يقع كاشف Muon Solenoid Detector على عمق 100 متر تحت الأرض على الحدود الفرنسية السويسرية في CERN ويقوم بجمع البيانات من مصادم الهادرونات الكبير. يعمل الكاشف منذ عام 2010 ويستخدمه أكبر التعاون العلمي الدولي في التاريخ لدراسة القوانين الأساسية للطبيعة. مصدر الصورة: برايس، ماكسيميليان: CERN
بعد قياس غير متوقع بواسطة كاشف مصادم تجربة فيرميلاب (CDF) في عام 2022، أعلن الفيزيائيون في تجربة الملف اللولبي المضغوط للميون (CMS) في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) اليوم عن قياس كتلة جديد لإحدى قوى الطبيعة، بوزون W. – الجسيمات الحاملة.
هذا القياس الجديد هو الأول لتجربة CMS التي تستخدم تقنية جديدة، مما يجعلها التحقيق الأكثر شمولاً لكتلة بوزون W حتى الآن. وبعد ما يقرب من عقد من البحث، يجد نظام إدارة المحتوى تتوافق كتلة بوزون W مع التوقعات، مما يضع نهاية لسنوات من الغموض.
استخدم التحليل النهائي 300 مليون حدث تم جمعها من تشغيل LHC عام 2016 و4 مليارات حدث محاكاة. ومن مجموعة البيانات هذه، أعاد الفريق بناء وقياس الكتل من أكثر من 100 مليون بوزون واط.
ووجدوا أن كتلة بوزون W تبلغ 80,360.2 ± 9.9 ميجا إلكترون فولت (MeV)، وهو ما يتوافق مع تنبؤ النموذج القياسي بـ 80,357 ± 6 ميجا إلكترون فولت. كما أجروا تحليلًا منفصلاً عبر اختبار الفرضيات النظرية.
وقالت باتي ماكبرايد، العالمة المتميزة في مختبر فيرمي الوطني للأبحاث التابع لوزارة الطاقة الأمريكية والمتحدثة السابقة باسم CMS: “إن نتيجة CMS الجديدة فريدة من نوعها في الطريقة التي حددنا بها دقتها وعدم اليقين”.
“لقد تعلمنا الكثير من CDF والتجارب الأخرى التي عملت على مسألة كتلة بوزون W. نحن نقف على أكتافهم، وهذا أحد الأسباب التي تجعلنا نأخذ هذه الدراسة خطوة كبيرة إلى الأمام.”
منذ اكتشاف بوزون W في عام 1983، قام الفيزيائيون بقياس كتلته في 10 تجارب مختلفة.
يعد بوزون W أحد الركائز الأساسية للنموذج القياسي، وهو إطار نظري يصف الطبيعة في مستواها الأساسي. إن الفهم الدقيق لكتلة بوزون W يسمح للعلماء برسم خريطة لطيف الجسيمات والقوى، بما في ذلك قوة مجال هيغز المسؤول عن الاضمحلال الإشعاعي وربط الكهرومغناطيسية بالقوة الضعيفة.
وقالت أناثي كانيبا، نائبة المتحدث باسم تجربة CMS وكبيرة العلماء في فيرميلاب: “إن الكون كله عبارة عن عملية توازن دقيقة”. “إذا كانت الكتلة W مختلفة عما نتوقعه، فقد تكون هناك جسيمات أو قوى جديدة مؤثرة.”
قياسات مقارنة لكتلة بوزون W مع التجارب الأخرى وتنبؤات النماذج القياسية. النقطة هي القيمة المقاسة وطول الخط يتوافق مع الدقة؛ كلما كان الخط أقصر، كان القياس أكثر دقة. المصدر: بناءً على الرقم الذي طورته مؤسسة CMS Collaboration. تم إنشاؤها بواسطة سامانثا كوخ، فيرميلاب
تبلغ دقة قياس CMS الجديد 0.01%. يتوافق هذا المستوى من الدقة مع قياس قلم رصاص بطول 4 بوصات بين 3.9996 و4.0004 بوصة. ولكن على عكس أقلام الرصاص، فإن بوزون W هو جسيم أولي ليس له كتلة فيزيائية وكتلة أقل من كتلة ذرة الفضة.
وأضاف كانيبا: “من الصعب جدًا إجراء هذا القياس”. “هناك حاجة إلى قياسات متعددة من اختبارات متعددة للتحقق من القيمة.”
تعد تجربة CMS فريدة من نوعها عن التجارب الأخرى التي أجرت هذا القياس بسبب تصميمها المدمج، وأجهزة الاستشعار المخصصة للجسيمات الأولية التي تسمى الميونات، ومغناطيس ملف لولبي قوي للغاية يعمل على ثني مسارات الجسيمات المشحونة أثناء مرورها عبر الكاشف.
وقال ماكبرايد: “إن تصميم CMS مناسب تمامًا لقياسات الكتلة الدقيقة”. “هذه تجربة الجيل القادم.”
نظرًا لأن معظم الجسيمات الأولية قصيرة العمر بشكل لا يصدق، يقيس العلماء كتلتها عن طريق إضافة كتل وسرعات كل شيء تتحلل إليه. تعمل هذه الطريقة بشكل جيد مع جسيمات مثل بوزون Z، وهو ابن عم بوزون W الذي يضمحل إلى اثنين من الميونات. لكن بوزون W يمثل تحديًا كبيرًا لأن أحد نواتج اضمحلاله هو جسيم أولي صغير يسمى النيوترينو.
وقال جوش بندافيت، العالم في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذي شارك في الدراسة: “من الصعب للغاية قياس النيوترينو”. “في تجارب الاصطدام، لا يتم اكتشاف النيوترينو، لذلك يمكننا العمل فقط مع نصف الصورة.”
إن العمل بنصف صورة يعني أن الفيزيائيين يجب أن يكونوا مبدعين. قبل إجراء التحليل على البيانات التجريبية الحقيقية، قام العلماء أولاً بمحاكاة مليارات من تصادمات LHC.
وقال بندافيت: “في بعض الحالات، كان علينا أخذ عينات من التشوهات الصغيرة في الكاشف”. “الدقة عالية جدًا لدرجة أننا نهتم بأصغر التقلبات والمنعطفات، حتى لو كانت صغيرة مثل عرض شعرة الإنسان.”
يحتاج الفيزيائيون إلى مدخلات نظرية لا تعد ولا تحصى، مثل ما يحدث داخل البروتونات عندما تصطدم، وكيف يتم إنتاج بوزون W، وكيف يتحرك قبل أن يضمحل.
وقال ماكبرايد: “إن العثور على تأثير المدخلات النظرية هو فن حقيقي”.
في الماضي، استخدم الفيزيائيون بوزون Z كبديل لبوزون W عند معايرة نماذجهم النظرية. على الرغم من أن هذه الطريقة لها العديد من المزايا، إلا أنها تضيف أيضًا طبقة من عدم اليقين إلى العملية.
وقالت إليزابيتا مانكا، الباحثة في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس وأحد المحللين: “إن البوزونات Z وW أشقاء، لكن ليسا توأمان”. “يتعين على الفيزيائيين وضع افتراضات معينة عندما يقومون بالاستقراء من Z إلى W، ولا تزال هذه الافتراضات قيد المناقشة.”
وللحد من عدم اليقين هذا، طور باحثو CMS تقنية تحليل جديدة تستخدم فقط بيانات بوزون W الحقيقية لتقييد المدخلات النظرية.
وقال بندافيت: “لقد تمكنا من القيام بذلك بفعالية بسبب مجموعة البيانات الكبيرة، وخبرتنا من دراسات بوزونات W السابقة، والتقدم النظري الحديث”. “وهذا سمح لنا بالتخلص من بوزون Z كنقطة مرجعية لنا.”
وكجزء من هذا التحليل، قاموا أيضًا بتحليل 100 مليون مسار من تحلل الجسيمات المعروفة لإعادة بناء مساحة كبيرة من كاشف CMS.
وقال مانكا: “سيسمح لنا هذا المستوى الجديد من الدقة بمعالجة قياسات مهمة مثل بوزونات W وZ وHiggs بدقة محسنة”.
الجزء الأكثر تحديًا في التحليل هو شدته الزمنية، حيث يتطلب تطوير تقنية تحليل مبتكرة وإنشاء فهم عميق بشكل لا يصدق لكاشف CMS.
قال مانكا: “لقد بدأت هذا البحث عندما كنت طالبًا صيفيًا، وأنا الآن في سنتي الثالثة كباحث ما بعد الدكتوراه”. “إنه ماراثون وليس سباق سريع.”
مزيد من المعلومات:
√ قياس كتلة البوزون W في تصادمات البروتونات عند s = 13 TeV، cms-results.web.cern.ch/cms-re … MP-23-002/index.html
اقتباس: نتائج جديدة لتجربة CMS تنهي لغز كتلة بوزون W (2024، 22 سبتمبر) تم استرجاعها في 22 سبتمبر 2024 من https://phys.org/news/2024-09-results-cms-boson-mass-mystery.html
هذه الوثيقة تخضع لحقوق التأليف والنشر. لا يجوز إعادة إنتاج أي جزء دون الحصول على إذن كتابي باستثناء أي تعامل عادل لأغراض الدراسة الشخصية أو البحث. يتم توفير المحتوى لأغراض إعلامية فقط.
