[وائل حسن عبده]

قياسات الكوارك.. القمة تبعث الحياة في جسيم الرب


ساعد الباحثون في جامعة روتشستر في قياسٍ الكوارك القمة المراوغ بدقةٍ لا تُضاهى، وقد أثـَّرت النتائج المدهشة على كل شيء، بدءاً من بوزونات هيجز التي تُكنـَّى بـ (جسيم الرب) وصولاً إلى مكونات المادة الخفية التي تُشكل 90 بالمئة من الكون. فقد طوَّر العلماء طريقةً جديدةً أكثر دقةً من الطرائق السابقة لتحليل البيانات الواردة من تصادمات جسيمات المسرعات في مختبر المسرع الوطني فيرميلاب الأمريكي، و هي طريقة قادرة على تغيير دينامية النموذج المعياري للفيزياء الجسيمية (فيزياء الجسيمات الدقيقة). وقد نُشرت تفاصيل البحث في مجلة الطبيعة Nature.

يقول توماس فيربل Thomas Ferbel أستاذ الفيزياء والفلك في جامعة روتشستر، ومؤلف البحث الرئيس: (هذا إنجازٌ رائع في قياسات كوارك القمة، فقد أحدثت التحسينات ثورةً إلى حدٍ كبير، ذلك أنها غيَّرت كتلة كوارك القمة المُتـَّفق عليها بحيث صارت بوزونات هيجز تقع في مجال الطاقة الذي لم يُستكشف بعد. يشبه الأمر القيام بحفر بئرٍ بحثاً عن جسيمات هيجز لنكتشف فجأةً أننا قد قرأنا الخريطة قراءة خاطئة، فهي في الحقيقة في مكانٍ آخر). إن كُتل كلٍّ من الكواركات وبوزونات هيجز حاسمةٌ في فهمنا للكيفية التي يعمل بها العالم الكمومي، وبضمن ذلك الإجابة على واحدٍ من ألغاز العلم الكبيرة: ما الذي يجعل للكتلةِ كتلةً؟

لقد بدأ مشروع مراجعة كتلة الكوارك كمشروع أطروحةٍ جوان إسترادا، وهو واحدٌ من طلاب فيربل لمرحلة الدكتوراه. فقد قرر أن ينظر ما إذا كانت هناك طريقة أفضلَ لحساب كتلة الكوارك القمة انطلاقاً من القياسات المُجمَّعة مسبقاً في مسرع الجسيمات في فيرميلاب. كان فيربل في البداية متشككاً، إذ إن العلماء قد اعتصروا كل كسْرةِ معلومات من البيانات المجمَّعة منذ اكتشاف الكوارك القمة عام 1995. إلا أن إسترادا بالتعاون مع غاستون غوتيرِّز العالم في فيرميلاب طورا طريقةً تستند على الاحتمالات، ويبدو أنها ستعطي زيادةً مدهشة في الدقة. وقدَّم فيربل فلورِنسيا كارنيللي بصفة طالبةً ثالثةٍ تنضم للمساعدة في توسيع الطريقة كي تحسب خصائص سبين الكوارك القمة إضافةً إلى كتلته.

وعندما تم تحليل البيانات الفعلية أعطت الطريقة نحو 40 بالمئة زيادةً في الدقة، وهي أقل مما كان مُتوقعاً، غير أنها ما تزال نعمةً هائلة للفيزيائيين. مكـَّنت الطريقةُ الجديدةُ الباحثين من جمعِ معلوماتٍ من البيانات المتوفرة تعادل ما كانوا سيحصلون عليه من عينةٍ أكبر بمرتين ونصف، وهو أمر لا يُقدَّر بثمن عندما يكون جمع البيانات من كلِّ تصادمٍ مهمةً تتطلَّب الكثير من الأناة والجهد.

النتيجة الثانية الهامة الناتجة عن القياسات الجديدة هي أن بوزونات هيجز، وهي الجسيمات التي تُعطي الكتلة كُنهها بحسب النظرية، توجد في مستويات طاقةٍ أعلى من تلك التي يبحث فيها العلماء. وبما أن الجسيمات دون الذرية يرتبط بعضها مع بعض؛ فإن التغيرات التي تطرأ على ميِّزات إحداها تستشري بين الأخريات. ولأن الكوارك قمة ذو كتلةٍ كبيرةٍ على نحو خاص، فإن التغيرات في كتلته تنتج عن التغيرات الأعظم في الجسيمات الأخرى، وخاصَّةً بوزونات هيجز. واستناداً إلى القيمة المعتمدة السابقة لكتلة كوارك القمة، فقد توقع الفيزيائيون أن يجدوا بوزونات هيجز عند طاقة مقدارها نحو، لكنهم كانوا قادرين على استبعاد إمكان أن يكونوا موجودين هنا حقاً. وقد وضع هذا كاملَ النموذج المعياري في مأزق. في حين تضع القياسات الجديدة لكتلة كوارك القمة بوزونات هيجز عند طاقة حدودها وهو مجالٌ لم يُستقصَ بعد، وهو ما يعيد لبوزونات هيجز دورها على مسرح الأحداث.

يعلِّق فيربل بقوله: (مهما كان الجهد الذي نبذله لخرق النموذج المعياري، فإنه سيظل يبدو مطواعاً وسيبقى نافعاً). ويُضيف: (إنه لأمرٌ محير إذ إننا نعلم الآن أنه ليس صحيحاً تماماً غير أنه لن يُهزم أبداً. وفي كلِّ مرةٍ نزيد الضغط عليه نجده ما زال حياً ويتنفس).

تتخذ التقنية (الطريقة) الجديدة مقاربةً احتماليةًً من القياسات المجمَّعة من مُصادِم فيرميلاب. فعندما يُحطِّم المُصادِم كواركاً وكواركاً مضاداً anti-quark لالتقاء أحدهما بالآخر، يتولد عرضياً كوارك القمة ومضاد كوارك القمة. فتتفكك هذه الجسيمات بسرعة إلى أنماط من جسيماتٍ أخرى، وهي تتحلل أيضاً إلى جسيمات أكثر قبل أن تتمكن كواشف فيرميلاب من البدء بدراستها. ويعني هذا أن على الباحثين العمل القهقرى ناظرين إلى جسيمات الجيل الثالث للاستدلال على كيفية تشكلها في زمنٍ سابق، تماماً كما النظر إلى كرات البلياردو المتبعثرة وتتبع المكان الذي كانت فيه قبل ثلاث حركات. وتقليدياً يقوم الباحثون بإعطاء كتلةٍ مفترضة للكوارك القمة ومضاد الكوارك القمة، ثم ينظرون إلى ما ستكون عليه نتائج التحلل، ويقارنون بعدئذ بين هذه النتائج وبين ما أظهره لهم الكاشف. تعمل التقنية الجديدة بطريقةٍ مُشابهةٍ، إلا أنها تُخصص احتمالاتٍ لمجالٍ من الكتل الابتدائية، معطيةً أهميةً أكبر للقراءات الأكثر دقةً. وقد كانت النتيجةُ لدى تطبيقها على العديد من التصادمات هي الحصول على قياساتٍ أكثر دقةً.

يعلق فيربل: (إن زيادة البيانات بمرتين ونصف يجعل المستحيل ممكناً، خاصةً إن كنت على حافة اكتشاف شيءٍ مثل بوزونات هيجز).