قام كاشف CMS، الموجود في مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN، بتحليل اصطدامات البروتونات ولم يجد أي دليل على البنية الداخلية في الكواركات. استخدم البحث بيانات من المرحلة الثانية من تشغيل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) واختبر مقاييس تصل إلى 10⁻²⁰ متر. تعزز النتائج النموذج الحالي لفيزياء الجسيمات.
الكواركات تشكل البروتونات والنيوترونات، والتي بدورها تشكل المادة العادية. وتصفها النظرية بأنها جسيمات نقطية، لا تحتوي على أجزاء أصغر. وقد أكدت التجارب السابقة هذا الرأي، ولكن البحث عن طبقات أعمق لا يزال مستمرا. الدراسة الجديدة تقدم حد المراقبة.
رذرفورد يسترشد بالطريقة الحالية للتحقيق
تتبع التجربة المبدأ الذي استخدمه إرنست رذرفورد في عام 1911. فقد قصف رقائق الذهب بجسيمات ألفا ولاحظ زوايا التشتت. معظمها مرت مباشرة، لكن بعضها ارتدت. وكشف هذا عن النواة الذرية المركزة في المركز.
في LHC، تؤدي اصطدامات البروتونات إلى تفتيت هذه البروتونات إلى كواركات. الكواركات تخرج على شكل نفاثات من الجسيمات. يقيس نظام إدارة المحتوى (CMS) توزيع الزوايا بين هذه الطائرات. إذا كان للكواركات بنية داخلية، فإن شكل التدفقات سيتغير عند طاقات معينة. البيانات التي تم جمعها لا تظهر هذا الانحراف الكبير.
قام الفريق بفحص أكثر من مليون حدث. تتوافق توزيعات الزوايا مع تنبؤات النموذج القياسي للجسيمات النقطية. تظهر اختلافات صغيرة في نطاقات الكتلة العالية، ولكنها تقع ضمن حالات عدم اليقين الإحصائية والمنهجية.
يستخدم التحليل 138 fb⁻¹ من البيانات عند 13 TeV
وتعتمد الدراسة على تصادمات عند 13 تيرا إلكترون فولت. يصل السطوع المتكامل إلى 138 fb⁻¹. قام الباحثون بتصحيح تأثيرات الكاشف ومقارنتها مع حسابات QCD المضطربة بترتيب NNLO، بالإضافة إلى تصحيحات NLO الكهربائية الضعيفة.
- التوزيعات الزاوية الطبيعية في مختلف نطاقات الكتلة ثنائية النفاث
- المقارنة المباشرة مع سيناريوهات الكواركات المركبة
- حدود تفاعلات الاتصال بين الكواركات
- القيود المفروضة على الأبعاد الإضافية والثقوب السوداء الكمومية ووسطاء المادة المظلمة
الحدود الأكثر صرامة حتى الآن تستبعد الكواركات المركبة التي تتجاوز مقاييس طاقة معينة. في النموذج المرجعي للكواركات اليسرى، يصل الحد الأقصى للتداخل البناء إلى 37 تيرا إلكترون فولت.
تبقى الكواركات ككتل أساسية
لقد مرت الفيزياء بالفعل بعدة ثورات. كانت الذرات غير قابلة للتجزئة حتى اكتشاف النواة. بدت البروتونات والنيوترونات أولية حتى تم تأكيد الكواركات في عام 1968 في SLAC. الآن، يدفع CMS الاختبار إلى مسافات أصغر بألف مرة من حجم البروتون.
وحتى بدون وجود علامات على البنية التحتية، فإن العلماء لا يستبعدون الاحتمالات على نطاقات أصغر. التجربة الحالية تحدد الهياكل الأكبر من 10⁻²⁰ م. وهذا يعادل حوالي جزء من مائة جزء من الألف من قطر البروتون.
والنتيجة تقيد أيضًا ظواهر أخرى خارج النموذج القياسي. يتم إعطاء حدود أكثر صرامة للاقترانات الشاذة للغلوونات، والجسيمات الشبيهة بالأكسيونات، ووسطاء المادة المظلمة. ويغطي التحليل عدة نماذج نظرية في منشور واحد.
مستقبل LHC سيجلب المزيد من الدقة
المرحلة الثالثة من تشغيل LHC تقوم بالفعل بجمع بيانات جديدة. ستؤدي ترقية HiLumi LHC، المقرر إجراؤها في عام 2030، إلى زيادة معدل الاصطدام بشكل كبير. ومع المزيد من الإحصائيات، سيتمكن الباحثون من تقليل حالات عدم اليقين في قياس زاوية التشتت.
يمكن للقياسات الأكثر دقة أن تكشف عن انحرافات دقيقة أو تؤكد بشكل أكبر سلوك الكواركات النقطي. تخطط CMS لمواصلة البحث عن علامات فيزياء جديدة في توزيعات الطائرات.
والمادة العادية من حولنا تعتمد على هذه الجسيمات. وأي اكتشاف حول تكوينه من شأنه أن يؤثر على فهم الكون، بما في ذلك قضايا مثل المادة المظلمة وتوحيد القوى. في الوقت الحالي، تحتفظ الكواركات بموقعها كجسيمات أولية.
ويؤكد العلماء أن غياب الدليل لا يثبت الغياب القطعي. يمكن للتجارب المستقبلية ذات الطاقات الأعلى أو التقنيات المختلفة استكشاف مسافات أصغر. يظل LHC هو الأداة الرئيسية لهذه الحدود.