اكتشف علماء الفيزياء جزيئات X الغامضة في “حساء بدائي” لأول مرة

جسيم غامض يعتقد أنه كان موجودًا لفترة وجيزة بعد الانفجار العظيم تم اكتشافه الآن لأول مرة في “الحساء البدائي”.

على وجه التحديد ، في وسط يسمى بلازما كوارك-غلوون ، تتولد في مصادم الهادرونات الكبير عن طريق تصادم أيونات الرصاص. هناك ، وسط تريليونات الجسيمات التي تنتجها هذه الاصطدامات ، تمكن الفيزيائيون من استنباط 100 من الحشرات الغريبة المعروفة باسم جسيمات إكس.

“هذه مجرد بداية القصة ،” يقول الفيزيائي Yen-Jie Lee من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وعضو الدولي تعاون CMS يقع مقرها الرئيسي في CERN في سويسرا.

“لقد أظهرنا أنه يمكننا العثور على إشارة. في السنوات القليلة المقبلة ، نريد استخدام بلازما الكوارك-غلوون لفحص البنية الداخلية للجسيم X ، مما قد يغير نظرتنا إلى نوع المادة التي يجب أن ينتجها الكون.”

بعد لحظات من الانفجار العظيم ، لم يكن الكون المبكر مصنوعًا من نفس الأشياء التي نراها تطفو اليوم. بدلاً من ذلك ، ولعدة أجزاء من المليون من الثانية ، كانت مليئة بالبلازما شديدة التسخين إلى تريليونات الدرجات ، وتتكون من جسيمات أولية تسمى الكواركات والغلوونات. هذا هو بلازما كوارك-غلوون.

في وقت أقل من الوقت الذي يستغرقه يومض ، بردت البلازما وتجمع الجسيمات معًا لتشكيل البروتونات والنيوترونات التي تتكون منها المادة العادية اليوم. ولكن في ذلك الوقت القصير جدًا ، اصطدمت الجسيمات في بلازما الكوارك-غلوون ، وتلتصق ببعضها البعض ، ثم تفككت مرة أخرى في تكوينات مختلفة.

أحد هذه التكوينات هو جسيم غامض للغاية ، ولا نعرف حتى كيف يتم تجميعه. هذا هو الجسيم X ، وقد تم رؤيته نادرًا جدًا وبفترة وجيزة في مصادمات الجسيمات – لفترة وجيزة جدًا بحيث لا يمكن فحصها.

من الناحية النظرية ، يمكن أن تظهر جسيمات X في ومضات صغيرة جدًا من بلازما الكوارك-غلوون التي ابتكرها الفيزيائيون في مسرعات الجسيمات لعدة سنوات حتى الآن. وهذا قد يوفر فرصة أفضل لفهمهم.

أثناء تشغيل مصادم الهادرونات الكبير في 2018 ، اصطدمت ذرات الرصاص الموجبة الشحنة ببعضها البعض بسرعات عالية. نتج عن كل من هذه الاصطدامات البالغ عددها 13 مليار وابل من عشرات الآلاف من الجسيمات. هذه كمية هائلة من البيانات التي يجب فحصها.

“من الناحية النظرية ، هناك الكثير من الكواركات والغلوونات في البلازما التي يجب تحسين إنتاج جسيمات X ،” يقول لي. “لكن الناس اعتقدوا أنه سيكون من الصعب للغاية البحث عنها لأن هناك الكثير من الجسيمات الأخرى المنتجة في حساء الكوارك هذا.”

على الرغم من أن جسيمات X قصيرة العمر جدًا ، إلا أنها عندما تتحلل ، فإنها تنتج وابلًا من الجسيمات ذات الكتلة الأقل. لتبسيط عملية تحليل البيانات ، طور الفريق خوارزمية للتعرف على الأنماط المميزة لانحلال الجسيمات X. ثم قاموا بإدخال بيانات 2018 LHC في برامجهم.

حددت الخوارزمية إشارة عند كتلة معينة تشير إلى وجود حوالي 100 جسيم X في البيانات. هذه بداية ممتازة.

“يكاد يكون من غير المعقول أن نتمكن من استبعاد هذه الجسيمات المائة من مجموعة البيانات الضخمة هذه ،” قال لي.

في هذه المرحلة ، البيانات غير كافية لمعرفة المزيد عن بنية الجسيم X ، لكن الاكتشاف قد يقربنا. الآن بعد أن عرفنا كيفية العثور على توقيع الجسيم X ، فإن طرحه في مجموعات البيانات المستقبلية يجب أن يكون أسهل كثيرًا. في المقابل ، كلما توفرت لدينا المزيد من البيانات ، كان من الأسهل فهمها.

تتكون كل من البروتونات والنيوترونات من ثلاثة كواركات. يعتقد الفيزيائيون أن جسيمات X يمكن أن تتكون من أربعة – إما جسيم غريب ، مرتبط بإحكام يعرف باسم رباعي الكوارك ، أو نوع جديد من الجسيمات غير المحكمه مصنوع من ميزونين ، كل منها يحتوي على كواركين. إذا كان هو الأول ، لأنه أكثر إحكامًا ، فسوف يتحلل بشكل أبطأ من الأخير.

“حاليًا تتوافق بياناتنا مع كلا السيناريوهين لأننا لا نملك إحصاءات كافية حتى الآن. في السنوات القليلة المقبلة ، سنأخذ المزيد من البيانات حتى نتمكن من فصل هذين السيناريوهين ،” يقول لي.

“سيؤدي ذلك إلى توسيع نظرتنا لأنواع الجسيمات التي تم إنتاجها بكثرة في بدايات الكون.”

تم نشر البحث في خطابات المراجعة المادية.