حل یکی از مسائل بزرگ فیزیک استاندارد؛ جهان ما چگونه قوانین تقارن را زیر پا می گذارد؟

نتایج جدیدی که از سرن (CERN) به دست آمده، یکی از بزرگترین خلا های موجود در مدل استاندارد فیزیک را پر می کند.

گویا آی تی – در میان ده ها سوال بی پاسخی که در مورد توانایی مدل استاندارد فیزیک برای توضیح جهان و هر آنچه در آن است، مطرح می شود، سوال در مورد راز عدم تقارن ماده – پادماده، یکی از بزرگترین و مهم ترین سوالهاست.
مقادیر مساوی از ماده و پادماده که توسط انفجار بزرگ (بیگ بنگ) تولید شده، باید یکدیگر را حذف کنند، و در نتیجه جهانی داشته باشیم که به سختی بتوان ذره ای در آن یافت، اما میبینیم که اینگونه نیست. اکنون، نتایج جدید که از یک آشکارساز برخورد دهنده هادرون بزرگ در سرن به دست آمده، بهترین فرصت را برای توضیح پارادوکس وجود خود ما فراهم ساخته است.
قوانین فیزیک پیش بینی می کنند که برای هر ذره از یک ماده منظم، یک پادذره برابر، اما مخالف، وجود دارد.
یعنی به ازای هر الکترون دارای بار منفی، یک پوزیترون دارای بار مثبت وجود دارد. برای هر اتم هیدروژن منظم، یک اتم پاد هیدروژن وجود دارد.
اگر وجود یک پادذره منجر به یافتن یک ذره منظم شود، آنها باید یکدیگر را نابود کنند، و انرژی را به شکل نور آزاد نمایند.
مشکل زمانی پیش می آید که ما این موضوع را در نظر بگیریم که مدل استاندارد فیزیک، پیش بینی می کند که بیگ بنگ باید مقدار مساوی از ذرات باریون را در فرم ماده و پادماده تولید کرده باشد؛ آنها را ماده باریونی و ماده پادباریونی می نامند.

باریونها نوع مهمی از ذرات زیراتمی هستند. همان طور که می دانید پروتون ها و نوترون ها بیشتر جرم ماده قابل مشاهده (مرئی) در جهان را تشکیل می دهند. آنها باریون هستند.
این حقیقت که در نهایت مقدار ماده باریونی در جهان بسیار بیشتر از ماده پادباریونی می باشد، مشکلاتی به وجود آورده است. زیرا مقادیر مساوی از ماده باریونی و پادباریونی که توسط انفجار بزرگ تولید شده، باید فورا و تقریبا همه چیز را نابود کنند، و جهانی داشته باشیم که به ندرت بتوان ذره ای در آن یافت؛ باید هر چه هست، پرتوهای مختلف باشد.
مدل استاندارد، عدم تقارن بسیار کمی برای ذرات باریونی در نظر می گیرد، اما قطعا این امر نمی تواند وفور بیش از حدی که امروز در ماده باریونی می بینیم را توضیح دهد.
پس این همه ماده چگونه تا به امروز باقی مانده اند؟
نقض تقارن موجود در جهان، حاکی از آن است که قوانین فیزیک برای ذرات ماده و پادماده یکسان نیستند، و فیزیکدانها تلاش کرده اند کشف کنند این قوانین کجا از واقعیت دور می شوند. این پدیده را “نقض پاریته – بار (CP)” می نامند.
تحقیقات گذشته، شواهدی مبنی بر نقش سی پی در مزون ها یافته اند . مزون ها، بخشی از خانواده ذرات هادرون هستند. اما برای پیش بینی مقدار ماده ای که امروزه در جهان وجود دارد، باید نقض سی پی را در باریونها نیز پیدا کنیم.

برای مدت بیش از نیم قرن، دانشمندان به دنبال شواهدی برای نقض سی پی در باریون ها بودند، و اکنون، محققان با یکی از آشکارسازهای برخورد دهنده هادرون بزرگ (LHC) در سرن، در سوئیس، کار می کنند که نتایج کار آنها نشان می دهد بالاخره نقض سی پی را در باریونها هم پیدا کرده اند.
این تیم تحقیقاتی با استفاده از آشکارساز LHCb، مقادیر قابل توجهی از یک نوع خاص از باریون (باریون Λb0) پادذره آن (Λb0-bar) را تولید کردند و مشاهده نمودند که هر کدام از آنها وقتی شکست، چگونه به یک پروتون (یا پادپروتون) و سه ذره باردار به نام پایون، تبدیل شد.
این تیم تحقیقاتی اعلام کرده است “این فرآیند بسیار نادر است، و پیش از این هرگز دیده نشده بود”.
“نرخ تولید بالای این باریون ها در LHC، و قابلیت های تخصصی آشکارساز LHCb، امکان جمع آوری یک نمونه خالص از حدود ۶۰۰۰ فروپاشی را فراهم کرد”.
این حقیقت که این ذرات به اجزای جداگانه ای تجزیه می شوند، حقیقت مهمی است. زیرا بر اساس این حقیقت، هر تفاوت – یا عدم تقارن – قابل توجه میان مقادیر باریون های ماده و پادماده، نتیجه نقض سی پی است. این دقیقا همان چیزی است که محققان یافته اند.

“داده های حاصل از LHCb، سطح قابل توجهی از عدم تقارن را در کمیت های حساس به نقض سی پی که در فروپاشی باریونهای Λb0 و Λb0-bar در نظر گرفته شدند، نشان می دهند. البته در برخی از موارد، به اندازه ۲۰ درصد تفاوت وجود داشت”.
این یافته ها بسیار هیجان انگیز است، و در واقع ما را در آستانه کشف یکی از مهمترین رازهای فیزیک نوین قرار می دهد… البته هنوز به این مرحله نرسیده ایم.
سرن گزارش می کند که سطح معناداری آماری، در سطح انحراف استاندارد ۳٫۳ بوده و فقط زمانی می توانید ادعای اکتشاف را داشته باشید که این مقدار به انحراف استاندارد ۵ برسد. این رقم نشان می دهد که نتایج به دست آمده توسط فیزیکدانها، تا چه اندازه به صورت شانسی به دست نیامده و واقعی هستند.

با توجه به میزان موفقیت آمیز بودن عملکرد LHCb در اثبات تولید این واکنش های باریونی، به احتمال زیاد باید بیشتر منتظر بمانیم تا ببینیم نتایج به دست آمده تایید می شوند یا رد.
به گفته کریس لی، در مصاحبه با Ars Technica، همچنان به دستیابی به عدد جادویی ۵ امیدواریم:
“نتایج فیزیک ذرات بنیادی، نتایجی پر سر و صدا هستند و از طریق تحلیل های آماری دقیق به دست می آیند؛ هیچ کشفی کامل نیست، مگر اینکه احتمال اتفاقی بودن آن، زیر یک در یک میلیون باشد. نتایجی که ما به دست آورده ایم، هنوز به این درجه نرسیده اند (احتمال اتفاقی بودن آنها، یک در یک هزار است)”.
پس می توانیم به نتایج خود امیدوار باشیم، و با توجه به این نرخ تولید داده در LHC ، عدم تقارن یا به سرعت تایید می شود یا به طور کلی ناپدید می گردد. با این حال، با توجه به اینکه نتایج به دست آمده برای مزون ها به خوبی تایید شده اند، اشتباه بودن نتایج به دست آمده در مورد باریون ها بسیار عجیب خواهد بود”.
فعلا فقط باید منتظر بمانیم، زیرا محققان در حال تحلیل یک مجموعه داده جدید و بزرگتر هستند که توسط LHC جمع آوری شده است. البته خوشبختانه دیگر لازم نیست برای دیدن یافته های آنها زیاد منتظر بمانیم.
نتایج این تحقیق در Nature Physics منتشر شده است.