اندازه‌گيري‌هاي سرن و احتمال وجود يك حالت جديد از فيزيك نوين

از اواسط قرن بيستم، فيزيك‌دان‌هاي كوانتومي به تجزيه‌ي انديشه متخصصينيه‌ي يكپارچه‌ي فيزيكي  كه بر اساس انديشه متخصصينيه‌ي انيشتين ارائه شده بود، پرداختند. فيزيك بزرگ بر اساس جاذبه تعريف مي‌شد؛ اما تنها فيزيك كوانتومي قادر به توصيف مشاهدات در سطح كوچك بود. در نتيجه كشمكش تئوري بين جاذبه و سه نيروي اصلي ديگر  ادامه يافت و فيزيك‌دان‌ها تلاش كردند جاذبه يا فيزيكي كوانتوم را براي استنتاج نيروهاي ديگر توسعه دهند.

اندازه‌گيري‌هاي اخير  شتاب‌دهنده‌ي هادروني بزرگ ناسازگاري‌هايي نسبت به پيشگويي‌هاي مدل استاندارد نشان مي‌دهد كه مي‌توانند حوزه‌هاي كاملا جديدي از بنيان جهان را با فيزيك كوانتومي توصيف كند. اگرچه براي اثبات اين ناهنجاري‌ها نياز به تست‌هاي تكراري است؛             اما يك اثبات مي‌تواند نقطه‌ي بازگشتي در اغلب توصيف‌هاي اساسي فيزيك ذرات تا اين تاريخ به شمار برود.

 بر اساس پيشگويي‌هاي مدل استاندارد فركانس، فيزيك كوانتومي در مطالعه‌هاي جديد نشان مي‌دهد مزون‌ها به ذرات كائون و ميون تجزيه نمي‌شوند. به عقيده‌ي پژوهشگرها، افزايش توان شتاب‌دهنده‌ي هادروني بزرگ (LHC) يك نوع جديد ذره را آشكار مي‌كند؛ ذره‌اي كه علت اين ناسازگاري به شمار مي‌رود. اگرچه خطاي داده‌اي يا تئوري مي‌تواند دليل اين ناسازگاري باشد ، LHC به جاي كشف يك ذره‌ي جديد،  مي‌تواند اثباتي را براي پروژه‌هاي مختلف در فيزيك جديد ارائه دهد.

مدل استاندارد يك انديشه متخصصينيه‌ي بنيادي فيزيك كوانتومي است كه به توصيف سه نيرو از چهار نيروي بنيادي مي‌پردازد كه بر واقعيت فيزيك حاكم هستند. ذرات كوانتومي در دو دسته‌ي اصلي كوارك‌ها و لپتون‌ها ظاهر مي‌شوند. كوارك‌ها در تركيب‌هاي مختلف براي ساخت ذراتي مثل پروتون و نوترون به يكديگر مي‌پيوندند. پروتون‌ها، نوترون‌ها و الكترون‌ها هم ذرات سازنده‌ي اتم‌ها هستند.

 به گفته‌ي پروفسور اسپنسر كلين، محقق ارشد آزمايشگاه ملي بركلي لاورنس، يك واريانس سيگماي ۲.۵ يا احتمال يك در هشتاد به دست آمده و به اين معني است كه در نبود اثرات غير قابل انتظار، از جمله فيزيك جديد، توزيعي با انحراف بيشتر از حد تصور ۱.۲۵ درصد مواقع رخ خواهد داد.

اين يافته نشان مي‌دهد فركانس مزون‌هايي كه در تست‌هاي برخورد پروتون LHC به كوارك‌هاي عجيب تجزيه مي‌شوند، زير فركانس قابل پيش‌بيني است. كلين مي‌گويد:

تنش اصلي اينجا است كه با يك سيگماي ۲.۵ يا انحراف استاندارد از نرخ تجزيه‌ي نرمال، داده‌ها و انديشه متخصصينيه زير سطح استاندارد قرار مي‌گيرند يا حتي نشان‌دهنده‌ي چيزي فراتر از مدل استاندارد هستند.

LHC تاكنون به صدها نتيجه رسيده است. از انديشه متخصصين آماري بعضي از نتايج، نوسان‌هاي سيگما ۲.۵ را نشان مي‌دهند. به گفته‌ي كلين، فيزيكدان‌ها بر اساس ۱ در ۳۵ ميليون نوسان، قبل از هر اتفاقي بايد منتظر سيگما ۵ باشند.

اين مشاهدات ناهنجار در خلأ وجود ندارند. به‌گفته‌ي دكتر تيونگ يو، يكي از مؤلفان اين مطالعه و پژوهشگر فيزيك تئوري كالج كايوس و گونويل، دانشگاه كمبريج:

 جنبه‌ي جذاب اين دو ذره، هماهنگي آن‌ها با اندازه‌گيري‌هاي ناهنجاري در فرآيند‌هاي ديگر مثل مزون‌هاي B است كه در سال‌هاي اخير ايجاد شده‌اند . اين اندازه‌گيري‌هاي مستقل، دقت كمتر  اما اهميت بيشتري داشتند. شانس اندازه‌گيري اين جرم‌هاي مختلف و انحراف آن‌ها از مدل استاندارد به يك روش سازگار، نزديك به احتمال يك در ۱۶۰۰۰ يا ۴ سيگما است.

به جز خطاهاي تئوري يا آماري، تيوونگ شك دارد كه ناهنجاري‌ها بتوانند وجود ذرات جديد موسوم به لپتوكوارك‌ها يا ذرات زد پرايم را پوشش دهند. در مزون‌هاي بوتوم، برانگيختگي‌هاي كوانتومي ذرات جديد ممكن است با فركانس تجزيه‌ي نرمال در تداخل باشد. محققان در اين مطالعه نتيجه مي‌گيرند كه يك LHC ارتقاءيافته مي‌تواند تأييدي براي وجود ذرات جديد باشد، اين ذرات يك به‌روزرساني عمده در مدل استاندارد ايجاد خواهند كرد. تيوونگ اظهار مي‌كند:

درك بنيادي ما از جهان متحول خواهد شد. اين كشف براي فيزيك ذرات به اين معني است كه به يك لايه‌ي ديگر از طبيعت دست خواهيم يافت و به سفر اكتشافي خود براي بنيادي‌ترين بلوك‌هاي سازنده ادامه خواهيم داد. اين نتيجه به كشف مفاهيمي در مورد كيهان‌شناسي كمك مي‌كند زيرا به تئوري‌هاي بنيادي ما براي درك جهان وابسته است. تعامل بين كيهان‌شناسي و فيزيك ذرات در گذشته بسيار ثمربخش بوده است. ممكن است ماده‌ي تاريك هم وابسته به فيزيك جديدي باشد لپتوكوارك يا زد پرايم در آن تعبيه شده‌اند، در نتيجه مي توانيم نشانه‌هايي براي كشف آن پيدا كنيم.

تاكنون دانشمندان LHC،  در سطوح بالاتر انرژي، شاهد تكاپوها و ناهنجاري‌هايي در ذرات بوده‌اند. به گفته‌ي تيونگ: 

براي اثبات وجود اين ذرات، دانشمندان بايد به اثبات نشانه‌هاي غير مستقيم بپردازند و اين يعني بايد تا جمع‌آوري نتايج آزمايش LHCb در رابطه با تجزيه‌ي B و اندازه‌گيري‌هاي دقيق‌تر صبر كنند. البته ما يك اثبات مستقل را هم با يك آزمايش ديگر به نام Belle II انجام مي‌دهيم كه در چند سال آينده به‌صورت الكترونيك در دسترس خواهد بود. در صورتي كه اندازه‌گيري تجزيه‌ي B باز هم در تضاد با پيشگويي‌هاي مدل استاندارد باشد، مي‌توانيم مطمئن شويم كه چيزي فراتر از مدل استاندارد مسئول اين اتفاق است و به‌عنوان توجيه اين مسئله به لپتوكوارك‌ها يا زد پرايم اشاره كنيم.

هدف فيزيك‌دان‌ها براي اثبات وجود اين ذرات، توليد ذرات در شتاب‌دهنده‌ها و نظارت بر تجزيه‌ي آن‌ها است، اين روش مشابه توليد هيگ بوسون‌ها و بوتوم مزون‌ها است. تيوونگ مي‌گويد

بايد قادر به ديدن لپتوكوارك‌ها يا زد پرايم از برخوردهاي LHC باشيم. اين كه تاكنون نتوانستيم اين ذرات عجيب را در LHC ببينيم به اين معني است كه ذرات بسيار سنگين هستند و به انرژي بيشتري براي توليد آن‌ها نياز داريم. اين نتيجه همان تخميني است كه در مقاله‌ي خود به دست آورديم: امكان كشف مستقيم ذرات لپتوكوارك يا زد پرايم در شتاب‌دهنده‌هاي آينده با انرژي بالاتر.

جست‌وجوي ذرات جديد در LHC بازي انتظار نيست.  احتمال مشاهده‌ي پديده‌ي جديد وابسته به تعداد ذرات جديد در برخوردها است. به گفته‌ي تيونگ هرچقدر ذرات بيشتري ظاهر شوند، احتمال مشاهده‌ي ذرات در رويدادهاي پس‌زمينه‌ي آن برخوردها بالاتر مي‌رود. او يافتن ذرات جديد را به جستجوي سوزن در انبار كاه تشبيه مي‌كند؛ اگر انبار كاه پر از سوزن باشد يافتن سوزن آسان‌تر مي‌شود. نسبت توليد هم به جرم ذره و پيوند ذرات وابسته است: ذرات سنگين‌تر به انرژي بيشتري براي توليد نياز دارند.

به همين دليل تيوونگ و همكاران او آلاناخ و بن گريپيوس ، توسعه‌ي طول حلقه‌ي LHC را پيشنهاد مي‌دهند كه منجر به كاهش توان مغناطيسي مورد نياز براي شتاب دادن به ذرات يا جايگذاري آهن‌رباهاي فعلي با آهنرباهاي قوي‌تر مي‌شود.

به گفته‌ي تيوونگ، آزمايشگاه CERN تا اواسط دهه‌ي ۲۰۳۰ با تنظيمات فعلي به راه‌اندازي LHC خواهد پرداخت. سپس آهنرباهاي LHC را ارتقاء مي‌دهند و به اين صورت استحكام آن دوبرابر خواهد شد. علاوه بر آهنرباهاي قدرتمند، تونل هم از ۲۷ كيلومتر به ۱۰۰ كيلومتر (۱۷ تا ۶۲ مايل) توسعه خواهد يافت. تيوونگ معتقد است كه:

 اثر تركيبي هفت برابر انرژي بيشتري نسبت به LHC خواهد داشت. مقياس زماني براي تكميل اين فرآيند حداقل تا دهه‌ي ۲۰۴۰ به طول خواهد انجاميد، زيرا پيش‌بيني‌هاي معنادار براي آن بسيار زود خواهد بود.

اگر ناهنجاري‌هاي لپتوكوارك يا زدپرايم ثابت شوند، مدل استاندارد نياز به تغيير خواهد داشت. به گفته‌ي تيونگ اين احتمال وجود دارد كه تغيير مقياس‌هاي انرژي به‌طور مستقيم در دسترس نسل بعدي شتاب‌دهنده‌ها قرار بگيرد و همين نتيجه‌ي تضميني براي پاسخگويي به سؤال‌ها خواهد بود. با اينكه ماده‌ي تاريك ربطي به فيزيك لپتوكوارك‌ها يا زدپرايم‌ها ندارد، بهترين كاري كه مي‌توان انجام داد جستجوي تعداد اندازه‌گيري‌هاي ناهنجاري در شتاب‌دهنده‌ها، آزمايش‌هاي كوچكتر فيزيك ذرات، جستجوهاي ماده‌ي تاريك يا مشاهدات اخترفيزيكي و كيهان‌شناسي براي پاسخ به اين سوال است. سپس مي‌توان ارتباطي بين ناهنجاري‌ها ايجاد كرد و اين ارتباط بر اساس يك انديشه متخصصينيه شكل مي‌گيرد.