سرن سرنخی از “پادماده” گمشده کشف کرد

[Prometheus]

سرن سرنخی از “پادماده” گمشده کشف کرد

یکی از بزرگترین معماهای دنیای فیزیک پادماده است. ذراتی مثل الکترون و پروتون که مواد اطراف ما را تشکیل می‌دهند، نسخه پادماده‌ای دارند که تقریباً با آنها یکسان بوده، اما ویژگی‌هایی برعکس آنها نظیر بار الکتریکی مخالف دارند. وقتی یک ذره ماده و پادماده با هم برخورد می‌کنند، در یک چشم بهم زدن نابود می‌شوند.

اگر ماده و پادماده یکسان هستند و ویژگی‌هایی عکس یکدیگر دارند، باید مقدار برابری در زمان بیگ بنگ از آنها تولید می‌شد. مسئله اینجا است که در این صورت تمام ماده نابود می‌شد، اما امروزه تقریباً هیچ پادماده‌ای در کیهان باقی نمانده؛ فقط در برخی فروپاشی‌های رادیواکتیو و تعداد اندکی پرتوهای کیهانی می‌توان اثرات پادماده را مشاهده نمود.

پس چه اتفاقی برای آن افتاده؟ محققان در آزمایش LHCb در مرکز تحقیقاتی سرن به منظور مطالعهٔ تفاوت میان ماده و پادماده، موفق به کشف راهی جدید برای مشاهدۀ این تفاوت شدند. وجود پادماده توسط فیزیکدان “پل دیراک” و معادله او در مورد حرکت الکترون‌ها در سال 1928 پیش‌بینی شد. در آغاز، مشخص نبود که این موضوع، نوعی چرخش ناگهانی فکری در ریاضیات است یا تعریفی از یک ذره واقعی.

اما در سال 1932، “کارل اندرسون” وقتی مشغول مطالعه پرتوهای کیهانی بود که با زمین برخورد می‌کنند، جفتِ پاد مادهٔ الکترون را کشف کرد که پوزیترون نامیده شد. در طی چند دهه بعد فیزیکدانان دریافتند تمام ذرات، جفت پاد ماده دارند. دانشمندان معتقدند در حالت بسیار چگال و داغِ بعد از بیگ بنگ، باید فرآیندهایی بوده باشد که ماده را بر پادماده ترجیح داده‌اند. این موضوع باعث شد میزان مادۀ باقی مانده از پادماده بیشتر باشد و وقتی جهان سرد شد، تمام پادماده توسط مقایر برابر ماده نابود یا منهدم شد و مقدار اندکی ماده باقی ماند. و این بقایا تمام چیزهایی که امروز می‌بینیم را ساخت. اینکه به طور خاص چه فرآیندهایی باعث باقی ماندن این مقدار ماده بودند نامشخص بوده و دهه‌ها فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است.

عدم تقارن شناخته شده

رفتار کوارک‌ها، که به همراه لپتون‌ها ذرات بنیادین واحدهای سازنده ماده هستند، می‌تواند به درک تفاوت میان ماده و پادماده کمک کند. کوارک‌ها انواع یا «مزه» های مختلفی با نام بالا، پایین، افسون، شگفت، سر و ته دارند که شش پادکوارک نیز با خود دارند. کوارک‌های بالا و پایین واحدهای سازنده پروتون و نوترون در هسته‌اتم معمولی هستند و کوارک‌های دیگر نیز می‌توانند توسط فرآیندهای پرانرژی مثل برخورد ذرات در شتاب دهنده‌هایی نظیر “برخورد دهنده هادرونی بزرگ” در سرن تولید شوند.

ذراتی که یک کوارک و یک پادکوارک دارند مزون نامیده می‌شوند. چهار مزون خنثی وجود دارد که رفتاری جالب نشان می‌دهند. آن‌ها می‌توانند به صورت خود بخودی به پادذره خودشان تبدیل شوند و دوباره به شکل قبلی بازگردند؛ پدیده‌ای که اولین‌بار در سال 1960 مشاهده شد.

از آنجایی که کوارک‌ها ناپایدار هستند، آن‌ها در نقطه‌ای از نوسان‌های خود به ذرات پایدارتر دیگری فروپاشی می‌کنند. این فروپاشی در مزون‌ها اندکی با فروپاشی پادمزون‌ها متفاوت است که اگر آن را در کنار نوسان قرار دهیم به این معنا خواهد بود که نرخ فروپاشی آن در طول زمان تغییر می‌کند



قوانین نوسان و فروپاشی توسط چارچوبی نظری با نام مکانیسم کابیبو-کوبایاشی-ماسکاوا (به اختصار CKM) تعیین می‌شوند. طبق این قوانین، تفاوتی در رفتار ماده و پادماده وجود دارد، اما تفاوتی بسیار کوچکتر از آن که بخواهد مواد اضافی‌ای که در آغاز جهان وجود داشت را توضیح دهد. این نشان می‌دهد چیزی وجود دارد که ما نمی‌دانیم و پژوهش در این زمینه ممکن است برخی از بنیادی‌ترین نظریه‌های علم فیزیک را متحول سازد.

فیزیک جدید؟

نتایج تازه محققان در آزمایش LHCb، پژوهشی در مورد مزون‌های B0S است که توجه خود را بر روی فروپاشی و تبدیل آنها به مزون‌های باردار K معطوف کرده است. مزون‌های B0S در نتیجهٔ برخورد پروتون‌ها با پروتون‌های دیگر در برخورددهنده هادرونی بزرگ تولید می‌شوند که در این برخورددهنده، سه تریلیون بار بر ثانیه به پادمزون خود تبدیل شده و به حالت قبلی بازگشته است. همچنین در این برخوردها مزون‌های پاد B0S تشکیل شده‌اند که رفتار نوسانی مشابهی دارند و برای ما نمونه‌هایی از مزون‌ها و پادمزون‌های مختلف را برای مقایسه فراهم می‌کنند.

دانشمندان تعداد دفعات فروپاشی دو نمونه را شمرده و مقایسه کردند تا ببینند چطور این تفاوت در خلال نوسان، خود را نشان می‌دهد. تفاوت اندکی وجود داشت؛ فروپاشی مزون‌های B0S بیشتر بود و برای اولین‌بار، محققان مشاهده کردند که میزان تفاوت در فروپاشی یا عدم تقارن، بر اساس نوسان بین مزون B0S و پادمزون آن تغییر می‌کند.

علاوه بر اینکه محققان به نقطه عطفی در مطالعات در مورد تفاوت‌های ماده و پادماده رسیدند، همچنین توانستند اندازۀ این عدم تقارن را به دست آورند. این اندازه‌گیری‌ها را می‌توان به اندازه‌گیری چندین پارامتر مختلف نظریه اصلی تبدیل کرد. مقایسه نتایج با دیگر اندازه‌گیری‌ها باعث می‌شود از صحت توصیفی که در مورد طبیعت داریم باخبر شویم.

از آنجایی که دانشمندان نمی‌توانند تقدم اندک ماده بر پادماده را توضیحی برای این مقدار از ماده بدانند که اکنون در جهان می‌بینیم، محتمل است که دانش کنونی ما چیزی نزدیک به نظریه‌ای بنیادین‌تر باشد. بررسی و تحلیل این مکانیسم که می‌دانیم عدم تقارن میان ماده و پادماده ایجاد می‌کند، ممکن به ما بگوید که مشکل کجاست. مطالعهٔ کیهان در کوچکترین مقیاس‌ها بهترین فرصت ما برای درک چیزی است که در مقیاس بزرگ مشاهده می‌کنیم.