تحلل الكاون النادر قد يحمل مفتاح الفيزياء الجديدة

في تجربة رائدة في سيرن، أصبح علماء فيزياء الجسيمات على وشك اكتشاف فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي. فقد نجحت تجربة NA62، التي قادها فريق من الباحثين بما في ذلك كريستينا لازيروني من جامعة برمنجهام، في رصد وقياس حدث تحلل جسيم نادر سعى العلماء منذ فترة طويلة إلى مشاهدته. الحدث؟ تحلل كاون مشحون إلى بيون مشحون ونيوترينو ونيوترينو مضاد - وهي قناة نادرة للغاية لدرجة أنها اكتسبت مكانة الحدث "الذهبي" في فيزياء الجسيمات.
على مدى أكثر من عقد من الزمان، ركز فريق NA62 على هذا النوع المحدد من الاضمحلال. وما يجعله مميزًا للغاية ليس فقط ندرته الشديدة ولكن أيضًا حقيقة أنه يتم التنبؤ به بدقة من خلال النموذج القياسي - أفضل تفسير حالي لكيفية تصرف الجسيمات والقوى الأساسية في الكون. ولكن في فيزياء الجسيمات، فإن الندرة هي ما يجعل بعض عمليات الاضمحلال لا تقدر بثمن لاستكشاف الفيزياء الجديدة. حتى أصغر انحراف عن تنبؤات النموذج القياسي يمكن أن يفتح الأبواب لعوالم غير معروفة من الفيزياء.
إن هذا التحلل النادر للكاون إلى بيون وزوج نيوترينو-نيوترينو مضاد، والذي يحدث فقط في حوالي 13 من أصل 100 مليار تحلل للكاون، يوفر اختبارًا حساسًا للفيزياء الجديدة. ومع ذلك، فقد استغرق الأمر سنوات من جمع البيانات وتحليلها، حيث قام الفيزيائيون بفرز عدد لا يحصى من تصادمات الجسيمات، لتأكيد هذا الحدث بأقصى قدر من الدقة. وكما لاحظ لازروني، فإن هذا الإنجاز في الفيزياء التجريبية هو نتيجة لجهد جماعي رائع وسنوات من التفاني.

الكاون: نافذة على القوى الأساسية
إن الكاونات، وهي الجسيمات التي تشكل جوهر هذه التجربة، تشكل فئة رائعة من الجسيمات دون الذرية. وهي تتألف من كوارك مرتبط بكوارك مضاد وتنتمي إلى عائلة معروفة بسلوكها الغريب ـ حرفياً. وتتمتع الكاونات بـ"غرابة"، وهي خاصية فريدة تجعلها ذات قيمة لا تقدر بثمن في فهم كيفية تصرف أنواع مختلفة، أو "نكهات"، من الكواركات تحت تأثير القوة القوية.
تنتج تجربة NA62 الكاونات بإطلاق بروتونات عالية الطاقة على هدف من البريليوم، مما يخلق شعاعًا ثانويًا من الجسيمات. حوالي 6٪ من هذه الجسيمات هي كاونات، لكن هذه الجسيمات عابرة، ولا توجد إلا لجزء من مائة مليون من الثانية قبل أن تتحلل. تؤدي معظم تحللات الكاون إلى ميون ونيوترينو، ولكن في هذا الحدث النادر بشكل لا يصدق، يتحلل الكاون إلى بيون ونيوترينو ونيوترينو مضاد - وهي عملية يتوسطها بوزون Z، أحد حاملي القوة الضعيفة.
إن هذا التحلل يشكل تحدياً استثنائياً للاكتشاف. فالتجربة لا تحاول حتى التقاط النيوترينوات أو النيوترينوات المضادة التي تتلاشى على الفور تقريباً بعد إنتاجها. وبدلاً من ذلك، تركز التجربة على رصد البيون، وهو جسيم مشحون، كعلامة واضحة على حدوث هذا التحلل النادر للكاون.

الطريق إلى الفيزياء الجديدة
إن الندرة والدقة المطلوبتين لقياس قناة الاضمحلال هذه تجعلها أداة قوية لاختبار النموذج القياسي. تظهر النتائج الحالية من NA62 عددًا من الاضمحلالات أعلى قليلاً من تنبؤات النموذج القياسي بـ 8.4 لكل 100 مليار، لكنها لا تزال ضمن حدود عدم اليقين المقبولة. في الوقت الحالي، تتوافق هذه النتائج مع النموذج القياسي. ومع ذلك، كما يوضح لازروني، فإن النموذج القياسي، على الرغم من نجاحاته، لا يأخذ في الاعتبار العديد من الألغاز الكونية، مثل المادة المظلمة أو اختلال التوازن بين المادة والمادة المضادة في الكون.
والأمل هو أنه مع قيام فريق NA62 بجمع المزيد من البيانات على مدى السنوات الثلاث المقبلة، سيتمكنون من العثور على انحرافات عن توقعات النموذج القياسي. وحتى التناقض الطفيف قد يشير إلى وجود جسيمات أو قوى جديدة قد تغير فهمنا للكون بشكل أساسي.
إن لازروني وفريقها متفائلون. تقول لازروني: "لقد كان النموذج القياسي جيدًا جدًا في التنبؤ بالملاحظات حتى الآن، لكننا نعلم أنه لابد وأن يكون به بعض العيوب. نتوقع ظهور فيزياء جديدة - ما هي بالضبط، إنها غير معروفة. ولكن بشكل عام، نتوقع وجود جسيمات وقوى جديدة".
قد توفر نتائج NA62 ذات يوم أدلة حاسمة لحل بعض أعظم ألغاز الكون. وفي حين لم تظهر أي فيزياء جديدة حتى الآن، فإن حقيقة أن تجربة NA62 تستكشف هذه المناطق غير المستكشفة تجعل المستقبل واعدًا بشكل لا يصدق. ومع وجود المزيد من البيانات في متناول اليد، قد يكشف الفريق قريبًا ما إذا كان هذا الاضمحلال النادر يشير إلى اكتشاف قوى وجسيمات جديدة يمكن أن تعيد تشكيل الفيزياء الحديثة.
وقد قدم الفريق هذه النتائج مؤخرًا في ندوة نظمتها منظمة سيرن، وهو ما يمثل علامة فارقة في بحثهم عن ما هو غير عادي في التحلل العادي للكاونات. وقد تكون السنوات القليلة القادمة حاسمة مع جمع المزيد من البيانات والاقتراب من إمكانية التوصل إلى فيزياء جديدة.

فصل جديد في فيزياء الجسيمات؟
إن هذا الإنجاز الذي حققه فريق لازروني يمثل خطوة مهمة في مجال فيزياء الجسيمات، حيث يفتح آفاقاً جديدة لفهم الكون. وبفضل التجارب المستمرة وجمع البيانات المستمر، ربما يكون العلماء على وشك اكتشاف ظواهر قد تتحدى أعمق افتراضاتنا العلمية.
لقد كانت الإمكانية المثيرة لاكتشاف "فيزياء جديدة" بمثابة مصدر إلهام لهذا المجال، والآن أصبحت تجربة NA62 التي أجرتها منظمة سيرن في طليعة هذا المسعى. يا لها من تجربة مثيرة!