ذره بنیادی جدید و حل دو معمای بزرگ: باز هم پای فیزیک جدید در میان است؟

امروزه رشد علم و دستاورهای علمی، آنقدر شتاب گرفته که شاید چند روز برای پیشنهاد یک راه حل، کافی باشد و این دقیقا چیزی است که در مورد مقاله ی امروز با آن مواجه هستیم. اگر یادتان باشد روزهای گذشته مقالاتی در مورد معمای شعاع پروتون و نقض سی پی در دیپ لوک، منتشر کردیم. حالا و در مقاله ی جدیدی، فیزیکدانان با پیشنهاد یک ذره بنیادی جدید و البته فرضی، سعی کرده اند تا این رازها را رمزگشایی کنند. با دیپ لوک همراه باشید…

ابر سازه ی قرن، یعنی LHC، حالا با انرژی فوق العاده ی ۱۳ ترا الکترون ولتی خود، قادر است تمام ذرات  پیش بینی شده در نظریات  را رصد کند، اما از زمان کشف بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲، هیچ ذره ی دیگری پیدا نشده است. همین کشف نشدن یک ذره بنیادی جدید ، نشانه ی این است که  در مدل استاندارد یک جای کار می لنگد! این امر باعث شده تا بسیاری از فیزیکدانان در جستجوی نشانه هایی برای فیزیک جدید یا فیزیک فراسوی مدل استاندارد باشند. در مقاله ی جدیدی که چند روز پیش در ژورنال معتبر Physical Review Letters منتشر شد، فیزیکدانان دانشگاه واشنگتن، یک ذره ی بنیادی جدید را پیشنهاد کرده اند که بسیار هیجان انگیز و وسوسه کننده است، زیرا می تواند به طور همزمان، دو معمای مهم فیزیک را حل کند: معمای شعاع پروتون و ممان مغناطیسی متناقض میون. این دو معما به طور قابل توجهی با پیش بینی های مدل استاندارد متفاوت هستند. نکته ی جالب دیگر اینکه، تاکنون فرض می شد این دو معما، ارتباطی با یکدیگر ندارند، در حالیکه این ذره ی بنیادی جدید نشان می دهد، آنها با یکدیگر در ارتباطند. از طرفی دانشمندان در این مقاله، چند آزمایش برای آزمودن فرضیه ی خود، پیشنهاد داده اند.

فیزیکدانان ذره بنیادی جدید و فرضی خود را بوزون اسکالر الکتروفوبیک نامیده اند که دلیل این نامگذاری به صورت زیر مطرح می شود: اسکالر بودن یک ذره به معنای، صفر بودن اسپین آن است و از آنجایی که این ذره بنیادی جدید نیز دارای اسپین صفر است، آن را اسکالر نامیده اند. در حال حاضر، ۵ بوزون در مدل استاندارد وجود دارد که تنها یکی از آنها، اسکالر است (یعنی هیگز). هر پنج بوزون از نظر آزمایشگاهی تایید شده اند و همه ی آنها حامل های نیرو هستند که مانند چسب مواد را به یکدیگر می چسبانند. از طرفی، عبارت الکتروفوبیک در نام این ذره، بدان دلیل است که فیزیکدانان پیش بینی کرده اند که این ذره بنیادی جدید و فرضی، می تواند پروتون ها و نوترون ها را به هم بچسباند، اما الکترون ها را یا بسیار ضعیف و یا اصلا آنها را به هم نمی چسباند. دانشمندان نشان دادند که این ویژگی الکتروفوبیک بودن، کلید حل دو معمای پروتون و میون است.

معمای شعاع پروتون و ذره بنیادی جدید

معمای شعاع پروتون چند روز پیش در دیپ لوک منتشر شد و اگر یادتان باشد، معما این بود که پروتون بسته به نوع ذره ای که دور آن می چرخد، شعاع متفاوتی دارد. در آن مقاله، آزمایش هایی انجام شده بودند که نشان می دادند شعاع پروتون وقتی یک الکترون به دور آن می چرخد، کمی بزرگتر از زمانی است که یک میون به دور آن می چرخد. میون ذره ای مانند الکترون است، تنها این با این تفاوت که حدود ۲۰۰ مرتبه سنگین تر از آن است. اگر خطای اندازه گیری، دلیل این اختلاف نباشد، پس باید پای یک نیروی ناشناخته ی بنیادی در میان باشد که پروتون ها و میون ها را نزدیکتر به هم نگه می دارد در حالیکه بین پروتون ها و الکترون ها وجود ندارد! اصل جهان شمولی لپتون، یکی از بنیان های مدل استاندارد است. این اصل بیان می کند  که تمام لپتون ها، مانند الکترون ها و میون ها باید به شیوه ی یکسانی، رفتار کنند، اما ذره بنیادی جدید ، این اصل را نقض می کند، زیرا برهمکنش های میون و الکترون، با هم متفاوت هستند.

معمای ممان مغناطیسی متناقض میون و ذره بنیادی جدید

معمای دوم، ممان مغناطیسی متناقض میون است که نشان می دهد چطور اثرات کوانتومی، در ممان مغناطیسی یک ذره، نقش دارند. در این مورد هم، اندازه گیری های بسیاری دقیقی انجام شده که نتایج آنها با پیش بینی های مدل استاندارد، ناسازگاری بوده است. اینجا هم، فیزیکدانان، تناقض را نشان دهنده ی فیزیک فراسوی مدل استاندارد (فیزیک جدید) می دانند. پس این ذره بنیادی جدید می تواند دو معمای پروتون و میون را به یکدیگر ارتباط دهد.

کلید حل معما : ذره بنیادی جدید

معمای شعاع پروتون را می توان با درنظر گرفتن یک برهمکنش جاذبه ای اضافی جدید بین میون و پروتون حل کرد. چنین برهمکنشی باید معمای ممان مغناطیسی متناقض میون نیز دخالت داشته باشد. معمای شعاع پروتون (دخیل در جابه جایی لمب)، قدرت برهمکنش سهیم در ممان مغناطیسی متناقض میون را تعیین می کند. این برهمکنش به اندازه ی کافی بزرگ است که به عنوان ناسازگاری نظریه و آزمایش، درنظر گرفته شود. دانشمندان به کمک معادلاتی که در مقاله معرفی شده اند، می توانند اعداد و ارقام را محاسبه کنند و از آنها برای حل هر دو معما استفاده کنند. البته آزمایش های آینده، نشان خواهند داد فیزیک جدید درست است یا نه.

فیزیکدانان پیش بینی کردند که جرم این ذره بنیادی جدید بین ۱۰۰ کیلوالکترون ولت تا ۱۰۰مگاالکترون ولت قرار می گیرد. اگرچه آزمایش های قبلی، بخشی از این محدوده ی پیش بینی شده را، کاوش کرده بودند، اما فیزیکدانان دو ناحیه ی کشف نشده را تشخیص دادند که می توانند مکان های ایده آلی برای جستجو باشند. آنها انتظار دارند که آزمایش های دقیق پروتون ها و میون ها، بتوانند ذره بنیادی جدید را در این نواحی، پیدا کنند. بنابراین دانشمندان تجربی کار می توانند با نگاه کردن به این مکان های خاص، ذره بنیادی جدید را کشف کنند.

دانشمندان امیدوارند به کمک همین روش، بتوانند ذرات جدید دیگری را کشف کنند. در واقع، این روش به آنها اجازه می دهد تا ابزارهای نظری جدیدی را برای جستجوی سایر گونه های بوزون ها با اعداد کوانتومی متفاوت، توسعه دهند.

لینک به مقاله ی اصلی