تحقیقات نشان می­‌دهد تتراکوارک­‌ها باید وجود داشته باشند

2
226

بیگ بنگ: سراسر کیهان از اتم تشکیل شده است؛ البته بجز خود اتم. آنها از ذرات زیراتمی به نام پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده‌­اند. الکترون، به عنوان زیرمجموعه­‌ای از لپتون­‌ها شناخته می­‌شود و پروتون و نوترون زیر مجموعه­ کوارک­‌ها. با این حال ممکن است “شناخته ­شدن” کمی گمراه‌­کننده باشد. شمار فیزیکدانان نظری که اطمینانی در این مورد ندارند بسیار بیشتر از فیزیکدانانی است که کم و بیش در این مورد با اطمینان صحبت می­‌کنند.

به گزارش بیگ بنگ، تا جایی که ما می­‌دانیم، کوارک­ها ذرات بنیادین کیهان محسوب می­‌شوند. نمی­‌توان یک کوارک را به ذره­ کوچکتری تبدیل کرد. گرچه تصور اینکه این ذرات بصورت یکسانی کوچک باشند چندان هم صحیح نیست. با اینکه کوارک­‌ها ذرات کوچکی هستند اما اندازه­ یکسانی ندارند. برخی کوارک­‌ها بزرگتر از انواع دیگر خود بوده و می­‌توانند تشکیل مزون(۱ کوارک + ۱ پادکوارک) یا باریون(۳ کوارک مختلف) بدهند. ما ۶ نوع کوارک را بر اساس موقعیت آنها شناسایی کردیم: بالا، پایین، بالاترین، پایین­‌ترین، افسون و عجیب. همانطور که گفته شد، کوارک­‌ها به صورت کوارک-پادکوارک یا سه­ گانۀ کوارکی به یکدیگر ملحق می­‌شوند تا مجموع بار آنها به مثبت ۱ برسد.

از دیرباز فرایند جفت­ شدن تتراکوارک مذکور ذهن دانشمندان را دچار سردرگمی کرده است. یک هادرون به ۲ جفت کوارک-پادکوارک نیاز دارد که توسط نیروی هسته­‌ای قوی در کنار یکدیگر قرار گرفته باشند. حال، این نیرو برای جفت­ شدن و واکنش­ دادن با جفت دیگر کافی نیست. برای اینکه یک تتراکوارک واقعی داشته باشیم، باید هر ۴ کوارک با یکدیگر واکنش دهند و به شکل یک نوسان­گر کوانتومی(quantum swingers) عمل­ کنند.

نوسانگر “کوارکی”

شاید مفهوم راست و پوست کنده‌­ای به نظر برسد. چهار کوارک را با یکدیگر پرتاب کنیم و آنها واکنش می­‌دهند، نه؟ باید گفت لزوما اینطور نیست. نمی­‌توان با اطمینان گفت این ذرات با یکدیگر حتما واکنش می­‌دهند. مارک کارلینر از دانشگاه تل­آویو در گفتگو با مجلۀ Live Science اظهار داشت که درست مثل اینکه دو نفر را به داخل یک خانه هدایت کنیم و اطمینانی از جفت­ شدن آنها نداشته باشیم، از جفت­ شدن کوارک­‌ها نیز مطمئن نیستیم. نزدیکی مکانی میان دو انسان و دو کوارک تضمین­ کنندۀ جفت­ شدن آنها نیست.

کارلینر اظهار داشت: «سوال بزرگ ما این است که چنین ترکیباتی پایدار هستند یا به سرعت به دو مسون کوارک-پادکوارک تجزیه می­‌شوند. سالها تحقیقات آزمایشگاهی بی­ نتیجه ماند و هیچکس از وجود تتراکوارک­‌های پایدار مطمئن نیست.» تتراکوارک “اد-هوک” در اغلب بحث­‌های اخیر شنیده می­‌شد. تتراکوارک­‌هایی که در آن ۴ کوارک جفت­ شده اما واکنش نمی­‌دهند. سالهاست یافتن کوارک واجد شرایط به “جام مقدس” علم فیزیک تبدیل شده است و ما بصورت دردناکی به آن نزدیک شده‌­ایم.

این کوارک‌­ها را نمی­‌توان به آسانی مشاهده نمود و لازم به ذکر نیست که پیش‌­بینی وجود چنین آرایشی میان کوارک­‌ها بسیار دشوار است. طبق قوانین پایه فیزیک، به هم پیوستن ۴ کوارک و تشکیل یک هادرون پایدار غیرممکن است. اما دو فیزیکدان راهی برای ساده­‌سازی روشی برای یافتن تتراکوارک­‌ها یافتند. درست مثل اینکه بخواهیم مکانیک کوانتوم را ساده­‌سازی کنیم!

چند سال پیش، کارلینر و همکار او، جاناتان روزنر از دانشگاه شیکاگو، در صدد پایه‌­گذاری نظریه­‌ای برآمدند. در این نظریه، اگر شما جرم و انرژی پیوند هادرون­‌های نادر را بدانید، می­‌توانید آنها را با هادرون­‌های معمولی مقایسه کنید. آنها در تحقیقات خود به بررسی کوارک­‌های افسون پرداختند(کوراک­‌هایی که حداقل در فیزیک کوانتوم شناخته و درک شده‌­اند). طبق بررسی­‌های انجام­ شده، آنها باریون­‌هایی با بار ۲ برابر پیشنهاد دادند که جرم آنها باید چیزی حدود ۳۶۲۷ MeV, +/- 12 MeV باشد. قدم بعدی این است که مرکز تحقیقاتی سرن را راضی کرد تا با استفاده از محاسبات موجود، به دنبال تتراکوارک­‌ها برود.

خردکردن اتم­ها

برخورد دهنده هادرونی بزرگ دقیقا همان چیزی است که از نام آن پیدا است و چشم انسان نمی‌­تواند فرایندهای بسیاری که در آن به وقوع می‌پیوندند را رصد کند. این دستگاه یک شتاب­ دهندۀ بزرگ ذرات است که اتم­ها را به یکدیگر برخورد می­‌دهد و کوارک درونی آنها را به نمایش می­‌گذارد. اگر قصد اثبات وجود یک ذرۀ بسیار کوچک نظری را دارید، برخورد دهنده­ هادرونی بزرگ، راه حل شماست. گرچه راهی برای پیش­‌بینی زمانی که ذره­ مورد نظر شما پدیدار می­‌شود، وجود ندارد.

پس از چند سال، بالاخره در تابستان سال ۲۰۱۷ میلادی، برخورد دهنده موفق به رصد یک باریون جدید شد؛ باریونی با یک کوارک بالا و ۲ کوارک افسون سنگین. درست همان کوارکی که کارلینر و روزنر انتظارش را می­ کشیدند. جرم این باریون ۳۶۲۱ MeV بود. این عدد به محاسبات کارلینر و روزنر بسیار نزدیک بود. پیشتر فیزیکدانان وجود حداقل یک کوارک سنگین را در باریون پیش­‌بینی کرده بودند. این یافته قدمی مهم محسوب می­‌شد. تنها یک کوارک پایین‌­ترین نیاز بود تا یک تتراکوارک پایدار تشکیل شود.

ناامیدی در مطالعات ذرات آنجاست که می­دانیم آنها عمر زیادی ندارند. به خصوص باریون ها در کمتر از یک چشم به هم زدن ناپدید می­‌شوند(۱ تریلیونیم ثانیه). البته به لطف برخورد دهنده­ هادرونی بزرگ، این مقدار در دنیای فیزیک کوانتوم، زمان زیادی محسوب می­‌شود. مشکل بزرگی در این برخورددهنده وجود دارد؛ احتمال پدیدار شدن ذرات سنگین­‌تر بسیار پایین است و از آنجایی که این وقایع در اندازه‌­های بسیار کوچکی صورت می­‌گیرند، کوارک­‌های پایین­‌ترین اندازۀ بسیار بزرگی دارند.

پرسش بعدی برای کرلینر و روزنر این بود که آیا تلاش برای ساخت یک تتراکوارک، از انتظار برای تشکیل خود به خودی آن، کار عقلانی­‌تری بود؟ شما باید ۲ کوارک پایین­‌ترین را به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک کنید تا متصل شوند و سپس آنها را در یک جفت پادکوارک سبک‌تر بیاندازید و آنقدر این کار را تکرار کنید تا یک تتراکوارک تشکیل شود. کارلینر گفت: «در مقاله ما از داده‌­های اکتشاف بزرگ باریون با ۲ کوارک افسون استفاده شده است. تتراکوارک­‌ها باید وجود داشته باشند. احتمال آن زیاد است که برخورد دهنده­ هادرونی بزرگ مرکز تحقیقاتی سرن بتواند این پدیده را بصورت تجربی آزمایش و رصد کند.»

البته هنوز این موضوع در حد فرضیه باقی است اما هر کس بخواهد این آزمایش را انجام دهد برخورد دهنده­ قادر به انجام این کار است. شاید هم ترکیب مورد نظر به خودی خود شکل بگیرد. همانطور که کارلینر متذکر شد، سالها تصور بر این بود که تتراکوارک­‌ها غیرممکن هستند. حداقل موضوع این است که این ذرات در تضاد با مدل استاندارد فیزیک هستند. اما تصورات قبلی ما اکنون به چالش کشیده شده‌­اند. کارلینر اضافه کرد: «تتراکوارک شکل جدیدی از ماده با واکنش­‌های بسیار قوی است؛ همچنین باریون­‌ها و مزون­‌های معمولی نیز اینطور هستند.»

اگر تتراکوارک­‌ها ممکن باشند، یا حتی محتمل، به لطف محاسبات کارلینر و روزنر، حداقل ما می­‌توانیم درک بهتری از آن چیزی که به دنبال آن هستیم و مکان احتمالی آن، داشته باشیم. به قولی، دود نشانه آتش است. شاید مکانیک کوانتوم همانند دود به نظر بیاید اما فیزیکدانان نظری هنوز تسلیم نشدند. جایی که ۲ کوارک پایین­‌ترین وجود دارد، شاید تتراکوارک هم وجود داشته باشد.

ترجمه: رضا کاظمی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: futurism.com


2 دیدگاه ها

دیدگاهتان را بنویسید

Please enter your comment!
Please enter your name here

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.