مقدمة
في فيزياء الجسيمات، يُطلق اسم أخف جسيم فائق التناظر (LSP) على أخف الجسيمات الافتراضية الإضافية التي تنبأ بها نموذج التناظر الفائق. التناظر الفائق (SUSY) هو نظرية تتجاوز النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وتقترح أن لكل جسيم معروف في النموذج القياسي شريك “فائق” (superpartner) لم يتم اكتشافه بعد. إذا كانت نظرية التناظر الفائق صحيحة، فإن أخف هذه الجسيمات الفائقة يجب أن يكون مستقرًا (أو شبه مستقر) بسبب قوانين الحفظ، مما يجعله مرشحًا محتملاً للمادة المظلمة.
نظرية التناظر الفائق (SUSY)
التناظر الفائق هو امتداد للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يقترح أن هناك تناظرًا بين البوزونات (جسيمات القوة) والفيرميونات (جسيمات المادة). بعبارة أخرى، لكل بوزون في النموذج القياسي، يجب أن يكون هناك فيرميون فائق، ولكل فيرميون، يجب أن يكون هناك بوزون فائق. لم يتم اكتشاف هذه الجسيمات الفائقة حتى الآن، مما يشير إلى أنها قد تكون ثقيلة جدًا بحيث لا يمكن إنتاجها في التجارب الحالية، أو أنها تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة العادية.
تهدف نظرية التناظر الفائق إلى حل بعض المشكلات التي تواجه النموذج القياسي، مثل:
- مشكلة التسلسل الهرمي: لماذا قوة الجاذبية أضعف بكثير من القوى الأخرى في الطبيعة؟
- توحيد القوى: هل يمكن توحيد القوى الأساسية الأربعة (القوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة، والقوة الكهرومغناطيسية، والجاذبية) في قوة واحدة عند طاقات عالية جدًا؟
- المادة المظلمة: ما هي المادة المظلمة التي تشكل حوالي 85٪ من المادة في الكون؟
أخف جسيم فائق التناظر (LSP) كمرشح للمادة المظلمة
أحد أكثر الجوانب إثارة في نظرية التناظر الفائق هو أن أخف جسيم فائق التناظر (LSP) يمكن أن يكون مرشحًا ممتازًا للمادة المظلمة. نظرًا لأن التناظر الفائق لا يزال غير مثبت تجريبيًا، فإن خصائص LSP تعتمد على النموذج الفائق التناظر المحدد. ومع ذلك، في معظم النماذج، يعتبر LSP مستقرًا أو شبه مستقر بسبب تناظر جديد يسمى “تناظر التكافؤ آر” (R-parity). تناظر التكافؤ آر يمنع الجسيمات الفائقة من التحلل إلى جسيمات النموذج القياسي فقط، مما يعني أن LSP لا يمكن أن يتحلل إلى جسيمات أخف وزنًا. هذا الاستقرار يجعل LSP مرشحًا مثاليًا للمادة المظلمة، حيث يجب أن تكون المادة المظلمة مستقرة على نطاقات زمنية كونية من أجل تفسير وفرتها المرصودة.
المرشحون الرئيسيون لـ LSP تشمل:
- النيوترالينو (Neutralino): مزيج من الشركاء الفائقين المحايدين كهربائياً للبوزونات القياسية، مثل البوزون Z، والفوتون، وبوزون هيغز.
- غرافيتينو (Gravitino): الشريك الفائق للغرافيتون، وهو جسيم افتراضي يحمل قوة الجاذبية.
- سليبتون (Slepton) أو سكوارك (Squark): في بعض النماذج، قد تكون الشركاء الفائقين لـ اللبتونات والكواركات أخف الجسيمات الفائقة.
خصائص أخف جسيم فائق التناظر (LSP)
تعتمد خصائص LSP على النموذج الفائق التناظر المحدد. ومع ذلك، هناك بعض الخصائص العامة التي تنطبق على معظم المرشحين لـ LSP:
- كتلة الجسيم: من المتوقع أن تكون كتلة LSP في نطاق GeV إلى TeV. هذا النطاق الكتلي هو نتيجة القياسات غير المباشرة للمادة المظلمة وقيود التجارب الحالية.
- التفاعلات: يجب أن يتفاعل LSP بشكل ضعيف مع المادة العادية، وإلا لكان قد تم اكتشافه بالفعل في التجارب.
- الاستقرار: يجب أن يكون LSP مستقرًا أو شبه مستقر على نطاقات زمنية كونية.
الكشف عن أخف جسيم فائق التناظر (LSP)
هناك عدة طرق للكشف عن LSP، بما في ذلك:
- الكشف المباشر: تبحث تجارب الكشف المباشر عن تفاعلات LSP مع النوى الذرية في الكواشف الأرضية. هذه التفاعلات نادرة للغاية، لذلك تتطلب هذه التجارب كواشف حساسة للغاية وتقع في مواقع عميقة تحت الأرض لحماية الكواشف من الإشعاع الخلفي.
- الكشف غير المباشر: تبحث تجارب الكشف غير المباشر عن منتجات إبادة LSP في الفضاء. يمكن أن تتضمن هذه المنتجات أشعة جاما وأشعة سينية ونيوترينوهات وبوزيترونات وأنتيبروتونات.
- مصادمات الجسيمات: يمكن لمصادمات الجسيمات، مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سيرن، أن تنتج LSP بشكل مباشر إذا كانت خفيفة بدرجة كافية. ومع ذلك، نظرًا لأن LSP لا تتفاعل بقوة مع المادة العادية، فإنها ستظهر كطاقة مفقودة في الكاشف.
حتى الآن، لم يتم الكشف عن LSP بشكل قاطع. ومع ذلك، فإن العديد من التجارب جارية للبحث عن LSP، ومن المأمول أن يتم اكتشافها في المستقبل القريب.
النماذج المختلفة لـ LSP
كما ذكرنا سابقًا، تعتمد هوية وخصائص LSP على النموذج الفائق التناظر المحدد. بعض النماذج الشائعة لـ LSP تشمل:
- النموذج القياسي الأدنى للتناظر الفائق (MSSM): هذا هو أبسط نموذج للتناظر الفائق ويتضمن أقل عدد ممكن من الجسيمات الفائقة الجديدة. في MSSM، غالبًا ما يكون النيوترالينو هو LSP.
- نماذج ذات جاذبية فائقة (Supergravity): تجمع هذه النماذج بين التناظر الفائق والجاذبية. في نماذج ذات جاذبية فائقة، غالبًا ما يكون الغرافيتينو هو LSP.
- نماذج ذات أبعاد إضافية: تقترح هذه النماذج أن هناك أبعادًا إضافية للزمكان بالإضافة إلى الأبعاد الثلاثة المكانية والبعد الزمني الواحد التي نعرفها. في نماذج ذات أبعاد إضافية، يمكن أن يكون أخف جسيم في الأبعاد الإضافية هو مرشح للمادة المظلمة.
التحديات التي تواجه نظرية LSP
على الرغم من أن LSP هي مرشح واعد للمادة المظلمة، إلا أن هناك بعض التحديات التي تواجه نظرية LSP:
- عدم وجود دليل تجريبي: حتى الآن، لم يتم اكتشاف أي دليل تجريبي على وجود LSP أو أي جسيم فائق آخر.
- قيود التجارب: استبعدت التجارب بالفعل بعض النماذج لـ LSP. على سبيل المثال، استبعدت تجارب الكشف المباشر بعض النماذج التي تتوقع تفاعلات قوية بين LSP والنوى الذرية.
- مشكلة الضبط الدقيق: تتطلب بعض النماذج لـ LSP ضبطًا دقيقًا للمعلمات من أجل الحصول على وفرة المادة المظلمة المرصودة.
على الرغم من هذه التحديات، تظل LSP مرشحًا واعدًا للمادة المظلمة. هناك العديد من التجارب الجارية للبحث عن LSP، ومن المأمول أن يتم اكتشافها في المستقبل القريب.
خاتمة
أخف جسيم فائق التناظر (LSP) هو جسيم افتراضي تنبأت به نظرية التناظر الفائق، وهو امتداد محتمل للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يُعتبر LSP مرشحًا قويًا لتفسير المادة المظلمة بسبب استقراره وتفاعله الضعيف مع المادة العادية. على الرغم من عدم وجود دليل تجريبي قاطع حتى الآن، فإن التجارب المستمرة تبحث بنشاط عن LSP، مما قد يفتح آفاقًا جديدة في فهمنا للكون والمادة المظلمة.