درست همانطور که ما انسان‌ها با دوستانمان گپ می‌زنیم، ذرات جهان زیر اتمی، گرد هم آمده و با یکدیگر گفتگو می‌کنند! حالا دانشمندان فیزیک هسته‌ای به کمک ابررایانه‌ها توانسته‌اند به گفتگوی آنها از طریق ذره سیگما گوش داده و اطلاعات مهمی بدست آورند. این اطلاعات می‌تواند به درک چگونگی شکل‌گیری هستی از این ذرات، کمک کند. نتیجه این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است. برای شنیدن گفتگوی ذرات، با دیپ لوک همراه شوید…
جوزف دودک، دانشمندی است که در آزمایشگاه انرژی جفرسون مشغول به کار است. وی استادیار فیزیک در کالج ویلیام و مری آمریکاست. او و همکارانش به تازگی برای اولین بار، محاسبات پیچیده‌ای برای ذره سیگما که از دل جهان زیر اتمی بیرون آمده، انجام دادند. جورف می‌گوید:
ذره سیگما اغلب به عنوان بخشی از نیرویی تصور می‌شود که پروتونها و نوترونها را در هسته کنار هم نگه می‌دارد. در واقع می‌توانیم نیرویی را بین یک پروتون و یک نوترون فرض کنیم که ناشی از تبادل ذرات بین آنهاست. یکی از این ذرات، ذره سیگما است.
تبادل ذره سیگما بین پروتون و نوترون، به آنها جازه می‌دهد تا از طریق نیروی قوی (یکی از چهار نیروی طبیعت)، باهم ارتباط برقرار کنند. این نیروی طبیعی همواره بین پروتونها و نوترون‌های یک هسته وجود دارد. در حقیقت نیروی قوی مسئول تشکیل پروتونها و نوترون‌هاست. دانشمندان فیزیک هسته‌ای سال‌های زیادی به مطالعه ساختار درونی هسته پرداختهند تا بتوانند اجزای آن را کشف کنند. این تلاش‌ها ادامه داشت تا اینکه ذرات بسیار کوچکی بنام کوارک کشف شدند. سه کوارک متصل به هم، یک پروتون را تشکیل می‌دهند (یک نوترون هم با اتصال سه کوارک تولید می‌شود). کوارکها توسط نیروی قوی کنار هم آرام می‌گیرند. جالب است بدانید کوارک ها هم با هم حرف می‌زنند. همانطور که گفتگوی ما انسان‌ها از طریق تبادل اصوات میسر می‌شود، گفتگوی کوارکها نیز با تبادل ذراتی بنام گلوئون امکان‌پذیر می‌شود. وجود گلوئونها باعث ایجاد نیروی قوی بین کوارک ها می‌شود درست مثل نقش ذره سیگما در مورد پروتونها و نوترونها. حال یک سوال پیش می‌آید: اگرکوارک‌ها با تبادل گلوئونها، نیروی قوی تولید می‌کنند، پس چرا در مورد پروتونها و نوترونها، برای تبادل و ایجاد نیرو از ذره‌ی سیگما استفاده می‌شود و خبری از گلوئونها نیست؟
پاسخ اینجاست: در صورتی که پروتون و نوترون به اندازه کافی به هم نزدیک شوند، می‌توانند با تبادل گلوئون، نیروی قوی ایجاد کره و با هم صحبت کنند؛ اما در هسته‌های بزرگ این امر امکان‌پذیر نیست، چرا که صدای آنها به گوش هم نمی‌رسد! اینجاست که حضور ذره سیگما ضروری می‌شود تا بتوانند گفتگوی با کیفیت‌تری داشته باشند! نوکلئون‌ها در فواصل بزرگتر، با تبادل مزون باهم ارتباط برقرار می‌کنند. مزونها از کوارکها و گلوئونها ساخته شده‌اند. دودک معتقد است می‌توان مزونها را بصورت بسته‌های محدود دسته‌بندی کرد. این بسته محدود ممکن است، سیگما باشد که یک مزون ساخته شده از کوارکها و گلوئونهاست یا می‌تواند مزون دیگری بنام پایون باشد که برای فیزیکدانان آشناست و آن را بصورت چرخان واطراف هسته در نظر می گیرند. بنابراین در کل می‌توان گفت پروتونها و نوترونها در فواصل کوتاه از طریق تبادل گلوئون، در فواصل متوسط از طریق مزون سیگما و در فواصل بزرگ از طریق پایون ها باهم ارتباط بر قرار می‌کنند. (انسان‌هایی را تصور کنید که در نزدیکی هم از طریق صحبت مستقیم، در فواصل معینی از طریق بیسیم و در فواصل دور از طریق مویایل صحبت می‌کنند).
انجام محاسبات در قلب ماده
دودک و همکارانش برای اولین بار با استفاده از نظریه‌ای که برهمکنش قوی بین ذرات و ماهیت این برهمکنش ها را توصیف می‌کند (این نظریه کرودینامیک کوانتومی یا به اختصار QCD نام دارد)، محاسباتی را به‌طور مستقیم در مورد ذره سیگما انجام دادند. دانشمندان برای انجام محاسبات پیچیده QCD، از چند ابر رایانه استفاده کردند. بخش اول محاسبات بر روی ابررایانه تیتان و قسمت بعدی بر روی ابررایانه Blue Waters انجام شد. ادواردز می‌گوید:
این محاسبات برای به‌دست‌آوردن تصویری از محیط ذرات زیر اتمی و یا خلا فضایی که نظریه QCD توصیف می‌کند انجام گرفت. خلا، یک فضای خالی نیست بلکه با انرژی پر شده است. این انرژی به صورت نوسانات الکتریکی و مغناطیسی، قابل مشاهده است. هر تصویر خلا را می‌توان همچون سطح یک حوضچه که با قطرات باران متلاطم می‌شود، مقایسه کرد. برای انجام این محاسبات، ۴۸۵ عکس لحظه‌ای از خلا توسط ابر رایانه تیتان تولید شد تا تصویر کاملی از خلا ساخته شود.
برای بخش دوم محاسبات، کوارک هم به عکس‌های لحظه‌ای اضافه شد. کوارکها از طریق خلا حرکت کرده و به محیط اطرافشان، واکنش نشان می‌دهند. حرکات احتمالی آنها را انتشارگر می‌گویند. با استفاده از دو ابر رایانه مذکور، ۸۰۰ هزار عکس تولید شد تا نمایی از انتشارگرها بدست آید. با مکان‌یابی انتشارگرها مشخص شد که کوارک ها چگونه با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند و زمان انتشارشان به چه صورت است. محققان در ادامه، با استفاده از تابع همبستگی، حرکت کوارکها و همبستگی آنها را محاسبه کردند. برای درک بهتر، به مثال حوضچه وقطرات باران، یک اردک پلاستیکی را اضافه کنید که نقش کوارک را دارد. محاسبه‌ی تابع همبستگی نشان می‌دهد چگونه احتمال دارد که اردک پلاستیکی از یک نقطه به نقطه دیگر حوض، منتقل شود.
ذره سیگما وارد می‌شود…
پس از آنکه همه محاسبات انجام شد، محققان دریافتند که اگر کوارک وجود داشته باشد، ذره سیگما می‌تواند توسط نیروی قوی تولید شود. پس از چندین دهه که به ذره سیگما توجه چندانی نمی‌شد، حالا دانشمندان نشان دادند که این ذره در جهان زیر اتمی، نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند. این پژوهش به محققان اجازه می‌دهد تا با نگرشی جدید به مطالعه ذرات بنیادی یپردازند. این اولین گام به سوی درک ذره سیگما است. چیزی که در نظریه مطرح می‌شد، در آزمایش هم نشان داده شد. ویژگی‌های ذره سیگما که در محاسبات بدست آمد با آنچه داشمندان انتظار داشتند مطابقت داشت. این محاسبات نشان داد که ذرات گریزانی همچون ذره سیگما را می توان توسط ابررایانه به دام انداخت. اگرچه در این پژوهش، محاسبات نظریه QCD انجام شد، اما هنوز سوالات بسیاری در این زمینه باقی مانده است: ذات ذره سیگما چیست و از چه چیزی شکل گرفته و اصلا چرا وجود دارد؟!
مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:
[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/04/1607.05900.pdf” profile=”3″ save=”1″]
