بیگ بنگ: دانشمندان جست‌وجوی سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی را در برخوردهای شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی گسترش داده‌اند؛ اجرامی فرضی و بسیار کوتاه‌عمر که در صورت کشف می‌توانند سرنخ‌هایی از ابعاد پنهان فضا و ماهیت گرانش کوانتومی در اختیار دانشمندان قرار دهند.
به گزارش بیگ بنگ، سیاه‌چاله‌های کوانتومی می‌توانند فرصتی نادر برای مطالعه گرانش بسیار شدید در مقیاس ذرات بنیادی فراهم کنند. این اجرام میکروسکوپیِ فرضی، دو جنبه از طبیعت را به یکدیگر پیوند می‌دهند که دانشمندان هرکدام را به‌تنهایی با دقت زیادی توصیف می‌کنند، اما هنوز نتوانسته‌اند آنها را در قالب یک نظریه واحد با هم ترکیب کنند.
پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، در آزمایش CMS در مرکز سرن، به دنبال ذرات و الگوهایی هستند که ممکن است از فروپاشی چنین سیاه‌چاله‌هایی بر جای بمانند. اگر در برخورد دو پروتون یک سیاه‌چاله میکروسکوپی شکل بگیرد، تقریباً بلافاصله از بین می‌رود. با این حال، همین عمر فوق‌العاده کوتاه می‌تواند سرنخ‌هایی درباره نحوه عملکرد گرانش در دنیای کوانتومی ارائه کند.
در جدیدترین جست‌وجو، هیچ مدرکی از وجود این اجرام پیدا نشد؛ اما نتایج، محدوده نظریه‌هایی را که تشکیل سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی را پیش‌بینی می‌کنند، محدودتر کرده است. این پژوهش همچنین روش جدیدی برای استخراج سیگنال‌های احتمالی از میان حجم عظیم داده‌های برخوردی ارائه کرده که می‌تواند در جست‌وجوی ذرات و فرایندهای ناشناخته دیگر نیز کاربرد داشته باشد.
یک شکاف بزرگ در درک ما از جهان
تِماس وامی، پژوهشگر آزمایش CMS، می‌گوید انگیزه این جست‌وجو از یکی از بزرگ‌ترین مشکلات فیزیک مدرن سرچشمه می‌گیرد. ما دو نظریه بزرگ داریم که طبیعت را توصیف می‌کنند. برای دنیای بسیار کوچک، از نظریه میدان‌های کوانتومی و مدل استاندارد استفاده می‌کنیم که عملکرد فوق‌العاده دقیقی دارد. اما وقتی با اجرام بسیار بزرگ و پرجرم سروکار داریم، نسبیت عام رفتار آنها را توضیح می‌دهد.
مشکل زمانی ایجاد می‌شود که بخواهیم شرایطی را توصیف کنیم که در آن هم اثرات کوانتومی مهم باشند و هم گرانش فوق‌العاده قدرتمند باشد. سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی دقیقاً می‌توانند چنین شرایطی را ایجاد کنند، زیرا در آنها اثرات کوانتومی در کنار گرانش شدید ظاهر می‌شوند.
وامی می‌گوید اگر شواهدی از این اجرام پیدا می‌شد، دانشمندان می‌توانستند برای نخستین‌بار به‌طور مستقیم گرانش کوانتومی را مطالعه کنند؛ گامی در مسیر یکی از قدیمی‌ترین اهداف فیزیک، یعنی یکپارچه‌کردن نیروهای بنیادی طبیعت.
یادگیری ماشین جست‌وجوی سیاه‌چاله‌ها را دقیق‌تر کرد
این تحلیل جدید که بتازگی منتشر شده، از داده‌های ثبت‌شده توسط آشکارساز CMS بین سال‌های ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۸ استفاده کرده است. نتایج، بر اساس نظریه‌ها و پارامترهای بررسی‌شده، تشکیل سیاه‌چاله‌های کوانتومی را تا انرژی حدود ۱۲ تِراالکترون‌ولت (TeV) محدود می‌کند.
جست‌وجوهای قبلی توسط آزمایش‌های CMS و ATLAS نیز هیچ نشانه‌ای از سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی پیدا نکرده بودند، اما داده‌های بیشتر این امکان را فراهم کرد که دانشمندان به نواحی انرژی بالاتری دسترسی پیدا کنند و در صورت تشکیل چنین اجرامی، شانس یافتن آنها را افزایش دهند.
اگر سیاه‌چاله‌ای در برخورد ایجاد شود، عمرش فوق‌العاده کوتاه خواهد بود و تقریباً بلافاصله فرو می‌پاشد. برای پیدا کردن چنین رویدادی، دانشمندان باید الگوی فروپاشی آن را از میان میلیون‌ها و میلیاردها برخورد معمولی که توسط فیزیک شناخته‌شده ایجاد می‌شوند، تشخیص دهند.
یکی از سرنخ‌ها انرژی بسیار زیاد ذرات حاصل از برخورد است. پژوهشگران انرژی تمام ذراتی را که از برخورد بیرون می‌آیند با هم جمع می‌کنند. اگر مجموع انرژی به اندازه کافی زیاد باشد، آن رویداد می‌تواند در ناحیه‌ای قرار بگیرد که احتمال یافتن سیگنال سیاه‌چاله در آن بیشتر است.
سرنخ دیگر، جهت حرکت ذرات است که با کمیتی به نام کروی‌بودن یا Sphericity توصیف می‌شود. اگر یک سیاه‌چاله تشکیل شود و بلافاصله فروبپاشد، ذرات حاصل از آن می‌توانند در جهات مختلف و تقریباً به‌شکل کروی پراکنده شوند. اما پژوهشگران این بار از روش دیگری نیز استفاده کردند.
آنها با استفاده از مفهوم فاصله در فضای فاز (Phase Space Distance)، رویدادهای برخوردی را روی یک نقشه ریاضی چندبعدی مقایسه کردند. این فضا اطلاعاتی مانند موقعیت، زمان، انرژی و تکانه ذرات را در خود جای می‌دهد. سپس این روش با یک الگوریتم یادگیری ماشین به نام ماشین بردار پشتیبان (SVM) ترکیب شد.
الگوریتم به هر رویداد یک امتیاز اختصاص می‌دهد؛ هرچه این امتیاز بیشتر باشد، آن رویداد از نظر ویژگی‌ها بیشتر به سیگنال مورد انتظار شباهت دارد. پژوهشگران دریافتند که فاصله در فضای فاز عملکرد بهتری از معیار کروی‌بودن دارد. نکته مهم این است که این روش نوعی یادگیری ماشین نظارت‌شده است و برخلاف برخی الگوریتم‌های کاملاً «جعبه سیاه»، می‌توان ریاضیات پشت نتایج آن را بررسی کرد.
آیا ابعاد اضافی فضا می‌توانند گرانش را تقویت کنند؟
اما یک سؤال اساسی وجود دارد: اصلاً آیا برخورددهنده بزرگ هادرونی می‌تواند سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی بسازد؟ پاسخ این سؤال به رفتار گرانش در فاصله‌هایی بسیار کوچک‌تر از آنچه با حواس خود می‌توانیم درک کنیم بستگی دارد.
حدود دو دهه پیش، برخی فیزیکدانان نظری پیشنهاد کردند که اگر فضا دارای ابعاد اضافی باشد، LHC ممکن است بتواند شرایط لازم برای ایجاد سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی را فراهم کند. برای ساخت یک سیاه‌چاله باید مقدار زیادی انرژی در حجمی فوق‌العاده کوچک متمرکز شود.
مشکل اینجاست که گرانش در حالت عادی برای انجام چنین کاری در انرژی‌های قابل‌دسترسی LHC به اندازه کافی قوی نیست. اما برخی نظریه‌ها پیشنهاد می‌کنند که ممکن است یک یا چند بُعد فضایی اضافی وجود داشته باشد که بسیار کوچک‌اند و ما مستقیماً آنها را مشاهده نمی‌کنیم.
در چنین سناریویی، گرانش در فواصل بسیار کوتاه می‌تواند بسیار قوی‌تر از چیزی باشد که در دنیای روزمره تجربه می‌کنیم. این ایده همچنین با برخی نسخه‌های نظریه ریسمان مرتبط است. یکی از پرسش‌های مهم فیزیک این است که چرا گرانش در مقایسه با سایر نیروهای بنیادی، این‌قدر ضعیف به نظر می‌رسد. ابعاد اضافی یکی از ایده‌هایی هستند که برای توضیح این اختلاف مطرح شده‌اند.
به زبان ساده، ممکن است بخشی از گرانش در ابعادی «نشت» کند که ما قادر به مشاهده آنها نیستیم. در این صورت، قدرت واقعی گرانش در فواصل بسیار کوتاه می‌تواند بسیار بیشتر از چیزی باشد که تصور می‌کنیم.
شتاب دهنده تا چه اندازه کوچک را می‌تواند بررسی کند؟
برخورددهنده بزرگ هادرونی با برخورد پروتون‌ها در انرژی‌های فوق‌العاده بالا، به دانشمندان اجازه می‌دهد فواصل بسیار کوچک را بررسی کنند. هرچه انرژی بیشتر باشد، طول موج مرتبط با ذرات کوتاه‌تر می‌شود و در نتیجه می‌توان ساختارهای کوچک‌تری را بررسی کرد.
شتاب دهنده می‌تواند فواصل حدود ۱۰⁻²⁰ متر را کاوش کند. برای درک مقیاس آن، می‌توان گفت این فاصله تقریباً همان نسبتی را با اندازه یک اتم دارد که اندازه یک اتم با اندازه یک انسان دارد. اگر ابعاد اضافی در اندازه مناسبی وجود داشته باشند، ممکن است برخوردهای پروتون‌ها در LHC تحت تأثیر آنها قرار بگیرند.
در چنین شرایطی، تمرکز بسیار زیاد انرژی در یک نقطه می‌تواند از نظر نظری باعث خم‌شدن شدید فضا-زمان و شکل‌گیری یک سیاه‌چاله کوانتومی شود.
نظریه‌های سیاه‌چاله اکنون با محدودیت‌های بیشتری روبه‌رو هستند
نتایج جدید، در چارچوب مدل‌ها و پارامترهای بررسی‌شده، محدودیت‌های بیشتری برای نظریه‌های مربوط به ابعاد اضافی ایجاد کرده‌اند. پژوهشگران می‌گویند در برخی از این مدل‌ها، داده‌های جدید نشان می‌دهند نمی‌توان بیش از دو بُعد اضافی را با پارامترهای مورد بررسی در نظر گرفت.
اما این نتیجه به معنای رد کامل ایده سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی یا ابعاد اضافی نیست. در واقع، دانشمندان فقط بخشی از محدوده‌ای را که چنین اجرامی می‌توانند در آن وجود داشته باشند، کنار گذاشته‌اند. به بیان ساده: اگر چنین چیزی با این ویژگی‌ها وجود داشت، باید در داده‌ها دیده می‌شد؛ اما دیده نشد. بنابراین این محدوده از نظریه‌ها را می‌توان کنار گذاشت.
این همان فرایندی است که در فیزیک بنیادی بارها اتفاق افتاده است. نظریه‌ها معمولاً یک پاسخ دقیق ارائه نمی‌کنند، بلکه طیفی از احتمالات را پیش‌بینی می‌کنند. هر آزمایش بخشی از این طیف را حذف می‌کند و مشخص می‌کند که «فیزیک جدید اینجا نیست». با ادامه آزمایش‌ها، محدوده‌ای که احتمال دارد فیزیک جدید در آن پنهان شده باشد، کوچک‌تر می‌شود.
ساخت یک سیاه‌چاله واقعی در LHC چقدر انرژی می‌خواهد؟
اگر ابعاد اضافی وجود نداشته باشند، ساخت یک سیاه‌چاله میکروسکوپی با فناوری فعلی LHC عملاً بسیار فراتر از توان این شتاب‌دهنده خواهد بود. استیون گیدینگز، فیزیکدان نظری، تخمین می‌زند برای ایجاد کوچک‌ترین سیاه‌چاله‌ها با جرم در حد یک میکروگرم، برخوردهایی با انرژی حدود یک میلیون میلیارد برابر بیشتر از انرژی فعلی LHC لازم است.
بنابراین سیاه‌چاله‌هایی که دانشمندان در این پژوهش به دنبال آنها هستند، با سیاه‌چاله‌های عظیم کیهانی که ستاره‌ها را می‌بلعند تفاوت بنیادی دارند. اگر چنین سیاه‌چاله میکروسکوپی‌ای در LHC تشکیل شود، قرار نیست رشد کند یا چیزی را ببلعد؛ بلکه تقریباً بلافاصله فرو می‌پاشد.
جست‌وجو برای توضیح یک راز دیگر: چرا ماده باقی ماند؟
پژوهشگران در همین مطالعه، به دنبال پدیده فرضی دیگری به نام اسفالِرون (Sphaleron) نیز گشتند. اسفالِرون‌ها ذرات معمولی نیستند، بلکه پیکربندی‌های ناپایدار فرضی در میدان‌های ذرات بنیادی هستند. فرایندهای مربوط به آنها ممکن است در توضیح یکی از بزرگ‌ترین رازهای کیهان نقش داشته باشند:
چرا جهان امروز تقریباً به‌طور کامل از ماده تشکیل شده، نه ماده و پادماده؟ طبق تصور رایج، بیگ‌بنگ باید تقریباً مقادیر برابری از ماده و پادماده ایجاد کرده باشد. این دو در برخورد با یکدیگر نابود می‌شوند و انرژی آزاد می‌کنند.
اگر مقدار ماده و پادماده دقیقاً برابر بود، در نهایت نباید ماده قابل‌توجهی باقی می‌ماند تا ستاره‌ها، سیارات و ما را بسازد. پژوهشگران در داده‌های بررسی‌شده هیچ شواهدی از فرایندهای اسفالِرونی پیدا نکردند، اما توانستند محدودیت‌های جدیدی برای میزان رخ‌دادن احتمالی آنها تعیین کنند.
جست‌وجو ادامه دارد
این پژوهش فقط به سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی محدود نمی‌شود. روش جدید مبتنی بر فاصله در فضای فاز می‌تواند برای جست‌وجوی ذرات ناشناخته، برهم‌کنش‌های نادر و دیگر شرایط غیرعادی فیزیکی نیز مورد استفاده قرار گیرد.
اکنون LHC برای مجموعه‌ای از ارتقاها و تغییرات فنی متوقف شده و دانشمندان منتظر داده‌های آینده از نسخه ارتقایافته آن، یعنی برخورددهنده بزرگ هادرونی با درخشندگی بالا (HL-LHC) هستند.
داده‌های آینده می‌توانند به فیزیکدانان اجازه دهند محدودیت‌های دقیق‌تری روی نظریه‌های مختلف اعمال کنند و با جزئیات بیشتری به بررسی بنیادی‌ترین اجزای ماده و فرایندهایی بپردازند که ممکن است سرنخ‌هایی درباره چگونگی شکل‌گیری و تحول جهان اولیه در اختیارمان بگذارند.
در نهایت، شاید پاسخ یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های فیزیک، نه در یک سیاه‌چاله عظیم در اعماق کیهان، بلکه در یک سیاه‌چاله تقریباً نامرئی و فوق‌العاده کوتاه‌عمر در برخورد دو ذره پنهان شده باشد. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ در مجله Progress in High Energy Physics منتشر شده است.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: scitechdaily.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=110024
