اثبات نظریه انیشتین؛ تعریف جدید از قوانین فیزیک حاکم بر کیهان

تینا مزدکی_ دانشمندان در اولین آزمایش که در قدرتمندترین شتاب دهنده ذرات جهان LHC یا همان برخورددهنده هادرونی بزرگ (Large Hadron Collider)‏ انجام دادند، تلاش کردند تا متوجه شوند که آیا کوارک سر (Top-Quark) همیشه از نظریه ۱۹۰۵ انیشتین، معروف به نسبیت خاص پیروی می‌کند یا نه. کوارک‌ها، سنگین‌ترین ذرات بنیادیی جهان هستند که از هیچ ذره کوچکتر دیگری تشکیل نشده‌اند.

تیمی که بر روی آﺷﮑﺎرﺳﺎز CMS یا (Compact Muon Solenoid)  کار می‌کردند می‌خواستند متوجه شوند که  آیا تقارن لورنتس (Lorentz symmetry)، یکی از قوانینی که نسبیت خاص بر اساس آن تعریف شده است، همیشه در مورد کوارک‌ها صدق می‌کند یا نه. تقارن لورنتس بیان می‌کند که نتیجه یک آزمایش به سرعت و جهت حرکت آزمایشگاه وابسته نیست. اما در برخی نظریه‌ها هم گفته شده بود که در سطوح انرژی بسیار بالا، نسبیت خاص، در نتیجه‌ی نقض لورنتس یا به نوعی شکسته شدن همان تقارن لورنتس، از بین می‌رود.

بنابراین قوانین فیزیک می‌تواند از نظر برخی‌ افراد با چارچوب‌ مراجع مختلف، متفاوت باشد؛ این یعنی مشاهدات تجربی به جهت‌گیری آزمایش در فضا-زمان (اتحاد چهار بعدی فضا و زمان) بستگی دارد که منجر به تغییر بسیاری از نظریه‌های معروف ما در مورد کیهان می‌شود، از جمله مدل استاندارد فیزیک ذرات که بر پایه نسبیت خاص انیشتین استوار است.

بقایای شکست تقارن لورنتس می‌تواند در سطوح انرژی پایین‌تر، مانند انرژی‌های LHC قابل مشاهده باشد، اما علیرغم تلاش‌های قبلی، محققان این‌بار در LHC یا سایر برخورددهنده‌ها متوجه بقایای آن نشدند. بنابراین با استفاده از جفت‌هایی از کوارک سر، به جستجوی چنین بقایایی از شکست تقارن لورنتس پرداختند.

کوارک شبانه‌روزی!

کوارک‌ها در مدل استاندارد فیزیک ذراتی هستند که به یکدیگر متصل می‌شوند و ذراتی مانند پروتون و نوترون را تشکیل می‌دهند. شش نوع کوارک با جرم فزاینده وجود دارد که شامل کوارک بالا (Up-Quark)، کوارک پایین (Down-Quark)، کوارک افسون (Charm-Quark)، کوارک شگفت (Strange-Quark)، کوارک سر (Top-Quark) و کوارک ته (Bottom-Quark) می‌شود؛ سنگین‌ترین آن‌ها کوارک بالایی است که جرمی برابر با اتم طلا دارد (حدود ۱۷۳ گیگا الکترون ولت).

محقققان می‌گویند اگر برخورد بین پروتون‌های شتاب‌گرفته به سرعت‌های نزدیک به نور در LHC به جهت‌گیری بستگی دارد، آن‌گاه سرعت جفت‌های کوارک بالا که توسط چنین رویدادهایی تولید می‌شوند باید با زمان تغییر کند.

دلیل آن این است که با چرخش زمین، جهت پرتوهای پروتون تولید شده برای برخورد ذرات در شتاب دهنده قدرتمند ذرات تغییر می‌کند. بنابراین، جهت کوارک‌های بالایی ایجاد شده توسط چنین برخوردهایی نیز باید تغییر کند. این بدان معناست که تعداد کوارک‌های ایجاد شده باید به زمانی از روز بستگی داشته باشد که برخوردها اتفاق می‌افتد!

بنابراین، اگر جهت ترجیحی در فضا-زمان و نشانه‌هایی از شکست تقارن لورنتس وجود داشته باشد، باید انحراف از نرخ ثابت تولید جفت کوارک بالا در LHC وجود داشته باشد که وابسته به زمان روز انجام آزمایش است. با استفاده از داده‌های اجرای آزمایش دوم LHC، که بین سال‌های ۲۰۱۵ و ۲۰۱۸ انجام شد، محققان آشکارساز CMS چنین انحرافی را پیدا نکردند، در واقع محققان هیچ نشانه‌ای از شکست تقارن لورنتس پیدا نکردند و هیچ شواهدی از کوارک‌های بالا که با نظریه اینشتین مخالفت کنند هم دیده نشد؛ حال دیگر مهم نیست که پرتوهای پروتون به چه سمتی جهت‌گیری کرده باشند یا در چه زمانی از روز برخورد رخ داده باشد.

بنابراین، نظریه نسبیت اینشتین در تمام ساعات شبانه روز صدق می‌کند، حداقل در حال حاضر نتیجه آزمایش‌ها چنین چیزی را ثابت کرده است. 

سومین و قدرتمندتر عملیات اجرایی LHC ارتقا یافته در سال ۲۰۲۲ آغاز شد و قرار است سال آینده به پایان برسد و تیم محققان به دنبال نشانه‌هایی از شکست تقارن لورنتس در برخوردهای پرانرژی پروتون و پروتون خواهند بود. به گفته تیمی که بر روی آﺷﮑﺎرﺳﺎز CMS  کار می‌کنند، نتایج راه را برای جستجوهای آینده برای شکست تقارن لورنتس بر اساس داده‌های کوارک بالا از اجرای آزمایش سوم LHC هموار می‌کند. همچنین راه را برای بررسی دقیق فرآیندهای مربوط به سایر ذرات سنگین که فقط در LHC قابل بررسی هستند، مانند بوزون هیگز (Higgs boson) یا همان «ذره خدا» و بوزون‌های دبلیو و زد (W and Z bosons) باز می‌کنند.

منبع: space

۸۵۳۲۳