جسيم جاي/بساي

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.

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.

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.

جسر من الألومنيوم بسماكة بضع ذرات هو قلب العديد من الأجهزة الكمومية. عبر هذا الجسر، يتدفق التيار دون مقاومة، ويمكن التحكم فيه بواسطة مجال مغناطيسي. تُسمى هذه الجسور وصلات جوزيفسون نسبةً إلى الفيزيائي البريطاني الذي وصف سلوكها. عادةً ما تُصنع باستخدام شعاع إلكتروني، لكن ذلك مكلف وبطيء. الطريقة الجديدة تستغني عن الشعاع الإلكتروني.

في كاشف LHCb، حيث تتصادم البروتونات، تم العثور على أثر غير عادي وسط مليارات الاضمحلالات. الجسيم الذي أُطلق عليه اسم $$D_{s1}$$(2933)^+ يظهر للحظة ثم يتفكك فورًا إلى جسيمات أخرى. حياته قصيرة جدًا لدرجة أنه لا يمكن رؤيته مباشرة — فقط من خلال نواتج الاضمحلال يمكن استنتاج أنه كان موجودًا.

الكواركات هي لبنات صغيرة تتكون منها البروتونات والنيوترونات. عادةً ما تترابط في أزواج: جسيم ونظيره المرآتي المضاد. لكن في بعض الأحيان، تشكل الكواركات تركيبات أكثر غرابة يسميها الفيزيائيون بالجسيمات الغريبة. إحدى هذه التركيبات — الجسيم π1(1600) — شوهدت لأول مرة في اضمحلال الميزون الساحر χc1 على الكاشف BESIII في بكين. الميزون العادي يشبه زوجًا من "يد وقفاز": كوارك وكوارك مضاد.

البروتونات المسرّعة إلى طاقة هائلة تصطدم بلوحة معدنية سميكة — مثل الرصاص في درع. داخل المعدن، تولد للحظة جسيم J/ψ الذي يضمحل فورًا إلى ميونين — قريبي الإلكترون الخفيفين. تخرج هذه الميونات من الهدف، وتلتقط الكواشف آثارها. قارن العلماء عدد الميونات الملتقطة بتوقعات النموذج الحاسوبي. توقع النموذج عددًا أكبر من الميونات ذات العزم العرضي الكبير — أي تلك التي تطير بزاوية معينة بالنسبة للحزمة.

في اصطدامات البروتونات داخل مصادم الهادرونات الكبير، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من رصد جسيم يحمل كوَاركين ساحرَين. يُدعى هذا الجسيم Ξcc+ (يُنطق «كسي-سي-سي-زائد») ويشبه خرزة تحتوي على نواتين ثقيلتين بدلًا من واحدة. هذه الجسيمات نادرة للغاية: من بين مليارات الاصطدامات، لا يُنتج سوى عدد قليل منها مثل هذه الحالة الغريبة.

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.

عندما يصطدم بروتون سريع بنواة ذرة، تولد للحظات جسيمات جديدة. أحدها هو ميزون فاي: كتلة قصيرة العمر من المادة تتحلل إلى زوج إلكترون-بوزيترون. التقاط هذا التحلل يشبه سماع صدى انفجار بعيد: الانفجار نفسه قد انتهى، لكن أثره ما زال يطير.

توأمان متطابقان في المظهر، لكن أحدهما أعسر والآخر أيمن. في عالم الجسيمات الأولية توجد أزواج مشابهة: Ξ- وجسيمها المضاد Ξ+. يولد الاثنان معًا في اضمحلال الجسيم J/ψ، وكالتوأمين المتشابكين، يحتفظان بعلاقة حتى عبر المسافات. تابع العلماء في منشأة BESIII في الصين مليارات من هذه الأزواج لمعرفة ما إذا كانت تضمحل بالطريقة نفسها. لو وُجد اختلاف، لكان ذلك يعني أن الطبيعة تفضل جانبًا على آخر قليلًا.

في مختبر KEK الياباني، تتصادم الإلكترونات ونظيراتها المضادة — البوزيترونات — داخل كاشف Belle II. عند مثل هذه الاصطدامات، تولد جسيمات جديدة للحظة وجيزة. من بينها J/ψ، وهي حالة مرتبطة من كوارك ساحر وكواركه المضاد. قاس الفيزيائيون عدد المرات التي تظهر فيها أزواج من جسيمات أخرى مع J/ψ: بيونات أو كاونات أو بروتونات.

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.

في مُعجّل الجسيمات، جسيم لامدا المضاد ضيف نادر. يولد أثناء الطيران، ويعيش لجزء ضئيل من الثانية، وعادةً ما يضمحل من تلقاء نفسه. لكن في بعض الأحيان يصطدم ببروتون عادي — وعندها يولد حزمة كاملة من الجسيمات الخفيفة: كاونات وبيونات. مثل هذه الاصطدامات رُصدت لأول مرة في كاشف BESIII في مُعجّل BEPCII في بكين. هناك، اصطدمت إلكترونات ببوزيترونات لإنتاج ميزونات J/ψ، والتي اضمحلت إلى أزواج: هيبيرون لامدا وجسيمه المضاد.

في كاشف BESIII، تؤدي الجسيمات عرضًا مسرحيًا: تتصادم، وتولد، وتضمحل، تاركة ومضات من الضوء. لكن في بعض الأحيان قد يغادر الممثل المسرح دون أن يلاحظه أحد — عبر باب سري لا تراه الكاميرات. بحث الفيزيائيون عن مثل هذه الاضمحلالات "الصامتة"، عندما يتحول الجسيم إلى شيء غير مرئي للأجهزة. للقيام بذلك، استخدموا عشرة مليارات حدث مع جسيم J/ψ — وهذا يشبه النظر إلى عشرة مليارات صورة لنفس اللحظة.

النجم النابض هو نجم ميت يدور بسرعة جنونية ويُرسل نبضات راديوية مثل المنارة. عادةً، تأتي هذه النبضات بدقة منتظمة، لكن في بعض الأحيان تظهر بينها وحوش حقيقية — نبضات عملاقة أكثر سطوعًا بآلاف المرات من العادية. استمع علماء الفلك لمدة 174 ساعة إلى النجم النابض PSR J1227-4853 باستخدام تلسكوب راديوي عملاق في الهند. هذا النجم النابض مميز: فهو يتسارع تارة ويتباطأ تارة أخرى، منتقلًا من نمط إلى آخر.