آیا نیروی پنجم طبیعت با آزمایش جدید فیزیکدانان آشکار خواهد شد؟

مدل استاندارد فیزیک ذرات که بیش از ۵۰ سال پیش برای توضیح کوچک‌ترین عناصر سازنده‌ی طبیعت طراحی شد، با وجود موفقیت فوق‌العاده‌اش در پیش‌بینی وجود ذرات و نیروهای جدید، آن «نظریه همه‌چیز» و کاملی نیست که فیزیکدانان از دیرباز آرزویش را داشته‌اند.

نظریه‌ی کنونی چندین مشکل دارد. درواقع این مدل نه گرانش را توصیف می‌کند و نه اجزای ناشناخته‌ای را که بخش عمده‌ی چگالی انرژی در جهان را تشکیل می‌دهند: ماده تاریک و انرژی تاریک. درنتیجه فیزیکدانان ذرات در جستجوی گنج هستند و تلاش می‌کنند تا هرگونه انحراف احتمالی از رفتار «مورد انتظار» را که می‌تواند به فیزیک جدیدی اشاره داشته باشد، پیدا کنند.

اکنون به‌گزارش لایوساینس، دانشمندانی که پشت یکی از بزرگ‌ترین آزمایش‌های فیزیک ذرات قرار دارند، می‌گویند یک ذره‌ی کوچک درحال نوسان ممکن است در آستانه‌ی آشکارسازی نیروی پنجم طبیعت باشد. فیزیکدانان آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی در نزدیکی شیکاگو شواهد بیشتری پیدا کرده‌اند که نشان می‌دهد ذره‌ی زیراتمی میون بسیار بیشتر از آنچه باید نوسان می‌کند یا تاب می‌خورد. دانشمندان فکر می‌کنند این نوسان بیش از حد دراثر فشار یک نیروی ناشناخته رخ می‌دهد.

میون‌ها که گاهی‌اوقات «الکترون‌های چاق» نامیده می‌شوند، به الکترون‌ها شباهت دارند، اما ۲۰۰ برابر سنگین‌تر و از نظر رادیواکتیو ناپایدار هستند؛ به‌گونه‌ای که در یک‌میلیونم ثانیه به الکترون‌ها و ذرات ریز، شبح‌آلود و بدون بار معروف به نوترینو وامی‌پاشند. میون‌ها همچنین خاصیتی فرفره‌مانند دارند که موجب می‌شود وقتی درون میدان مغناطیسی قرار بگیرند، مثل ژیروسکوپ‌های کوچک تاب بخورند.

فیزیکدانان آزمایشگاه فرمی برای بررسی نوسانات میون‌ها، آن‌ها را درون محفظه‌ای مغناطیسی و ابررسانا به نام «حلقه ذخیره‌سازی» با دمای منفی ۲۶۸ درجه سانتی‌گراد، با سرعت تقریبا نزدیک به نور به چرخش درآوردند. پژوهشگران با بررسی چگونگی تاب‌خوردن میون‌ها درحین هزاران دور چرخش در اطراف حلقه‌ی ۱۵ متری، داده‌هایی را جمع‌آوری کردند که از نوسان بیش از حد انتظار آن‌ها حکایت می‌کنند.

دانشمندان مطالعه می‌گویند توضیح این نوسان بیش از حد وجود نیرویی است که هنوز به‌وسیله‌ی مدل استاندارد توضیح داده نشده است. این پدیده‌ی مرموز می‌تواند یک نیروی کاملا ناشناخته از طبیعت باشد. (ما اکنون چهار نیروی شناخته‌شده به نام گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف داریم.) از طرف دیگر، عامل نوسانات بیشتر می‌تواند ذره‌ی عجیبی ناشناخته یا شواهدی از یک بعد جدید یا جنبه‌ای کشف‌نشده از فضازمان باشد.

بااین‌حال تایید کامل نتایج کمی زمان‌بر است. فیزیکدانان برای اطمینان بیشتر از تمام داده‌های جمع‌آوری‌شده درطول آزمایش‌های سال ۲۰۱۸ تا ۲۰۲۳ استفاده خواهند کرد. نتیجه‌ی کنونی فقط داده‌های سال ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰ را درنظر گرفته است. آن‌ها همچنین باید منتظر باشند تا پیش‌بینی‌های نظری از مدل استاندارد با نتایج تجربی همگام شوند.

برهم‌کنش بین تاب‌خوردن میون و میدان مغناطیسی به‌وسیله‌ی یک ثابت بی‌بعد به نام «g» (نسبت چرخامغناطیسی) کمی‌سازی می‌شود. پل دیراک، فیزیکدان مطرح بریتانیایی مقدار جی را ۲ (g=2) پیش‌بینی کرده بود؛‌ اما طبق مکانیک کوانتومی یا نظریه‌ی حاکم بر دنیای زیراتمی که مدل استاندارد به آن تکیه دارد، فضاهای خالی پر از «ذرات مجازی» است که برای لحظه‌ای زودگذر ظاهر و سپس با نابودی دوباره، ناپدید می‌شوند.

ذرات مجازی بر برهم‌کنش میون با میدان مغناطیسی اثر می‌گذارند و مقدار جی را به کمی بیش از ۲ افزایش می‌دهند. به‌همین دلیل، آزمایشی که این تفاوت را بررسی می‌کند، «g-2» نام گرفته است. هر تکه‌ی گمشده در مدل استاندارد، این نرخ را کمی بیشتر یا کمتر از حد پیش‌بینی‌شده تغییر می‌دهد و آن را به ابزار جستجویی قدرتمند برای فیزیک جدید تبدیل می‌کند.

اکنون، نتیجه‌ی جدید در آزمایشگاه فرمی که با استفاده از داده‌های جمع‌آوری‌شده در سال‌های ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰ به‌دست آمده، تا چهار برابر میون بیشتر از نتیجه‌ی آزمایش سال ۲۰۲۱ را بررسی می‌کند و مجموع عدم قطعیت را دو برابر کاهش می‌دهد. این موجب می‌شود که اندازه‌گیری اخیر، دقیق‌ترین تعیین نوسانات میون باشد که تاکنون انجام شده است.

پژوهشگران آزمایشگاه فرمی امیدوارند که نتایج کاملی که انتظار دارند، در سال ۲۰۲۵ آماده شوند و به اندازه‌ی کافی دقیق باشد تا خوانشی واضح ارائه دهد.