تحقیقات نشان می­‌دهد تتراکوارک­‌ها باید وجود داشته باشند

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

(12 نفر , میانگین : 4٫92 از 5)
لینک کوتاه مقاله : https://bigbangpage.com/?p=72248
رضا کاظمی

رضا کاظمی

دانشجوی کارشناسی مترجمی انگلیسی و علاقمند به مطالب علمی نجومی میباشد و در زمینه انتشار مقاله با وب سایت بیگ بنگ همکاری می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۲ پاسخ‌ها

  1. بهنام طیبی گفت:

    با تشکر
    مفهوم پیچیده ای داره

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.