الفيزيائيون يكتشفون جسيما لم يسبق له مثيل

اكتشف باحثون جسيما جديدا قريبا مغناطيسيا لبوزون هيغز. وفي حين أن اكتشاف بوزون هيغز يتطلب قوة هائلة لتسريع الجسيمات لمصادم الهادرون الكبير (LHC)، عثر على هذا الجسيم.

وأطلق عليه اسم بوزون هيغز المحوري، واكتشف باستخدام تجربة يمكن وضعها على سطح مطبخ صغير.

وبالإضافة إلى كونه الأول في حد ذاته، فإن ابن العم المغناطيسي لبوزون هيغز – الجسيم المسؤول عن منح الجسيمات الأخرى كتلتها – يمكن أن يكون مرشحا للمادة المظلمة.

وقال كينيث بورش، أستاذ الفيزياء في كلية بوسطن وكبير الباحثين في الفريق الذي توصل إلى الاكتشاف: “لا تجد كل يوم جسيما جديدا يجلس على سطح الطاولة”.

ويختلف بوزون هيغز المحوري عن بوزون هيغز، الذي اكتشف لأول مرة بواسطة كاشفات ATLAS وCMS في LHC منذ عقد مضى في عام 2012، لأنه يحتوي على لحظة مغناطيسية، وقوة مغناطيسية أو اتجاه ينتج عنه مجال مغناطيسي. وعلى هذا النحو، فإنه يتطلب نظرية أكثر تعقيدا لوصفها من نظريتها غير المغناطيسية التي تمنح الكتلة.

وفي النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، تظهر الجسيمات من مجالات مختلفة تتخلل الكون، وتشكل بعض هذه الجسيمات القوى الأساسية للكون. وعلى سبيل المثال، تتوسط الفوتونات في الكهرومغناطيسية، وتتوسط الجسيمات الضخمة المعروفة باسم بوزونات W وZ القوة النووية الضعيفة، التي تتحكم في الانحلال النووي عند المستويات دون الذرية. وعندما كان الكون فتيا وساخنا، كانت الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة شيئا واحدا وكانت كل هذه الجسيمات متطابقة تقريبا. وعندما يبرد الكون، تنقسم القوة الكهروضعيفة، ما يتسبب في اكتساب البوزونات W وZ كتلة والتصرف بشكل مختلف تماما عن الفوتونات، وهي عملية أطلق عليها علماء الفيزياء “كسر التناظر”.

ولكن كيف بالضبط أصبحت هذه الجسيمات الوسيطة ضعيفة القوة ثقيلة جدا؟

اتضح أن هذه الجسيمات تفاعلت مع مجال منفصل، يُعرف باسم مجال هيغز. وأدت الاضطرابات في هذا المجال إلى ظهور بوزون هيغز وأعارت بوزون W وZ ثقلهما.

ويتم إنتاج بوزون هيغز في الطبيعة عندما ينكسر مثل هذا التناظر. وقال بورتش: “مع ذلك، عادة ما يتم كسر تماثل واحد فقط في كل مرة، وبالتالي يتم وصف هيغز فقط من خلال طاقتها. وفي حالة بوزون هيغز المحوري، يبدو أن العديد من التناظرات مقطوعة معا، ما يؤدي إلى شكل جديد من النظرية ووضع هيغز [التذبذبات المحددة لحقل كمي مثل حقل هيغز] الذي يتطلب معلمات متعددة لوصفه: على وجه التحديد، الطاقة والزخم المغناطيسي”.

وأوضح بورتش، الذي وصف مع زملائه ابن عم هيغز المغناطيسي الجديد في دراسة نُشرت يوم الأربعاء (8 يونيو) في مجلة Nature، أن بوزون هيغز الأصلي لا يقترن مباشرة بالضوء، ما يعني أنه يجب إنشاؤه عن طريق تحطيم الجسيمات الأخرى. إلى جانب المغناطيسات الهائلة والليزر عالي الطاقة مع تبريد العينات أيضا إلى درجات حرارة شديدة البرودة. كما أن تحلل تلك الجسيمات الأصلية إلى أجزاء أخرى هو الذي يظهر بشكل عابر للوجود والذي يكشف عن وجود هيغز.

ومن ناحية أخرى، نشأ بوزون هيغز المحوري عندما تحاكي المواد الكمومية في درجة حرارة الغرفة مجموعة معينة من التذبذبات، تسمى وضع هيغز المحوري. ثم استخدم الباحثون تشتت الضوء لمراقبة الجسيمات. ووجد بوزون هيغز المحوري باستخدام تجربة بصريات منضدية توضع على طاولة قياسها حوالي 1 × 1 متر من خلال التركيز على مادة ذات مجموعة فريدة من الخصائص. وعلى وجه التحديد، استخدم ترايتلوريد الأرض النادرة (RTe3) [مادة كمومية ذات بنية بلورية ثنائية الأبعاد للغاية]. والإلكترونات في RTe3 تنظم نفسها في موجة حيث يتم تعزيز كثافة الشحنة أو تقليلها بشكل دوري.

ويمكن تعديل حجم موجات كثافة الشحنة هذه، والتي تظهر فوق درجة حرارة الغرفة، بمرور الوقت، ما ينتج عنه وضع هيغز المحوري.

وفي الدراسة الجديدة، أنشأ الفريق وضع هيغز المحوري عن طريق إرسال ضوء ليزر من لون واحد إلى بلورة RTe3. وتبعثر الضوء وتغير إلى لون ذي تردد أقل في عملية تُعرف باسم تشتت رامان، وأنتجت الطاقة المفقودة أثناء تغيير اللون وضع هيغز المحوري. وقام الفريق بعد ذلك بتدوير البلورة ووجدوا أن وضع هيغز المحوري يتحكم أيضا في الزخم الزاوي للإلكترونات، أو معدل تحركها في دائرة، في المادة ما يعني أن هذا الوضع يجب أن يكون مغناطيسيا أيضا.

وكان علماء فيزياء الجسيمات قد تنبأوا سابقا بوضع هيغز المحوري، بل واستخدموه لشرح المادة المظلمة، لكن هذه هي المرة الأولى التي يتم ملاحظتها فيها. وهذه أيضا هي المرة الأولى التي يلاحظ فيها العلماء حالة ذات تناظرات متعددة مكسورة.

ويحدث كسر التناظر عندما يصبح النظام المتماثل الذي يظهر كما هو في جميع الاتجاهات غير متماثل. وتقترح جامعة أوريغون التفكير في هذا على أنه عملات معدنية دوارة لها حالتان محتملتان. وحقيقة أن كسر التناظر المزدوج لا يزال يتوافق مع نظريات الفيزياء الحالية أمر مثير، لأنه يمكن أن يكون طريقة لتكوين جسيمات غير مرئية حتى الآن يمكن أن تفسر المادة المظلمة.