فیزیکدانان ممکن است در آزمایش  LHC  نیروی جدید طبیعت را کشف کرده باشند

برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) در ماه مارس هیجان جهانی را برانگیخت زیرا فیزیکدانان ذرات شواهد به طور بالقوه جالبی برای نیروی جدیدی از طبیعت در فیزیک جدید گزارش کردند.

بهترین نظریه فعلی ما در مورد ذرات و نیروها به عنوان مدل استاندارد شناخته می‌شود که هر آنچه را که در مورد اجزای فیزیکی که اطراف ما را تشکیل می‌دهند با دقت بی‌بدیل توصیف می‌کند.

مدل استاندارد بدون شک موفق‌ترین نظریه علمی است که تاکنون نوشته شده است و در عین حال می‌دانیم که باید ناقص باشد.

به طور مشهور، تنها سه مورد از چهار نیروی اساسی را توصیف می‌کنند – نیروی الکترومغناطیسی و نیروهای قوی و ضعیف که جاذبه را کنار می‌گذارد. این ماده هیچ توضیحی برای ماده تاریکی ندارد که نجوم به ما می‌گوید بر جهان تسلط دارد و نمی‌تواند توضیح دهد که چگونه ماده در طول انفجار بزرگ باقیمانده است.

LHCb experiment. (CERN)

بنابراین اکثر فیزیکدانان اطمینان دارند که هنوز باید اجزای کیهانی بیشتری کشف شوند و مطالعه انواع ذرات بنیادی که به کوارک‌های زیبا معروف هستند، راهی بسیار امیدوارکننده برای بدست آوردن نکاتی درباره موارد دیگر موجود است.

کوارکهای زیبا که گاهی کوارکهای پایینی نیز نامیده می‌شوند، ذرات بنیادی هستند که به نوبه خود ذرات بزرگتری را تشکیل می‌دهند. شش نوع کوارک وجود دارد  بالا ، پایین ، شگفت ، افسون، ته و سر هستند (dubbed up, down, strange, charm, beauty/bottom and truth/top.) به عنوان مثال کوارک‌های بالا و پایین پروتون‌ها و نوترون‌ها را در هسته اتم تشکیل می‌دهند.

کوارک‌های زیبا(beauty quarks) ناپایدار هستند و به طور متوسط ​​فقط 1.5 تریلیون ثانیه قبل از تجزیه به ذرات دیگر زندگی می‌کنند (مترجم: در محیط می‌مانند و یا تبدیل می‌شوند). نحوه فروپاشی کوارکهای زیبا می‌تواند به شدت تحت تأثیر وجود ذرات یا نیروهای اساسی دیگر باشد.

هنگامی که کوارک زیبا فرو می‌پاشد، تحت تأثیر نیروی ضعیف به مجموعه‌ای از ذرات سبکتر مانند الکترون تبدیل می‌شود. یکی از راههایی که نیروی جدید طبیعت می‌تواند خود را به ما بشناساند این است که به طور ظریفی میزان تبدیلکوارکهای زیبا را به انواع مختلف ذرات تغییر دهیم. (مترجم: آزمایشی ترتیب دهیم که کوارکهای در حال نابودی را به انواع مختلف ذرات تغییر ماهیت دهیم و از این راه نیرویی جدید خلق شود یا تغییر در سطوح انرژی کوارکها به شکلی کاملا ظریف و کنترل شونده تا انواع ذرات جدید در سطوح انرژی جدید تولید شوند).

مقاله ماه مارس براساس داده‌های آزمایشLHCb، یکی از چهار آشکارساز ذرات غول پیکر تهیه شده است که نتیجه برخوردهای فوق العاده انرژی تولید شده توسط LHC را ثبت می کند ،. (\”b\” در LHCb مخفف \”زیبایی\” است.)

مشخص شد که کوارکهای زیبا به سرعت در حال تجزیه شدن به الکترون و پسر عموهای سنگین‌ترشان به نام میون هستند. این واقعاً شگفت‌آور بود زیرا طبق مدل استاندارد، میون اساساً یک نسخه کربنی از الکترون است – به جز 200 بار سنگین‌تر بودن از هر نظر یکسان است.( مترجم: کربن سبک است ولی الکترون بی‌نهایت سبک تر از کربن است و میون ۲۰۰ بار سنگین‌تر از الکترون است و تقریبا میون و الکترون شبیه هم هستند یعنی بسیار سبک و نزدیک بوده و هم‌وزنی دارند).

این بدان معناست که همه نیروها باید الکترونها و میونها را با قدرت یکسان بکشند – هنگامی که کوارک زیبا از طریق نیروی ضعیف به الکترون یا میون تبدیل می‌شود، باید این کار را به طور مساوی انجام دهد.

در عوض، همکاران من دریافتند که فروپاشی میون فقط 85 درصد به اندازه فروپاشی الکترون اتفاق می‌افتد. با فرض صحت نتیجه، تنها راه توضیح چنین تاثیری می‌تواند این باشد که نیروی جدیدی از طبیعت که بر الکترون‌ها و میون‌های متفاوت تأثیر می‌گذارد و در نحوه تبدیل کوارک‌های زیبا دخالت کند.

این نتیجه هیجان زیادی را در بین فیزیکدانان ذرات ایجاد کرد. ما ده‌ها سال است که به دنبال نشانه‌هایی از چیزی فراتر از مدل استاندارد هستیم و با وجود ده سال کار در LHC، هیچ چیز قطعی تاکنون پیدا نشده است.

بنابراین کشف نیروی جدید طبیعت یک معامله بزرگ خواهد بود و سرانجام می‌تواند دری را برای پاسخ به برخی از عمیق‌ترین اسرار پیش روی علم مدرن باز کند.

نتایج جدید

در حالی که نتیجه بسیار جذاب است، اما قطعی نمی‌باشد. همه اندازه‌گیری‌ها دارای درجه‌ای از عدم قطعیت یا \”خطا\” هستند. در این مورد فقط یک در هزار احتمال وجود داشت که نتیجه به یک تزلزل آماری تصادفی برسد – یا همانطور که در اصطلاح فیزیک ذرات می گوییم \”سه سیگما\”

ممکن است از هر 1000 نفر یکنفر زیاد به نظر نرسد، اما ما اندازه‌گیریهای بسیار زیادی را در فیزیک ذرات انجام می‌دهیم، بنابراین شما ممکن است انتظار داشته باشید که تعداد انگشت شماری به طور تصادفی به اهداف دور دسترسی داشته باشند.

برای اطمینان از اینکه اثر واقعی است، ما باید به پنج سیگما برسیم – که به کمتر از یک در یک میلیون احتمال می‌دهد که اثر به دلیل یک اشتباه آماری بی‌رحمانه باشد.( مترجم: هر چه تعداد احتمالات بیشتر باشد احتمال آماری اشتباه آماری به چشم نمی‌آید و حذف می‌شود و درصد رخداد اشتباه آماری کمتر می‌شود و وقوع آن در جامعه آماری کمتر دیده می‌شود و بنابراین اندازه‌گیری ما دقیق‌تر است.)

برای رسیدن به این مرحله، ما باید اندازه خطا را کاهش دهیم و برای انجام این کار به داده‌های بیشتری نیاز داریم. یکی از راه‌های دستیابی به این امر این است که آزمایش را برای مدت طولانی‌تری انجام دهید و نتایج بیشتری را ثبت کنید. (مترجم:  سطوح مختلفی از انرژی را ثبت کنیم )

آزمایشLHCb در حال ارتقاء است تا بتوان در آینده برخوردها را با سرعت بسیار بالاتری ثبت کرد که به ما امکان می‌دهد اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق‌تری انجام دهیم. اما ما همچنین می‌توانیم از داده‌هایی که قبلاً ثبت کرده‌ایم با جستجوی انواع مختلف انرژی که تشخیص آنها دشوارتر است، اطلاعات مفیدی بدست آوریم.

این کاری است که من و همکارانم انجام داده‌ایم. به بیان دقیق، ما هرگز در واقع تبدیل کوارک زیبا را مستقیماً مطالعه نمی‌کنیم، زیرا همه کوارک‌ها همیشه با کوارک‌های دیگر پیوند خورده‌اند تا ذرات بزرگتری بسازند.

مطالعه ماه مارس کوارکهای زیبا را بررسی کرد که با کوارک های \”بالا\” ترکیب شده بودند. نتیجه ما دو تبدیل (مترجم: در سطح انرژی و نوع ماده) را مورد بررسی قرار داد، یکی کوارکهای زیبا که با کوارکهای \”پایین\” همراه بودند و دیگری جایی که آنها نیز با کوارک های بالا جفت شده بودند.

هرچند که این جفت شدن متفاوت است نباید مهم باشد – (زوال ) که در اعماق وجود دارد یکسان است و بنابراین ما واقعاً انتظار داریم همان تأثیر را ببینیم، اگر واقعا نیروی جدیدی وجود داشته باشد.

و این دقیقاً همان چیزی است که ما دیده‌ایم. این بار، فروپاشی میون فقط در حدود 70 درصد به عنوان فروپاشی الکترون اتفاق می‌افتد، اما با خطای بزرگتر ، به این معنی که نتیجه در مورد \”دو سیگما\” از مدل استاندارد است (در حدود دو در صد احتمال آماری بودن ناهنجاری).

این بدان معناست که اگرچه نتیجه به خودی خود آنقدر دقیق نیست که بتواند شواهد محکمی را برای یک نیروی جدید ادعا کند، اما بسیار نزدیک به نتیجه قبلی است و به این ایده که ممکن است در آستانه یک رشته اصلی قرار بگیریم ، حمایت بیشتری برای دستیابی به موفقیت می‌کند.

البته ما باید محتاط باشیم. هنوز راهی وجود دارد تا بتوانیم با اطمینان خاطر مدعی شویم که ما واقعاً تحت تأثیر نیروی پنجم طبیعت هستیم.

همکاران من در حال حاضر سخت کار می‌کنند تا هرچه بیشتر اطلاعات را از داده‌های موجود خارج کنند ، در حالی که مشغول آماده سازی برای اولین اجرای آزمایش ارتقا یافته LHCb هستند.

در همین حال، آزمایشهای دیگر در LHC و همچنین در آزمایشBelle 2 در ژاپن، در حال اندازه‌گیری مشابه هستند. این هیجان‌انگیز است که فکر کنیم در چند ماه یا چند سال آینده پنجره جدیدی بر روی اساسی‌ترین اجزای جهان ما باز می‌شود.

مترجم: مرتضی نادری‌فرد

منبع:

 https://www.sciencealert.com/physicists-may-have-discovered-new-force-of-nature-in-lhc-experiment?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+sciencealert-latestnews+%28ScienceAlert-Latest%29