمحلال فوضوي بشكل خاص، حيث نتج عن انحلال جسيم هيغز زوج من الجسيمات الضخمة تسمى الكواركات القعرية Bottom Quarks، كما ينبغي أن يحدث فيما يقرب من 60% من جميع حالات الانحلال. وهذا يبشر بالخير لعمليات البحث عن جسيمات هيغز المزدوجة لأنها تعتمد على انحلال جسيم هيغز واحد على الأقل في الزوج بهذه الطريقة الأكثر احتمالًا.

وقد تحتاج تجارب مُصادم LHC إلى سنوات لترى أوّل إشارة. وفي وقت لاحق من هذا العام، سيتوقّف العمل في مُصادم LHC لمدة عامين لإجراء التحسينات. وفي عام 2026، سوف يخضع المصادم لفترة انقطاع أخرى تمتد إلى عامين لتعزيز معدل التصادم. وبعدها سيعمل ما يسمى مُصادم الهادرون الكبير شديد السطوع High-Luminosity LHC حتى عام 2034. ونظريًا، سيوفر التشغيل الكامل فقط بيانات كافية للتحقق من صحة تنبؤ النموذج القياسي. ومع ذلك، يعتقد بعض علماء الفيزياء أنهم قادرون على استباق الجدول الزمني، إذ تستمر خوارزميات تحديد جسيمات هيغز في التحسن. وتقول كاترينا فيرنييري Caterina Vernieri، عضوة بمختبر كاشف CMS في فيرميلاب: “حتى قبل مُصادم LHC  شديد السطوع، أعتقد أنه يمكننا الاقتراب من تنبؤ النموذج القياسي.”

 وبالطبع، يأمل جميع العلماء التجريبيين في مختبر مصادم LHC أن يتجاوز معدل أحداث جسيمات هيغز المزدوجة تنبؤ النموذج القياسي. ولا يمكن أن تكون عالية جدًا وإلا فستواجه قيوداً غير مباشرة من انحلالات هيغز المرصودة، كما تقول إليني فريونيدو Eleni Vryonidou، الباحثة النظرية في مختبر سيرن. ومع ذلك، فيمكن أن يصل معدل جسيمات هيغز المزدوجة إلى ستة أضعاف معدل تنبؤ النموذج القياسي، حسب تقديرها.

وسوف يشير مثل هذا التعزيز إلى حقل هيغز المتفاعل بقوة ذاتيًا. وقد يلفت النظر أيضًا إلى جسيمات جديدة عابرة تميل إلى الاضمحلال إلى جسيمات هيغز، مثل شريكات هيغز الأثقل التي تنبأت بها العديد من ملحقات النموذج القياسي. وتقول مارسيلا كارينا Marcela Carena، وهي باحثة نظرية في فيرميلاب: “قد يكون لهذا الأمر آثارٌ تتجاوز حدود فيزياء الجسيمات.” ولا يعرف الفيزيائيون كيف انتهى المطاف بامتلاء الكون المبكر بمادة أكثر من ضديداتها. ولكن كارينا تقول إنّ الظهور المفاجئ لحقل هيغز المتفاعل بقوة ذاتيًا ربما يُعيّن سبب اختلال التوازن.

وحتى إن لم يتحدَ معدل أحداث جسيمات هيغز المزدوجة توقعات النموذج القياسي، فإنّ السعي إلى إحصائها سيؤتي ثماره بسخاء، كما تقول كاثرين ليني Katharine Leney، الباحثة التجريبية من مختبر الكاشف أطلس ATLAS بجامعة يونيفيرسيتي كوليج لندن University College London. وتُضيف قائلة: “إن ما يدفع الكثير من الأشخاص، بما في ذلك أنا، هو القدرة على القول مرة واحدة وإلى الأبد، باللهِ، أما أن يكون ذلك جسيمَ هيغز من النموذج القياسي أو لا يكون.”

Ósciencemag.org