کشفی که قوانین فیزیک را دگرگون میکند
- مجموعه: نوآوری و کشفیات علمی
به گزارش ایسنا، اکنون، تحلیلی از یک آزمایش در برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن یکی از این انحرافها از مدل استاندارد را نشان داده است. این انحراف از مدل اصلی به واپاشی ذراتی به نام مزون B به ذراتی دیگر برمیگردد. این نتیجه یکی از آخرین ناهنجاریهای باقی مانده برای فیزیکدانان ذرات است که به دنبال فیزیک جدید در بقایای برخوردهای پروتون-پروتون هستند که انرژی را به ماده تبدیل میکند.
این آزمایش چه چیزی را نشان داد؟
بهجای جستوجوی مستقیم برای ذرات سنگین جدید، آزمایش برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن به طور غیرمستقیم به دنبال اثرات ظریف آنهاست؛ از جمله زمانی که این ذرات بهصورت گذرا به شکل «ذرات مجازی» ظاهر میشوند و این بر واپاشیها تأثیر میگذارند.
برای بررسی این اثرات، پژوهشگران، فراوانی و زاویهای را که ذرات از واپاشیها خارج میشوند، تحلیل کردند تا ببینند آیا با پیشبینیهای مدل استاندارد همخوانی دارند یا خیر. تحلیل جدید به حالتی میپردازد که در آن یک مزون B که ذرهای متشکل از یک کوارک انتهایی (bottom) و یک کوارک سبکتر است، به مزونی دیگر که شامل یک کوارک شگفت (strange) است (به نام کائون) بههمراه دو میون که خویشاوندان سنگینتر الکترون هستند، واپاشی میکند.
به زبان ساده، برای آنکه رفتار ذرات بسیار ریز داخل یک اتم را درک کنیم باید فروپاشی یک ذره ناپایادار همچون مزون B را بررسی کنیم. مزون B از دو کوارک ساخته شده و کوارکها واحدهای سازنده پروتون، نوترون و الکترونها هستند. در این فرایند کوارکها تبدیل به ذرهای از خانواده الکترونها به نام میونها میشوند.
دانشمندان دریافتند زاویهای که محصولات نهایی واپاشی در آن خارج میشوند، با پیشبینیهای مدل استاندارد همخوانی ندارد. شواهد این ناهنجاری از سال ۲۰۱۵ در حال افزایش بوده است.
این مطالعه چگونه به فیزیک جدید اشاره میکند؟
فیزیکدانان فکر میکنند این نوع واپاشی مزون B که به «واپاشی پنگوئنی» معروف است، به طور ویژه مانند یک آزمایش فوق حساس است.
این واپاشی شامل یک حلقه کوانتومی است؛ جایی که یک کوارک انتهایی به یک کوارک شگفت از طریق گذار موقتی به «ذرات مجازی» که به طور لحظهای ظاهر و ناپدید میشوند، تبدیل میشود. فیزیک کوانتومی اجازه میدهد حتی ذرات سنگین خارج از مدل استاندارد نیز بهطور گذرا وارد این حلقه شوند و ویژگیهایی به محصولات نهایی بدهند که تنها با ذرات شناخته شده ممکن نمیشود.
از آنجا که این واپاشی بسیار نادر است و حدود یک در یک میلیارد مزون B رخ میدهد، تأثیر ذرات جدید راحتتر قابل مشاهده است. این تحلیل شامل حدود ۶۵۰ میلیارد واپاشی ثبتشده در طی دو دوره بین ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۸ است. اندازهگیری زاویهها با اختلافی در حد حدود ۴ سیگما از مدل استاندارد فاصله دارد. این یعنی احتمال این که نویز تصادفی چنین سیگنالی ایجاد کند، حدود یک در ۱۶ هزار است.
اگر این سیگنال واقعی باشد، چه ذراتی میتوانند آن را توضیح دهند؟
یکی از احتمالها وجود ذرهای به نام Z′ (زد پرایم) است؛ یک ذره مجازی که ممکن است در واپاشی مزونهای B نقش داشته باشد. این ذره فرضی مشابه بوزون Z که یکی از حاملان نیروی هستهای ضعیف است، به شمار میرود؛ اما از آن سنگینتر است و تمایل دارد با خانوادههای خاصی از ذرات برهمکنش کند.
احتمال دیگر وجود «لپتوکوارک» است؛ ذرهای کوتاهعمر که در انرژیهای بالا ویژگیهای دو خانواده ذرات یعنی لپتونها و کوارکها را همزمان دارد. این ذرات نیز میتوانند چنین واپاشیهایی را توضیح دهند.
چه ناهنجاریهای دیگری مدل استاندارد را به چالش میکشند؟
تقریباً هیچ مورد مهم دیگری باقی نمانده است. برخی اختلافهای قبلی در دادههای مزونهای B یا رفتار میونها با دادههای جدید از بین رفتهاند. بنابراین این ناهنجاری یکی از آخرین سرنخهای جدی برای فیزیک جدید است.
چه زمانی اطلاعات بیشتری خواهیم داشت؟
فیزیکدانان هنوز حجم عظیمی از دادههای واپاشی پنگوئنی پس از ۲۰۱۸ را تحلیل نکردهاند. انتظار میرود نتایج جدید دستکم تا سال آینده منتشر نشوند. اگر ذره زد پرایم وجود داشته باشد و بیش از حد سنگین نباشد، شاید در آزمایشهای آینده بهویژه با نسخه ارتقایافته برخورددهنده هادرونی بزرگ در دهه ۲۰۳۰ بتوان آن را مستقیما مشاهده کرد.
