شناسایی ذره‌ای جدید با جرمی بیشتر از پروتون در LHC

برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ بار دیگر موفق به انجام کاری شده که به نظر می‌رسد تبحر خاصی در آن پیدا کرده باشد! برخورد دادن چند ذره با همدیگر و یافتن ذره‌هایی جدید که در ادامه‌ی این تصادم‌ها به وجود می‌آیند.

این بار به نظر می‌رسد که فیزیکدانان با یک پدیده‌ی واقعا مسحورکننده‌ روبرو شده باشند. ذره‌ی جدید شناسایی‌شده چهار برابر سنگین‌تر از یک پروتون معمولی است و می‌تواند به دانشمندان در به چالش کشیدن ایده‌های مطرح‌شده در مورد چگونگی چسبیدن و پیوند یافتن این نوع از مواد با یکدیگر کمک کند.

ما ذره‌های جدید پرشماری را تا به امروز در پی همکاری‌های دانشمندان در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ در سرن (LHCb) شناخته‌ایم. LHCb در واقع به منزله‌ی خواهر کوچک‌تر آزمایش‌هایی همانند ATLAS و CMS است که چند سال پیش ما را در نهایت به شناسایی ذره‌ی معروف بوزون هیگز رهنمون کرده بودند.

تمامی آزمایش‌هایی که در برخورددهنده‌های سرن انجام می‌شوند دارای یک روند مشترک میان خودشان هستند؛ شتاب دادن به ماده و سپس متوقف ساختن سریع آن. پاشش‌های پی‌درپی انرژی منجر به ایجاد جریانی از ذرات با خاصیت‌های متفاوت می‌شود که بیشتر آنها نیز به‌نوعی با همدیگر مرتبط یا همبسته هستند.

بر پا ساختن چنین آزمایش‌هایی به‌ صورت‌های مختلف و مکرر و انجام محاسبات ریاضی روی اندازه و رفتار ذرات فوق در هنگام شکل‌گیری و برهم‌کنش آنها با یکدیگر می‌توانند در نهایت ما را به یک یافته یا برداشت جدید و ارزشمند سوق دهند.

اکنون به نظر می‌رسد که ما باید به‌طور رسمی یک نوع جدید از باریون را به مجموعه‌ی ذرات اضافه کنیم؛ ذره‌ای که وجود آن پیش از این نیز ثابت شده بود، ولی هیچگاه به‌طور مستقیم موفق به رویت آن نشده بودند.

دو باریونی که به احتمال زیاد همه‌ی ما با آنها آشناتر هستیم و در سال‌های تحصیلمان چیزهایی در مورد آنها خوانده‌ایم عبارتند از پوروتون و نوترون. همانطور که می‌دانیم این ذره‌ها هسته‌ی یک اتم را تشکیل می‌دهند.

باریون‌ها در واقع دسته‌های سه‌بخشی (تریپلت) متشکل از ذرات کوچک‌تری موسوم به کوارک‌ها هستند. کوارک‌ها به عنوان ذره‌های بنیادی شناخته می‌شوند که خودشان از هیچ ذره‌های کوچک‌تری تشیکل نیافته اند.

کوارک‌ها دارای اقسام مختلفی هستند که به هر یک از آنها flavor یا مزه گفته می‌شود. این مزه‌ها با نام‌های بالا، پایین، سر، ته، افسون و شگفت یا (up, down, top, bottom, charm, and strange) شناخته می‌شوند. ترکیب همین مزه‌ها است که باعث می‌شود تا ما با بوزون‌های مختلفی روبرو باشیم. مدل‌های اخیر پیش‌بینی می‌کنند که در میان روش‌های ممکن، برخی از روش‌ها وجود دارند که در آنها کوارک‌ها می‌توانند باریون‌ها را به‌طور متدوال‌تری بسازند.

 پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است؛ در حالی که نوترون از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا درست می‌شود. این کوارک‌های تحت نیرویی که با نام نیروی قوی هسته‌ای شناخته می‌شود با همدیگر پیوند می‌یابند. نیروی قوی هسته‌ای به‌خاطر تهاتر ذراتی موسوم به گلوئون‌ها ایجاد می‌شود. شاید با شنیدن این اسامی به این نتیجه برسیم که فیزیکدانان هم افراد شوخ‌طبعی هستند و این حس را حتی در کار خودشان نیز بروز می‌دهند.

این باریون جدید زمانی ساخته می‌شود که دو کوارک افسون و یک کوارک بالا با هم پیوند یابند. برای این ذره از نام عجیب ++Xi cc استفاده شده است.

کوارک‌ها دارای جرم‌های متفاوتی هستند و افسون در میان آنها به عنوان یک ذره‌ی سنگین قلمداد می‌شود. همین امر باعث می‌شود که باریون فوق اندکی سنگین باشد و این خبر برای فیزیکدانان خبر خوبی محسوب می‌شود. جیوانی پاسالوا، سخنگوی گروه LHCb در این باره گفته است:

یافتن یک باریون به میزان دو برابر سنگین‌تر دارای جذابیت زیادی است؛ زیرا این رویداد می‌تواند ابزاری منحصربه‌فرد برای کاوش‌های بیشتر در دنیای کرومودینامیک کوانتومی (همبست کردن کوارک‌ها با هم توسط گلوئون‌ها و تشکیل پروتون و نوترون) باشد. این تئوری در واقع برهم‌کنش قوی را توضیح می‌دهد که به عنوان یکی از چهار نیروی اساسی طبیعت آن را می‌شناسیم.

 مشاهده‌ی اینکه این ذره خود را به چه شکلی می‌تواند به‌صورت یکپارچه نگه دارد و مقایسه‌ی آن با پیش‌بینی‌های ارائه‌شده توسط مدل‌های کوانتومی می‌تواند باعث به چالش کشیده شدن برخی از آنها شود.

ساخته شدن از دو کوارک سنگین می‌تواند باعث اختصاص ساختاری به‌نسبت پیچیده‌تر در قیاس با پروتون‌ها و نوترون‌ها شود. سخنگوی قبلی این گروه آزمایشی هم در این باره می‌گوید:

در قیاس با سایر باریون‌ها که در آنها سه کوارک با یک روند هماهنگ در کنار همدیگر تعامل می‌کنند، انتظار می‌رود که باریون فعلی به عنوان باریونی به‌مقدار دو برابر سنگین‌تر، بتواند همانند یک سیستم سیاره‌ای عمل کند؛ جایی که در آنها دو کوارک سنگین در نقش ستاره‌های ثقیلی ظاهر می‌شوند که به دور دیگری در حال چرخش هستند و کوارک سبک‌تر هم در همان حال به دور این سیستم دوتایی گردش می‌کند.

شاید شما هم از این موضوع در تعجب باشید که این باریون تا به این زمان و طی این سال‌ها چرا شناسایی نشده است. باید در نظر داشته باشیم که ذره‌های زیادی به همین شکل احتمالا وجود دارند که هیچگاه رویت نمی‌شوند. ولی از طرفی هم وجود این باریون پیش‌تر از نظر علمی تشخیص داده شده بود و هم‌اکنون نیز به‌طور مستقیم رویت شده است.

 آزمایش LHCb به عنوان پیشتاز در ردیابی چنین فروپاشی‌هایی و فرآورده‌های حاصل از آنها شناخته می‌شود و در ساختن کوارک‌های سنگین نیز دارای عملکرد خوبی بوده است.

دستاوردهای این پژوهش‌ در Physical Review Letters منتشر شده است.