بیگ بنگ: فیزیکدانان فوتونی با انرژی ۳۰۰ تِرا الکترونولت شناسایی کردند که طبق قوانین شناختهشده فیزیک، نباید هرگز به زمین میرسید.
به گزارش بیگ بنگ، قوانین پذیرفتهشده فیزیک، محدودیتهایی برای مسافتی که فوتونها میتوانند در فضا طی کنند، تعیین میکنند؛ اما پژوهشگران اکنون فوتونی را شناسایی کردند که ظاهراً از این محدودیتهای بنیادی عبور کرده و کاری غیرممکن انجام داده است: این فوتون مسافتی حدود ۲ میلیارد سال نوری را طی کرده تا به زمین برسد.
فضا آنقدرها هم که فکر میکنیم خالی نیست. سراسر جهان با تابش زمینه کیهانی(CMB) پر شده؛ همان پستابش کمرمقی که از بیگ بنگ باقی مانده است. این تابش میتواند با فوتونهای بسیار پرانرژی برهمکنش کند و آنها را به ذرات دیگری تبدیل کند.
برای فوتونی که انرژی فوقالعاده زیادی دارد، تقریباً هیچ راه فراری از CMB وجود ندارد. بااینحال، ظاهراً این فوتون somehow از این سد عبور کرده است؛ انگار بخواهید تیری را از میان جنگلی متراکم به طول ۲ میلیارد سال نوری شلیک کنید و تیر بدون برخورد با حتی یک درخت، تمام مسیر را طی کند!
داستان از اکتبر ۲۰۲۲ آغاز میشود؛ زمانی که GRB 221009A، درخشانترین انفجار پرتو گامایی که تاکنون مشاهده شده، ثبت شد. انفجارهای پرتو گاما، فورانهای عظیم انرژی هستند که در اثر رویدادهایی مانند فروپاشی یا برخورد ستارهها ایجاد میشوند.
در دل این انفجار خارقالعاده، یک فوتون خارقالعادهتر هم وجود داشت که آشکارساز پرتوهای کیهانی Carpet در رصدخانه باکسان روسیه آن را شناسایی کرد. انرژی این فوتون حدود ۳۰۰ تِرا الکترونولت(TeV) اندازهگیری شد؛ یعنی انرژی آن تقریباً ۱۰۰ تریلیون برابر بیشتر از انرژی یک فوتون نور مرئی بود.
پژوهشگران پیشتر دربارۀ امکان سفر فوتونها در فواصل بسیار طولانی بحث کرده بودند، اما این بحثها بیشتر مربوط به فوتونهایی با انرژی چند ده تِراالکترونولت بود. اما این مورد کاملاً متفاوت بود.
“جورجیو گالانتی” اخترفیزیکدان مؤسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا(INAF)، میگوید: «با خودمان یک سؤال بسیار ساده مطرح کردیم: این فوتون چگونه توانست سفری را که طبق فیزیک شناختهشده باید آن را نابود میکرد، با موفقیت پشت سر بگذارد؟»
پژوهشگران برای توضیح این اتفاق، سناریویی را پیشنهاد کردهاند که در آن ذرات شبهآکسیونی(ALP) نقش دارند. طبق این ایده، فوتونها میتوانند در طول مسیر به ذرات “شبه آکسیون” تبدیل شوند و سپس دوباره به فوتون تبدیل شوند. به این ترتیب، فوتون میتواند بخشی از مسیر را در قالب ذرهای طی کند که تحت تأثیر همان برهمکنش مخرب با “تابش زمینه کیهانی” قرار نمیگیرد.
اما یک مشکل وجود دارد: برای فوتونی با انرژی ۳۰۰ TeV، ALPها بهتنهایی کافی نیستند. محاسبات پژوهشگران نشان میدهد این سازوکار تقریباً ۱۰۰ برابر کمتر از مقدار لازم برای توضیح چنین سفری عمل میکند. بنابراین، دانشمندان سراغ ایده دیگری رفتهاند: نقض ناوردایی لورنتس.
ناوردایی لورنتس یکی از پایههای اساسی نسبیت خاص است. با اینحال، برخی مدلهای گرانش کوانتومی پیشبینی میکنند که در بالاترین انرژیها، این قوانین ممکن است اندکی دچار انحراف شوند. و انرژی ۳۰۰ TeV دقیقاً در محدودهای است که چنین اثرهای افراطی میتوانند اهمیت پیدا کنند.
اگر این فرض درست باشد، ممکن است در انرژیهای فوقالعاده بالا، جهان برای فوتونها شفافتر از چیزی باشد که قوانین معمول فیزیک پیشبینی میکنند؛ چیزی شبیه ایجاد یک «خط ویژه» برای فوتونهای فوقپرانرژی که به آنها اجازه میدهد مسافتهای عظیم کیهانی را طی کنند.
البته پژوهشگران تأکید میکنند که قوانین فیزیک واقعاً تغییر نکردهاند؛ بلکه ممکن است در شرایط بسیار شدید، اثرات بسیار ظریف و غیرمعمولی آشکار شوند. مارکو رونکادلی، اخترفیزیکدان مؤسسه ملی فیزیک هستهای ایتالیا (INFN)، میگوید نکته جالب این پژوهش آن است که برای نخستین بار، دو ایده که پیشتر جدا از یکدیگر بررسی میشدند، در یک مدل واحد کنار هم قرار گرفتهاند.
اگر مشاهدات آینده این سناریو را تأیید کنند، جهان میتواند به یک آزمایشگاه طبیعی برای مطالعه گرانش کوانتومی در انرژیهایی بسیار فراتر از توان هر شتابدهندهای که بشر روی زمین ساخته است تبدیل شود.
این نظریه همچنین با یک مشاهده عجیب دیگر دربارۀ GRB 221009A سازگار است: فوتون ۳۰۰ TeV حدود یک ساعت دیرتر از فوتونهای کمانرژیتر به زمین رسید. یک مطالعه مستقل نشان داده بود که چنین تأخیری نیز میتواند با نوعی نقض ناوردایی لورنتس توضیح داده شود.
با اینحال، هنوز راه زیادی تا اثبات این ایده باقی مانده است. فعلاً با یک مدل نظری روبهرو هستیم که بر اساس مشاهده تنها یک فوتون شکل گرفته است. مشاهدات آینده از انفجارهای مشابه میتوانند مشخص کنند که این پدیده واقعاً نشانهای از فیزیک جدید است یا اینکه توضیح دیگری برای آن وجود دارد.
پژوهشگران در مقاله خود نیز تأکید کردهاند که این یافتهها به تأییدهای بیشتری از طریق مشاهدات آینده نیاز دارند. در نهایت، تنها زمان مشخص خواهد کرد که آیا این دو سرنخ واقعاً کشفهایی تازه از فیزیک فراتر از نظریههای فعلی هستند یا نه. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review Letters منتشر شده است.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: sciencealert.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=110011
