قياس كتلة بوزون هيغز: تعاون ATLAS يحقق درجة غير معهودة من الدقة

يستمر بوزون هيغز، الذي يعد جسيم اساسي في فهم بنية الكون الاساسية، في كونه في مقدمة البحوث العلمية منذ اكتشافه قبل 11 عامًا في مصادم الجسيمات الهيدروني الكبير.

يعتمد علماء الفيزياء على قياسات دقيقة لخصائص بوزون هيغز من اجل اختبار صلاحية النموذج المعياري، وهو نظريتنا الأفضل لوصف عالم الجسيمات وتفاعلاتها.

هذا الاسبوع، في مؤتمر ليبتون-فوتون، قام تعاون ATLAS بالإعلان عن إنجاز ريادي. لقد إستطاعوا قياس كتلة بوزون هيغز بدقة غير مسبوقة.

لا يمكن معرفة كتلة بوزون هيغز عبر النموذج المعياري، وهذا ما يجعل القياسات التجريبية امرًا اساسيًا.

تحدد هذه القيمة قوة التفاعلات بين بوزون هيغز، والجسيمات الاساسية الاخرى، او حتى تفاعلاته مع نفسه.

إن امتلاك قياس صحيح لهذا المعامل الأساسي هو امر رئيسي من اجل الحسابات النظرية، والتي بدورها تسمح للفيزيائيين بأن يقارنوا نتائجهم مع التوقعات من النموذج المعياري.

قد يدّل أي إنزياح عن هذه التوقعات على وجود ظاهرة جديدة غير مشروحة، وهذا ما يفيد في فهمنا لكوننا الغامض.

بالإضافة إلى ذلك، فان كتلة بوزون هيغز تلعب دورًا أساسيًا في تطور واستقرار الفراغ في العالم.

على مر السنوات، منذ إكتشافه، سعى تعاونا ATLAS وCMS جاهدين للحصول على دقة متزايدة لقياس كتلة بوزون هيغز.

ان قياس ATLAS الأخير يجمع بين نتيجتين: الاولى مبنية على تحلل الجسيم الى فوتونين عالييّ الطاقة (القناة ثنائية الفوتون)، والأخرى قادمة من تحلله الى 4 ليبتونات (القناة رباعية الليبتون).

يعد القياس الجديد في القناة ثنائية الفوتون ملحوظ بشكل خاص. فهو يجمع تحليلات كامل بيانات ATLAS من كلا التشغيلين 1 و 2 لمصادم الجسيمات الهيدروني الكبير، وهذا ما انتج كتلة 125.22 مليار الكترون فولت (Gev)، مع معامل عدم يقين مذهل مقدر ب 0.14 Gev.

وهذا يمثل لادقة قدرها 0.14%، مما يجعله القياس الاكثر دقة لكتلة بوزون هيغز من قناة اضمحلال واحدة حتى الان.

يمكن ربط هذا التطور المذهل في الدقة بعاملين اساسيين:

-اولًا، ساهمت كامل بيانات التشغيل الثاني لATLAS بتقليل اللادقة الاحصائية بشكل كبير بمعامل 2.

-وثانيًا، لقد أخضعت معايرة قياس طاقة الفوتون لتطورات جذرية مقللة بذلك اللادقة المنهجية بمقدار مقارب ل4 اضعاف إلى 0.09 Gev.

يؤكد ستيفانو مانزوني، وهو منظّم المجموعة الفرعية لمعايرة الإلكترون-فوتون لمشروع ATLAS، على الدور الرئيسي الذي تلعبه تقنيات المعايرة المتقدمة والدقيقة.

إذ يقول: “لقد استغرق تطويرها عدة سنوات، وتطلب فهم عميق لكاشف ATLAS، وهي ايضًا ستفيد التحليلات المستقبلية بشكل كبير.”.

حدد الباحثين أن كتلة بوزون هيغز هي 125.11 جيجا الكترون فولت مع مقدار ريبة يعادل 0.11 جيجا الكترون فولت، وذلك عبر الجمع بين القياس الجديد للقناة ثنائية الفوتون مع القياس السابق للقناة رباعية الليبتون.

وهذا ما يعد القياس الأكثر دقة حاليًا لذلك المعامل الأساسي، ويتميز بدقة تقدر ب 0.09%.

أشاد المتحدث الرسمي لمشروع ATLAS اندرياس هوكر بالتفاني التي لا هوادة فيها لتطوير البيانات.

فيشرح قائلا: “إن خوارزميات اعادة البناء القوية المقترنة مع المعايرة الدقيقة هي العامل المحدد لدقة القياس. إن القياس الجديدة لكتلة بوزون هيغز تضيف الى مخطط هذا الفرع المهم من فيزياء الجسيمات المتزايد في التفاصيل.”.

إن آخر إنجاز لتعاون ATLAS لا يوسع فقط فهمنا لبوزون هيغز، بل أيضًا يدفع حدود المعرفة العلمية في مجال فيزياء الجسيمات.

إن البحث الذي يهدف لكشف أسرار عالمنا مستمر، وذلك بفضل العلماء الذين يضعون أحجار الأساس لإستكشاف أسرار الكون بشكل اعمق.

اسئلة شائعة:

-السؤال الأول: ما هو بوزون هيغز ولماذا كتلته مهمة؟

الجواب: بوزون هيغز هو جسيم أساسي يلعب دورًا مهمًا في فهمنا لبنية الكون. تعد كتلته معامل اساسي يتحكم بقوة التفاعلات بين بوزون هيغز والجسيمات الأولية الاخرى. وتؤثر ايضا على تفاعلاته مع نفسه. بشكل ادق، يعد قياس كتلة بوزون هيغز امرًا اساسيًا لإختبار صلاحية النموذح المعياري، الذي يعد افضل نظرية نملكها حاليًا لوصف فيزياء الجسيمات.

-السؤال الثاني: كيف يتم تحديد كتلة بوزون هيغز؟

الجواب: لا نستطيع توقع كتلة بوزون هيغز عبر النموذج المعياري، لذلك يجب تحديدها عبر القياسات التجريبية. يستخدم الفيزيائيون تقنيات متطورة وتحليلات لقنوات إضمحلال الجسيمات لإستنتاج قيمة كتلته. يقوم تعاون ATLAS في مصادم الجسيمات الهيدروني الكبير بإجراء قياسات دقيقة لتحديد كتلة بوزون هيغز.

-السؤال الثالث: ما اهمية القياسات الدقيقة لكتلة بوزون هيغز؟

-الجواب: هذه القياسات تسمح للفيزيائيين بمقارنة النتائج التجريبية مع التوقعات النظرية من النموذج المعياري، حيث أن أي إنزياح عن هذه التوقعات يمكن ان يدل على وجود ظواهر جديدة او غير مشروحة في فيزياء الجسيمات. لذلك فإن تحقيق دقة عالية في قياس الكتلة تساهم في فهمنا للقوى الاساسية والجسيمات الاساسية التي تشكل كوننا.

-السؤال الرابع: ما هو أخر إنجاز لتعاون ATLAS في قياس كتلة بوزون هيغز؟

-لقد كان أخر إنجاز لهم في هذا المجال هو قياس كتلة بوزون هيغز بدقة غير معهودة في القناة ثنائية الفوتون. لقد حصلوا على كتلة تقدر ب125.11 Gev مع مقدار ريبة لا يتجاوز 0.14 Gev، وذلك عبر جمع التحليلات من بيانات التشغيل الاول والثاني لمصادم الجسيمات الهيدروني الكبير. هذا القياس يمثل لادقة تقدر ب0.11%، وهذا ما يجعله القياس الاكثر دقة من قناة إضمحلال واحدة.

-السؤال الخامس: كيف طوّر تعاون ATLAS دقة قياس القناة ثنائية الفوتون؟

-هناك عاملان ساهما في تحقيق تلك الدقة. اولًا، لقد قلل إستخدام كامل بيانات التشغيل الثاني لATLAS الريبة الاحصائية بمعامل 2. وثانيا، لقد تعرضت معايرة قياس طاقة الفوتون لتحسينات ملحوظة، وهذا ما قلل الريبة المنهجية بمعامل 4 الى مقدار 0.09 غيغا الكترون فولت.

-السؤال السادس: كيف تساهم كتلة بوزون هيغز في إستقرار الفراغ الكوني؟

-الجواب: تعد كتلة بوزون هيغز معامل مهم يؤثر على تطور وإستقرار الفراغ في الكون. إن فهم خواص بوزون هيغز يسمح للفيزيائيين بالحصول على رؤى حول طبيعة الفراغ ودوره في الكون. يستطيع الباحثون عبر قياس كتلة بوزون هيغز ان يفهموا بشكل اكبر القوى الاساسية التي تتحكم بسلوك الكون على المستويين الجزئي والكلي.