كسر التفرع

في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) تُصطدم البروتونات، وأحياناً بين الحطام يظهر جسيم ثقيل — بارون لامدا. هذا بارون، أي جسيم يتكون من ثلاثة كواركات، مثل البروتون أو النيوترون، لكنه يحتوي على كوارك غريب أثقل. يعيش بارون لامدا لجزء ضئيل من الثانية ثم يضمحل إلى جسيمات أخرى.

بين حطام اصطدامات الجسيمات، تولد أحيانًا "ضيوف" قصيرة العمر — الهايبرونات، وهي جسيمات تحتوي على كوارك غريب. أحدها، Σ0، يعيش أقل من جزء من عشرة مليارات من الثانية ويتحلل أثناء طيرانه. من المستحيل تقريبًا التقاطه مباشرة، ولكن يمكن ملاحظة آثاره: يترك خلفه جسيمًا آخر Λ وزوجًا إلكترون-بوزيترون.

عالم الآثار يزيل الطبقات بحذر، وكل طبقة جديدة في موقع تشارمونيوم هي اضمحلال نادر يلتقطه الكاشف. التشارمونيوم — حالة مرتبطة من كوارك ساحر وكواركه المضاد — يعيش لأجزاء من الثانية، لكنه يروي لنا عن القوى التي تربط الكواركات معًا. هذه المرة، تم الكشف عن قناتين جديدتين: J/ψ → Σ0Σ̄0η و ψ(3686) → Σ0Σ̄0η. احتمال الأولى هو 7.5 فرصة من 100,000، والثانية 1.3 فرصة من 100,000.

عندما يضمحل الجسيم ψ(2S) إلى بروتون ومضاد بروتون، تعمل آليتان أساسيتان في وقت واحد: التفاعل القوي، الذي يعمل مثل الغراء الذي يمسك الكواركات داخل الهادرونات، والتفاعل الكهرومغناطيسي، الذي يصف تفاعل الجسيمات المشحونة مثل الضوء. مساهماتهما في سعة الاضمحلال تُجمع مع إزاحة طور نسبية معينة.

البروتون المضاد هو توأم البروتون المعكوس: نفس الكتلة، لكن بشحنة سالبة. عندما يصطدم بالمادة، عادةً ما يفنى فورًا — يختفي مع إطلاق طاقة عند اصطدامه بنواة ذرة. لكن إذا تحرك البروتون المضاد ببطء، بطاقة لا تتجاوز بضعة آلاف من الإلكترون فولت، فقد يرتد عن السطح، مثل كرة ترتد عن جدار، دون أن يتاح له الوقت للقاء النواة.

ملعب كرة قدم يتسع لمئة مليار متفرج يعطسون في الوقت نفسه — وسبعة أو عشرة منهم فقط يفعلون ذلك في صمت تام. هذه هي الندرة التي يطاردها تجربة NA62 في سيرن، بدراسة اضمحلال الكاون المشحون (K+) إلى بيون (π+) وزوج من النيوترينوات (νν̄). هذا الحدث همس هادئ وسط زحام صاخب: النيوترينوات لا تترك أثراً في الكاشف، وعلى الفيزيائيين حسابها من الطاقة المفقودة.

في عام 2021، رصد مرصد LHAASO كمات جاما بطاقة تزيد عن بيتا إلكترون فولت من مصادر مثل سديم السرطان — بقايا انفجار مستعر أعظم، في مركزه ينبض نجم نيوتروني. سافرت هذه الجسيمات آلاف السنين، ومجرد وصولها يشكك في ثبات ثبات لورنتز — المبدأ الذي ينص على أن سرعة الضوء في الفراغ مطلقة ومتساوية لجميع المراقبين.

ينفجر عرض الألعاب النارية، وتتفتت نقطة واحدة إلى أربعة شرارات في آن واحد. هذا ما يفعله بوزون Z — الجسيم الذي ينقل القوة النووية الضعيفة — عندما يتحلل إلى أربعة لبتونات مشحونة (إلكترونات أو ميونات). العملية نادرة للغاية: من بين مليون ولادة لبوزون Z، يحدث حوالي خمسة من هذه الأحداث فقط.

سقوط عملة معدنية على حافتها — بهذه الندرة تقريبًا يضمحل بَيون ثقيل إلى بيون خفيف وزوج إلكترون-بوزيترون. على مدى عقد من تشغيل المصادم، لم تُجمع سوى حفنة من هذه الأحداث، لكن الفيزيائيين تمكنوا أخيرًا من رصدها. احتمال الاضمحلال بلغ حوالي 2.4×10⁻⁸.

ينطلق فوتونان من نقطة واحدة في صدر المريض. إنهما توأمان: إذا غيّرت أحدهما، عرفت حال الآخر فورًا. هذا الارتباط يسمى التشابك الكمومي. أثناء التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، تولد هذه الأزواج داخل الجسم عندما تلتقي المادة المشعة المحقونة بإلكترونات الأنسجة. درجة هذا التشابك ليست ثابتة. إنها تضعف إذا تفاعلت الفوتونات مع جزيئات الأكسجين في طريقها.

في مسرع الجسيمات تحت بكين، تُصطدم الإلكترونات مع البوزيترونات، وفي لحظة تتولد جسيمات لا نجدها في المادة العادية. أحد هذه الجسيمات هو لامدا-سي-زائد: بداخله كوارك مفتون ثقيل، مثل حجر في مقلاع. الآن، شاهد الفيزيائيون لأول مرة كيف يتفكك هذا الجسيم إلى نيوترون وبيون موجب وميزون إيتا.

يعيش جسيم J/psi لحظة ثم يتحلل إلى جسيمات أخف، مثلما يتفكك وتر مشدود إلى قطع. التقط فيزيائيو تعاون BESIII أكثر من عشرة مليارات من هذه الاضمحلالات ليفهموا أي "القطع" تنتج. اتضح أنه في أغلب الأحيان يتحول J/psi أولاً إلى بيون محايد وميزون b1، أو إلى بيون وميزون rho(1450)، أو إلى ميزون إيتا وميزون h1. هذه الجسيمات الوسيطة تعيش أقصر وتتحلل فورًا إلى فوتون وميزون إيتا وبيون.

داخل البروتون والنيوترون حياة تغلي: تتبادل الكواركات الغلوونات، وتنشأ للحظات أزواج من الجسيمات تختفي فورًا. بعضها، وهي ما تُعرف بالميزونات العددية، تعيش فقط 10⁻²³ ثانية — أقل من الوقت الذي يحتاجه الضوء لعبور نواة الذرة.

كرة زجاجية صغيرة تطفو في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء الشمس. بداخلها رصاص مشع يضمحل من وقت لآخر. كل اضمحلال يطرد جسيمات مشحونة، فتفقد الكرة أو تكتسب شحنة كهربائية ضئيلة. أجبر العلماء الكرة على الاهتزاز في مجال كهربائي متناوب، ومن هذه الاهتزازات حسبوا شحنتها ألف مرة في الثانية. وبجانبها كاشف يلتقط الجسيمات المنطلقة.

الشبكة المتفرعة — مثل دلتا النهر أو تاج الشجرة — تُبنى وفق مبدأ الاقتصاد. القانون الكلاسيكي، الذي وُضع في عام 1926، نص على أن قطر الوعاء الأم مرفوعًا للقوة الثالثة يساوي مجموع أقطار الأوعية الابنة مرفوعة للقوة الثالثة. هذه القاعدة عملت بشكل جميل مع الأنابيب المثالية، لكن الشرايين الحقيقية أظهرت بعناد أسًا مختلفًا — حوالي 2.7 بدلًا من 3. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة السبب.

في اصطدامات البروتونات في مصادم الهادرونات الكبير، تولد جسيمات تعيش أقل من جزء من مليار من الثانية. أحدها هو ميزون Bs، الذي يتكون من كوارك غريب وكوارك مضاد قمي. ولأول مرة، التقط علماء تعاون LHCb اللحظة التي يضمحل فيها ميزون Bs إلى ثلاثة جسيمات: كاون متعادل (K0S) وكاونين مشحونين. يشبه اضمحلال الجسيم طريقة تفكك لعبة التركيب إلى قطع.

البروتون ليس كرة مصمتة. فشحنته وكتلته وخصائصه الأخرى تتوزع في الفضاء بشكل مختلف، ولكل خاصية نصف قطر خاص بها. لطالما تمكن الفيزيائيون من قياس مكان تركيز شحنة البروتون وكتلته. والآن وصلوا إلى خاصية أخرى — العدد الباريوني، أي العدد الذي يوضح عدد الجسيمات الثقيلة (الباريونات) المشاركة في العملية.

لا يمكن رؤية البروتون ككرة بسيطة. إذا ضربته بفوتون، فقد يمتص الطاقة ويدخل في حالة مثارة — مثل الجرس الذي يبدأ بالرنين بتردد معين بعد الضربة. تسمى هذه الحالات بالرنينات النووية (nucleon resonances)، وهي تعيش لفترة قصيرة جداً قبل أن تتحلل إلى جسيمات أخرى.

يعيش بوزون هيغز لفترة قصيرة لا يمكن تصورها — أقل من جزء من مليار من الثانية. لا يمكن التقاطه مباشرة، لذلك ينظر الفيزيائيون إلى ما يتبقى بعد اضمحلاله: نفاثات من الجسيمات، وميونات، ونيوترينوات. لكن جزءًا من المعلومات يُفقد إذا اقتصرنا على الآثار الواضحة للاضمحلال فقط، دون النظر إلى الحدث بأكمله. النهج الجديد، الذي يُسمى «الشمولي»، يستخدم البيانات المتعلقة بجميع الجسيمات المسجلة في كل تصادم.

في مسرع BEPCII، تصطدم الإلكترونات والبوزيترونات، منتجة مليارات الجسيمات. من بينها ميزون J/ψ، الذي يعيش أقل من جزء من مليار من الثانية. اضمحلاله أحيانًا ينتج ميزون إيتا (ηc)، وهو كتلة من الكواركات أقصر عمرًا. لأول مرة، تمكن العلماء من رؤية هذا الميزون إيتا يتحول إلى زوج من كساي-هايبرونات: جسيمات تحتوي على كوارك غريب.

داخل المسرع، تتصادم الجسيمات، وفي لحظة وجيزة يولد ميزون B — جسيم ثقيل يعيش أقل من جزء من مليار من الثانية. عادةً ما يضمحل إلى العديد من الشظايا، لكنه أحيانًا يتحول إلى جسيمين فقط: ميون ونيوترينو. هذا المسار النادر يشبه اليانصيب حيث تفوز التذكرة مرة واحدة من كل مليوني سحب. جمع الفيزيائيون في منشأتي Belle وBelle II البيانات لسنوات عديدة لالتقاط مثل هذه الأحداث.

في عام 2018، جرى في مصادم الهادرونات الكبير جمع بيانات خاص: كاشف CMS كان يلتقط اصطدامات البروتونات بسرعة هائلة، بهدف جمع عشرة مليارات جسيم يحتوي على كوارك قمي. هذه الجسيمات، ب-ميزونات، تعيش لأجزاء صغيرة جدًا من الثانية وتتحلل إلى جسيمات أخف، مثل قطار محمّل بشكل زائد يرمي عرباته أثناء السير.

في الهواء الذي نتنفسه، تحدث باستمرار أحداث كيميائية غير مرئية للعين. أحدها هو ولادة وموت لحظي لجسيم بصيغة H₂COO. يُطلق عليه "مركب وسيط": يظهر لجزء من الثانية عندما تصطدم جزيئات الأوزون بمواد عضوية، ثم يتحلل فورًا إلى شظايا أبسط. هذا الجسيم مثل ساعي بريد يخرج من الباب ويسقط الطرد فورًا: المهم هو ما الذي يسقط وفي أي اتجاه. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا يحاكي سلوك كل ذرة في هذا الجسيم.

في معجل الجسيمات في بكين، يتم تصادم الإلكترونات مع البوزيترونات، وفي لحظة قصيرة يولد جسيم يسمى إيتا-سي. يعيش هذا الجسيم لجزء ضئيل من الثانية ثم يتحلل إلى جسيمات أخرى. واحدة من أندر الطرق هي أن يتحلل إلى فوتونين، وهما جسيمات الضوء. حتى الآن، لم يتمكن أحد من تحديد عدد المرات التي يحدث فيها هذا بدقة.

فوتونان، مثل نصفي عملة واحدة، يتباعدان لعشرات الكيلومترات، لكنهما يبقيان مرتبطين: قِس أحدهما فتعرف حالة الآخر فورًا. هذه الخاصية تسمى التشابك، وهي أساس الاتصال الكمي.

جسيمان متمسكان ببعضهما مثل متسلقي الجبال المرتبطين بحبل واحد، وينطلقان نحو الجدار. عند الاصطدام، هل يرتدان معًا أم ينقطع الحبل؟ على ماذا يعتمد ذلك؟ نظر الفيزيائيون إلى أبسط حالة: كل شيء يحدث على خط مستقيم، والجسيمان يتجاذبان فقط عندما يكونان في نفس النقطة، والجدار صلب تمامًا.