اندازه‌گیری‌های سرن و احتمال وجود یک حالت جدید از فیزیک نوین

از اواسط قرن بیستم، فیزیک‌دان‌های کوانتومی به تجزیه‌ی نظریه‌ی یکپارچه‌ی فیزیکی  که بر اساس نظریه‌ی انیشتین ارائه شده بود، پرداختند. فیزیک بزرگ بر اساس جاذبه تعریف می‌شد؛ اما تنها فیزیک کوانتومی قادر به توصیف مشاهدات در سطح کوچک بود. در نتیجه کشمکش تئوری بین جاذبه و سه نیروی اصلی دیگر  ادامه یافت و فیزیک‌دان‌ها تلاش کردند جاذبه یا فیزیکی کوانتوم را برای استنتاج نیروهای دیگر توسعه دهند.

اندازه‌گیری‌های اخیر  شتاب‌دهنده‌ی هادرونی بزرگ ناسازگاری‌هایی نسبت به پیشگویی‌های مدل استاندارد نشان می‌دهد که می‌توانند حوزه‌های کاملا جدیدی از بنیان جهان را با فیزیک کوانتومی توصیف کند. اگرچه برای اثبات این ناهنجاری‌ها نیاز به تست‌های تکراری است؛             اما یک اثبات می‌تواند نقطه‌ی بازگشتی در اغلب توصیف‌های اساسی فیزیک ذرات تا این تاریخ به شمار برود.

 بر اساس پیشگویی‌های مدل استاندارد فرکانس، فیزیک کوانتومی در بررسی‌های جدید نشان می‌دهد مزون‌ها به ذرات کائون و میون تجزیه نمی‌شوند. به عقیده‌ی پژوهشگرها، افزایش توان شتاب‌دهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) یک نوع جدید ذره را آشکار می‌کند؛ ذره‌ای که علت این ناسازگاری به شمار می‌رود. اگرچه خطای داده‌ای یا تئوری می‌تواند دلیل این ناسازگاری باشد ، LHC به جای کشف یک ذره‌ی جدید،  می‌تواند اثباتی را برای پروژه‌های مختلف در فیزیک جدید ارائه دهد.

مدل استاندارد یک نظریه‌ی بنیادی فیزیک کوانتومی است که به توصیف سه نیرو از چهار نیروی بنیادی می‌پردازد که بر واقعیت فیزیک حاکم هستند. ذرات کوانتومی در دو دسته‌ی اصلی کوارک‌ها و لپتون‌ها ظاهر می‌شوند. کوارک‌ها در ترکیب‌های مختلف برای ساخت ذراتی مثل پروتون و نوترون به یکدیگر می‌پیوندند. پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها هم ذرات سازنده‌ی اتم‌ها هستند.

 به گفته‌ی پروفسور اسپنسر کلین، محقق ارشد آزمایشگاه ملی برکلی لاورنس، یک واریانس سیگمای ۲.۵ یا احتمال یک در هشتاد به دست آمده و به این معنی است که در نبود اثرات غیر قابل انتظار، از جمله فیزیک جدید، توزیعی با انحراف بیشتر از حد تصور ۱.۲۵ درصد مواقع رخ خواهد داد.

این یافته نشان می‌دهد فرکانس مزون‌هایی که در تست‌های برخورد پروتون LHC به کوارک‌های عجیب تجزیه می‌شوند، زیر فرکانس قابل پیش‌بینی است. کلین می‌گوید:

تنش اصلی اینجا است که با یک سیگمای ۲.۵ یا انحراف استاندارد از نرخ تجزیه‌ی نرمال، داده‌ها و نظریه زیر سطح استاندارد قرار می‌گیرند یا حتی نشان‌دهنده‌ی چیزی فراتر از مدل استاندارد هستند.

LHC تاکنون به صدها نتیجه رسیده است. از نظر آماری بعضی از نتایج، نوسان‌های سیگما ۲.۵ را نشان می‌دهند. به گفته‌ی کلین، فیزیکدان‌ها بر اساس ۱ در ۳۵ میلیون نوسان، قبل از هر اتفاقی باید منتظر سیگما ۵ باشند.

این مشاهدات ناهنجار در خلأ وجود ندارند. به‌گفته‌ی دکتر تیونگ یو، یکی از مؤلفان این بررسی و پژوهشگر فیزیک تئوری کالج کایوس و گونویل، دانشگاه کمبریج:

 جنبه‌ی جذاب این دو ذره، هماهنگی آن‌ها با اندازه‌گیری‌های ناهنجاری در فرآیند‌های دیگر مثل مزون‌های B است که در سال‌های اخیر ایجاد شده‌اند . این اندازه‌گیری‌های مستقل، دقت کمتر  اما اهمیت بیشتری داشتند. شانس اندازه‌گیری این جرم‌های مختلف و انحراف آن‌ها از مدل استاندارد به یک روش سازگار، نزدیک به احتمال یک در ۱۶۰۰۰ یا ۴ سیگما است.

به جز خطاهای تئوری یا آماری، تیوونگ شک دارد که ناهنجاری‌ها بتوانند وجود ذرات جدید موسوم به لپتوکوارک‌ها یا ذرات زد پرایم را پوشش دهند. در مزون‌های بوتوم، برانگیختگی‌های کوانتومی ذرات جدید ممکن است با فرکانس تجزیه‌ی نرمال در تداخل باشد. محققان در این مطالعه نتیجه می‌گیرند که یک LHC ارتقاءیافته می‌تواند تأییدی برای وجود ذرات جدید باشد، این ذرات یک به‌روزرسانی عمده در مدل استاندارد ایجاد خواهند کرد. تیوونگ اظهار می‌کند:

درک بنیادی ما از جهان متحول خواهد شد. این کشف برای فیزیک ذرات به این معنی است که به یک لایه‌ی دیگر از طبیعت دست خواهیم یافت و به سفر اکتشافی خود برای بنیادی‌ترین بلوک‌های سازنده ادامه خواهیم داد. این نتیجه به کشف مفاهیمی در مورد کیهان‌شناسی کمک می‌کند زیرا به تئوری‌های بنیادی ما برای درک جهان وابسته است. تعامل بین کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات در گذشته بسیار ثمربخش بوده است. ممکن است ماده‌ی تاریک هم وابسته به فیزیک جدیدی باشد لپتوکوارک یا زد پرایم در آن تعبیه شده‌اند، در نتیجه می توانیم نشانه‌هایی برای کشف آن پیدا کنیم.

تاکنون دانشمندان LHC،  در سطوح بالاتر انرژی، شاهد تکاپوها و ناهنجاری‌هایی در ذرات بوده‌اند. به گفته‌ی تیونگ: 

برای اثبات وجود این ذرات، دانشمندان باید به اثبات نشانه‌های غیر مستقیم بپردازند و این یعنی باید تا جمع‌آوری نتایج آزمایش LHCb در رابطه با تجزیه‌ی B و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر صبر کنند. البته ما یک اثبات مستقل را هم با یک آزمایش دیگر به نام Belle II انجام می‌دهیم که در چند سال آینده به‌صورت آنلاین در دسترس خواهد بود. در صورتی که اندازه‌گیری تجزیه‌ی B باز هم در تضاد با پیشگویی‌های مدل استاندارد باشد، می‌توانیم مطمئن شویم که چیزی فراتر از مدل استاندارد مسئول این اتفاق است و به‌عنوان توجیه این مسئله به لپتوکوارک‌ها یا زد پرایم اشاره کنیم.

هدف فیزیک‌دان‌ها برای اثبات وجود این ذرات، تولید ذرات در شتاب‌دهنده‌ها و نظارت بر تجزیه‌ی آن‌ها است، این روش مشابه تولید هیگ بوسون‌ها و بوتوم مزون‌ها است. تیوونگ می‌گوید

باید قادر به دیدن لپتوکوارک‌ها یا زد پرایم از برخوردهای LHC باشیم. این که تاکنون نتوانستیم این ذرات عجیب را در LHC ببینیم به این معنی است که ذرات بسیار سنگین هستند و به انرژی بیشتری برای تولید آن‌ها نیاز داریم. این نتیجه همان تخمینی است که در مقاله‌ی خود به دست آوردیم: امکان کشف مستقیم ذرات لپتوکوارک یا زد پرایم در شتاب‌دهنده‌های آینده با انرژی بالاتر.

جست‌وجوی ذرات جدید در LHC بازی انتظار نیست.  احتمال مشاهده‌ی پدیده‌ی جدید وابسته به تعداد ذرات جدید در برخوردها است. به گفته‌ی تیونگ هرچقدر ذرات بیشتری ظاهر شوند، احتمال مشاهده‌ی ذرات در رویدادهای پس‌زمینه‌ی آن برخوردها بالاتر می‌رود. او یافتن ذرات جدید را به جستجوی سوزن در انبار کاه تشبیه می‌کند؛ اگر انبار کاه پر از سوزن باشد یافتن سوزن آسان‌تر می‌شود. نسبت تولید هم به جرم ذره و پیوند ذرات وابسته است: ذرات سنگین‌تر به انرژی بیشتری برای تولید نیاز دارند.

به همین دلیل تیوونگ و همکاران او آلاناخ و بن گریپیوس ، توسعه‌ی طول حلقه‌ی LHC را پیشنهاد می‌دهند که منجر به کاهش توان مغناطیسی مورد نیاز برای شتاب دادن به ذرات یا جایگذاری آهن‌رباهای فعلی با آهنرباهای قوی‌تر می‌شود.

به گفته‌ی تیوونگ، آزمایشگاه CERN تا اواسط دهه‌ی ۲۰۳۰ با تنظیمات فعلی به راه‌اندازی LHC خواهد پرداخت. سپس آهنرباهای LHC را ارتقاء می‌دهند و به این صورت استحکام آن دوبرابر خواهد شد. علاوه بر آهنرباهای قدرتمند، تونل هم از ۲۷ کیلومتر به ۱۰۰ کیلومتر (۱۷ تا ۶۲ مایل) توسعه خواهد یافت. تیوونگ معتقد است که:

 اثر ترکیبی هفت برابر انرژی بیشتری نسبت به LHC خواهد داشت. مقیاس زمانی برای تکمیل این فرآیند حداقل تا دهه‌ی ۲۰۴۰ به طول خواهد انجامید، زیرا پیش‌بینی‌های معنادار برای آن بسیار زود خواهد بود.

اگر ناهنجاری‌های لپتوکوارک یا زدپرایم ثابت شوند، مدل استاندارد نیاز به تغییر خواهد داشت. به گفته‌ی تیونگ این احتمال وجود دارد که تغییر مقیاس‌های انرژی به‌طور مستقیم در دسترس نسل بعدی شتاب‌دهنده‌ها قرار بگیرد و همین نتیجه‌ی تضمینی برای پاسخگویی به سؤال‌ها خواهد بود. با اینکه ماده‌ی تاریک ربطی به فیزیک لپتوکوارک‌ها یا زدپرایم‌ها ندارد، بهترین کاری که می‌توان انجام داد جستجوی تعداد اندازه‌گیری‌های ناهنجاری در شتاب‌دهنده‌ها، آزمایش‌های کوچکتر فیزیک ذرات، جستجوهای ماده‌ی تاریک یا مشاهدات اخترفیزیکی و کیهان‌شناسی برای پاسخ به این سوال است. سپس می‌توان ارتباطی بین ناهنجاری‌ها ایجاد کرد و این ارتباط بر اساس یک نظریه شکل می‌گیرد.