باغ وحش ذرات: این بار در نخستین شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی

ذرات بنیادی، همانطور که از نامشان پیداست، سنگ بناهای طبیعت هستند. این ذرات بنیادی که تعداد آنها چندان هم، کم نیست، به وسیله ی مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی، توصیف می شوند. شبیه سازی های کوانتومی این هفته بیش از همه خبرساز شدند. در مقاله قبلی دیپ لوک هم در مورد شبیه سازی کوانتومی، صحبت کردیم، اما حالا دانشمندان برای اولین بار موفق شده اند تا شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی را به کمک کامپیوترهای کوانتومی انجام دهند. در نگاهی عمیق به بنیادی ترین لایه های هستی، با دیپ لوک همراه باشید…

مدل استاندارد ذرات بنیادی: نقشه ی صفر تا صد فیزیک!

قبل از اینکه به سراغ ماجرای اصلی مقاله ی امروز برویم، اجازه دهید کمی با مدل استاندارد ذرات بنیادی آشنا شویم. مدل استاندارد ذرات بنیادی یا به طور کلی مدل استاندارد، نظریه ی جامعی است که رفتار تمام اجزای سازنده ی کائنات، یعنی نیروها و ذرات را توصیف می کند. این نظریه، تقریبا جوان به شمار می آید، چرا که در اواسط دهه ی ۱۹۷۰، یعنی حدود ۴۰ سال پیش، به کمک دانشمندانی از سراسر دنیا شکل گرفت.

همانطور که میدانید الکترومغناطیس، گرانش، هسته ای قوی و هسته ای ضعیف، ۴ نیروی حاکم بر طبیعت هستند. برخلاف این تعداد نیرو که حتی به تعداد انگشتان یک دست هم نمی رسند، ذرات بنیادی در اواسط قرن بیستم، آنقدر زیاد (چند صد عدد) بودند که خیلی اوقات به دلیل آشفتگی و دسته بندی های زیاد، از آنها به عنوان باغ وحش تعبیر می شد. حتی فیزیکدان مشهوری همچون ریچارد فاینمن در کتاب مشهورش با نام QED چنین می گوید:

Why aren’t all those hundreds of particles included in the typical “periodic table” for elementary particles?

چرا نباید این چندصد ذره را در یک جدول تناوبی ذرات بنیادی، قرار دهیم؟

اما واقعیت این بود که این چند صد ذره، ذرات مرکب بودند. با گذشت زمان و با انجام آزمایش های بیشتر در شتاب دهنده ها، تعداد نهایی ذرات بنیادی در مدل استاندارد به ۱۲ محدود شد. در زیر، طرح کلی ذرات و نیروهای مدل استاندارد را می بینید. ذرات بنیادی به دو دسته ی کوارک ها (رنگ بنفش) و لپتون ها (رنگ سبز) تقسیم می شوند که هر یک دارای ۶ ذره ی بنیادی هستند. از طرفی ذرات نیرو (رنگ قرمز) به نام های گلوئون (ذره هسته ای قوی)، فوتون (ذره ی نور)، بوزون w و z (ذرات هسته ای ضعیف) هم در این طرح دیده می شوند. مدل استاندارد با استفاده از ۱۷ ذره -نیروی بنیادی، قادر است، برهمکنش حدود ۲۰۰ ذره ی دیگر را توصیف کند.

۳ نکته و شاید معمای مهم در رابطه با این طرح وجود دارد.

۱- برخی از ذرات بنیادی دارای جرم زیاد و برخی بدون جرم هستند. بوزون هیگز (رنگ زرد) که به”ذره خدا” مشهور است، در توضیح چگونگی تبدیل ذرات بی جرم به ذرات جرم دار، به فیزیکدانان کمک می کند. بوزون یک ذره ی نوزاد به شمار می آید، چرا که در سال ۲۰۱۲ و در سرن متولد شد.

۲- ذرات بالا، اجزای سازنده ی ماده در طبیعت هستند، اما میدانیم که علاوه بر ماده، پادماده هم در کائنات وجود دارد. بنابراین هر یک از این ذرات، همتایان پادذره ای دارند که پادماده ی موجود در طبیعت را می سازند. ذرات و پادذرات، ویژگی های کاملا یکسانی دارند، به جز یکی و آن، بار الکتریکی آنهاست که مخالف یکدیگر است. به عنوان مثال، الکترون (با بار منفی یک)، ذره و پوزیترون (با بار مثبت یک)، پادذره ی آن است. زمانیکه یک ذره با پاذره ی خود برخورد می کند، هر دو نابود شده و ذره ی جدیدی به وجود می آید. مشهورترین مثال جالبی که از کتاب های دوران نوجوانی به یاد دارم، مربوط به داستان ملاقات دو انسان ماده و پادماده است. فرض کنید روزی دریابیم که ما تنها موجودات هوشمند این گیتی نیستیم و اتفاقا موجودات هوشمندی دقیقا مانند خودمان، اما از جنس پادماده را پیدا کنیم. (بنابراین می توانیم به آنها لقب پادانسان را بدهیم!). حالا وقتی با شور و شوق و برای اولین بار با آنها دست می دهیم، هر دو منفجر شویم!! کسی نمیداند، شاید روزی سروکله ی چنین موجوداتی در حوادث عجیب و غریبی مانند حادثه رازول و ماجراهای شگفت انگیز یوفوها پیدا شود!

۳- ذره ی نیروی گرانشی، یعنی گراویتون در این طرح دیده نمی شود. دلیل آن است که این ذره هنوز به طور تجربی کشف نشده است و تنها یک ذره ی فرضی به شمار می آید. در واقع موضوعاتی از این قبیل، در قالب مدل استاندارد قابل توضیح نیستند و آنها را باید در مدلی به نام BSM به معنای مدل فیزیک فراتر از مدل استاندارد (Physics beyond the Standard Model) بررسی کنیم. موضوعاتی مانند منشا جرم، سی‌پی قوی، نوسان نوترینو، عدم تقارن ماده ـ ضدماده ، ماهیت مادهٔ تاریک و انرژی تاریک با مدل استاندارد قابل توضیح نیستند و باید به کمک BSM توصیف شوند.

در مقدمه ی بالا که سعی شد به زبان ساده بیان شود، مفیدترین اطلاعات از معتبرترین سایت ها و کتاب ها، جمع آوری شد تا در کمترین زمان ممکن، دید جامعی نسبت به مدل استاندارد پیدا کنید. با این مقدمه ی نسبتا طولانی، اما لازم، به سراغ بحث اصلی مقاله ی امروز، یعنی شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی می رویم.

نخستین شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی

بسیاری از جنبه های مدل استاندارد، هنوز به خوبی فهمیده نشده، زیرا به علت پیچیدگی زیاد نمی توان آن را با کامپیوترهای کلاسیکی، بررسی کرد. اما کامپیوترهای کوانتومی می توانند بر این سد غلبه کرده و شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی را میسر کنند. فیزیکدانان دانشگاه اینسبروک و IQOQI اتریش، حالا دقیقا این کار را انجام داده اند: آنها برای نخستین بار در دنیا توانسته اند نظریه ی پیمانه ای شبکه (lattice gauge theories) را در کامپیوترهای کوانتومی، شبیه سازی کنند. آنها پژوهش خود را در ژورنال معتبر نیچر منتشر کردند.

شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی : جفت های ذره-پادذره

نظریه های پیمانه ای، برهمکنش بین ذرات بنیادی را توصیف می کنند و اساس درک ما از فرآیندهای بنیادی، به شمار می آیند. فرآیندهای دینامیکی، مثلا بررسی کردن برخورد ذرات بنیادی یا خلق همزمان جفت های ذره-پادذره، فوق العاده دشوار است.کامپیوترهای کلاسیکی برای انجام چنین محاسباتی، به شدت محدودیت دارند، به همین دلیل، پیشنهاد شده که این فرآیندها با استفاده از سیستم کوانتومی قابل برنامه نویسی، شبیه سازی شوند.

دانشمندان در این پژوهش، مفهوم جدیدی را توسعه داده اند که به آنها اجازه می دهد تا خلق همزمان جفت های الکترون-پوزیترون را در خارج از فضای خلا و با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی، شبیه سازی کنند. این سیستم کوانتومی شامل چهار یون کلسیم است که به طور الکترومغناطیسی به دام افتاده اند و بوسیله ی پالس های لیزری، کنترل می شوند. هر جفت از یون ها، یک جفت از یک ذره و یک پادذره را را نشان می دهند.

محققان از پالس های لیزر برای شبیه سازی میدان الکترومغناطیسی در خلا استفاده می کنند. سپس آنها می توانند چگونگی ساخته شدن جفت های ذرات بوسیله ی افت و خیزهای کوانتومی از انرژی این میدان را مشاهده کنند. با نگاه کردن به تابش یون ها، محققان می بینند که کدام ذرات و پادذرات ساخته می شوند. آنها می توانند پارامترهای سیستم کوانتومی را تغییر داده و به این طریق، فرآیند دینامیکی خلق جفت ذره-پادذره را مشاهده و مطالعه کنند.

شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی : ادغام زمینه های مختلف فیزیک

با این آزمایش، فیزیکدانان، بین دو زمینه ی مختلف در فیزیک، پل زده اند. آنها از آزمایش های فیزیک اتمی برای مطالعه ی سوالات فیزیک انرژی های بالا استفاده کرده اند. در حالیکه صدها فیزیکدان نظری، روی نظریه های بسیار پیچیده ی مدل استاندارد و همچنین روی آزمایش های فوق العاده گران آن در جاهایی مانند سرن کار می کنند، شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی می تواند با گروه های کوچک و آزمایش های ساده، بسیار کمک کننده باشد.

پیتر زولر، فیزیکدان نظری این پژوهش می گوید:

این دو رویکرد، مکمل یکدیگر هستند. ما نمی توانیم شبیه سازها را جایگزین برخورددهنده های ذرات کنیم. اما با توسعه ی شبیه سازی کوانتومی، ما می توانیم آن آزمایش ها را بسیار بهتر درک کنیم. به علاوه ما می توانیم فرآیندهای جدید را با استفاده از شبیه سازی کوانتومی مطالعه کنیم. برای مثال، در این آزمایش، ما درهم تنیدگی ذرات را که در طول فرآیند خلق، ایجاد می شود را هم بررسی کردیم که در یک برخورد دهنده ی ذرات، ممکن نبود.

فیزیکدانان متعاقد شدند که شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی در آینده، می تواند معماهای مهم فیزیک انرژی بالا را حل کند، معماهایی که با روش های سنتی، قابل حل نیستند.

سنگ بنای یک زمینه ی تحقیقاتی جدید

چند سالی نمی گذرد که ایده ی ادغام فیزیک اتمی با فیزیک انرژی بالا، پیشنهاد شد. در این پژوهش، برای اولین بار این ادغام، انجام شد چرا که با آزمایش های شبیه سازی کوانتومی قبلی که فیزیک سیستم های چند ذره ای یا شیمی کوانتومی را بررسی می کردند، بسیار متفاوت بود. شبیه سازی فرآیندهای ذرات بنیادی، به لحاظ نظری، بسیار پیچیده است و بنابراین ملزومات بسیار ویژه ای نیاز دارد. به همین دلیل، توسعه ی یک روش مناسب، دشوار است. از طرفی شرایط برای فیزیکدانان تجربی هم، به طور مشابهی دشوار است: این پژوهش، یکی از پیچیده ترین آزمایش هایی است که تا کنون در یک کامیپوتر کوانتومی یون های به دام افتاده، انجام شده است.

بلت می گوید:

ما هنوز در مسیر درک چگونگی عملکرد این شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی هستیم، اما با گذشت زمان، قادر خواهیم بود تا آنها را برای پدیده های چالش برانگیزتری استفاده کنیم.

بلت و زولر ، سال هاست این دست آزمایش ها را روی کامپیوترهای کوانتومی انجام می دهند و حالا تجریبات گرانبهایی در زمینه ی شبیه سازی کوانتومی ذرات بنیادی بدست آورده اند. به این ترتیب اینسبروک به یکی از مراکز پیشتاز در زمینه ی تحقیقاتی فیزیک کوانتومی تبدیل شده، چرا که اینجا هر دو شاخه ی نظری و تجربی در بالاترین حد در کنار یکدیگر کار می کنند که باعث می شود بینش جدیدی نسبت به پدیده های بنیادی پیدا کنند.

دانلود مقاله ی اصلی به صورت PDF