تجربة في «سيرن» ترصد تحللًا لا يحدث إلا مرة بين 10 مليارات.. لكن الاكتشاف لم يُحسم

قدّم فريق تجربة LHCb في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية «سيرن» أول دليل قوي على تحلل ميزون B⁰ إلى ميونين، في ظاهرة نادرة لا تحدث إلا مرة واحدة تقريبًا بين كل 10 مليارات عملية تحلل. ورغم أهمية النتيجة، فإن دلالتها الإحصائية البالغة 3.2 سيغما لا تزال دون المستوى المطلوب لإعلان اكتشاف رسمي.

بدأ الفيزيائيون البحث عن هذا التحول الجسيمي عام 1984 عبر تجربة CLEO، التي لم تتمكن آنذاك إلا من تحديد حد أعلى لاحتمال حدوثه. أما نتيجة LHCb الجديدة فتمثل المرة الأولى التي يظهر فيها دليل على الظاهرة داخل تجربة واحدة، مع بقاء احتمال أن تكون ناتجة عن تقلب إحصائي عشوائي.

لماذا يحدث التحلل نادرًا؟

ميزون B⁰ جسيم غير مستقر يحتوي على كوارك «بي» ثقيل. وفي العملية التي يدرسها الباحثون، يتحول الميزون إلى ميونين. والميون يشبه الإلكترون، لكنه أثقل منه بنحو 207 مرات، كما يترك مسارات مميزة يمكن لأجهزة الكشف رصدها.

ولا يحدث هذا التحول عبر تفاعل أساسي واحد ومباشر، بل يمر عبر حلقات كمّية تشارك فيها جسيمات ثقيلة، مثل بوزونات W وكواركات «تي». ويسهم هذا التعقيد في جعل احتمال التحلل منخفضًا للغاية. في المقابل، يمكن لجسيمات غير معروفة حتى الآن، إذا دخلت هذه الحلقات، أن تغير معدل حدوث العملية، ما يجعل القياس مهمًا في البحث عن فيزياء تتجاوز النموذج القياسي.

وتشير المعطيات إلى أن مثل هذه القياسات قادرة على اختبار تفاعلات جديدة عند مقاييس طاقة تصل إلى 100 تيرا إلكترون فولت، أي أعلى بكثير من طاقة التصادم المباشر في مصادم الهادرونات الكبير.

نتيجة متوافقة مع النموذج القياسي

بلغت الدلالة الإحصائية للبيانات الجديدة وحدها 3.0 سيغما، ثم ارتفعت إلى 3.2 سيغما بعد دمجها مع القياسات السابقة. ويتوقع النموذج القياسي حدوث 1.03 عملية تحلل لكل 10 مليارات تحلل، بينما قاست LHCb معدلًا قدره 1.26 عملية لكل 10 مليارات، مع هامش عدم يقين كبير.

وقبل هذا القياس، كان أقوى حد مسجل يبلغ 1.6 عملية لكل 10 مليارات. ومع ذلك، فإن مستوى 3.2 سيغما لا يستبعد بما يكفي احتمال التقلب العشوائي حتى تُعد النتيجة اكتشافًا علميًا رسميًا.

استند التحليل إلى بيانات فترة التشغيل الثالثة لمصادم الهادرونات الكبير «Run 3»، التي جُمعت خلال عامي 2024 و2025 عند طاقة تصادم بلغت 13.6 تيرا إلكترون فولت. وبلغت البيانات المتراكمة 18 فمتوبرن عكسيًا من الإضاءة المتكاملة، وهو مقياس يساعد على تقدير عدد الأحداث النادرة التي يستطيع الكاشف التقاطها.

كاشف مطور وخوارزمية للتعرف على الإشارات

أدى كاشف LHCb المطور، المعروف باسم «Upgrade I»، دورًا رئيسيًا في التحليل. فقد زادت شدة الإضاءة اللحظية المسموح بها خمسة أضعاف مقارنة بالكاشف السابق، كما استُبدلت أول طبقة اختيار قائمة على العتاد بنظام يعتمد بالكامل على البرمجيات. وأسهمت أجهزة رصد المسارات والميونات المطورة في تحسين التمييز بين أنواع الجسيمات.

ولفصل الإشارة الحقيقية عن ضوضاء الخلفية، استخدم الفريق خوارزمية تعلم آلي قائمة على أشجار القرار، تُعرف باسم BDT. وتفحص الخوارزمية مسارات الجسيمات، ونقاط ولادتها وتحللها، إذ يُفترض أن يكون ميزون B الحقيقي أكثر عزلة عن الجسيمات الأخرى من أزواج الميونات العشوائية. كما قُسمت الأحداث إلى خمس فئات لتحسين دقة التحليل.

قياس آخر لميزون مختلف

شمل التحليل أيضًا تحلل ميزون Bₛ⁰ الأكثر شيوعًا إلى ميونين. وأظهرت البيانات الجديدة احتمالًا قدره 3.31 عملية لكل مليار تحلل، مقابل 3.66 وفق توقعات النموذج القياسي. وبعد دمج القياسات مع بيانات الفترات السابقة، استقر القياس عند 3.25 عملية لكل مليار، في أدق قياس من نوعه تجريه تجربة واحدة.

كما قاس الباحثون العمر الفعال للميزون، فبلغ 1.42 بيكوثانية في البيانات الجديدة، و1.60 بيكوثانية عند دمجها مع القياسات السابقة. ويوجد ميزون Bₛ⁰ في حالتين تختلفان قليلًا في الكتلة والعمر، وقد تؤثر جسيمات افتراضية مثل بوزونات هيغز الإضافية، أو بوزون Z′، أو «ليبتوكواركات» في التوازن بين هاتين الحالتين.

لذلك يوفر معدل التحلل والعمر الفعال طريقين مستقلين للبحث عن انحرافات عن النموذج القياسي. وحتى الآن، تتوافق جميع القياسات الجديدة معه، لكنها تساعد في وضع قيود على تفاعلات افتراضية لا يمكن اختبارها مباشرة. وتمثل النتيجة كذلك أول اختبار لتحلل ميزونات B إلى ميونين باستخدام كاشف LHCb بعد تحديثه «Upgrade I».

المصدر: shiftdelete