سرانجام آزمایش‌ها از راز پادماده درون پروتون پرده برداشتند (قسمت اول)

بیست سال پیش دانشمندان برآن شدند تا عدم تقارن رازآلود موجود درون پروتون را توجیه کنند. نتایج جالبی که بدست آمد، نشان از نقش مهم پادماده در پایداری هسته اتم‌های ماده دارد!‌ با دیپ لوک همراه باشید…

عموما به این موضوع که پروتون‌ها (ذرات تشکیل دهنده هسته اتم با بار مثبت) دارای بخش پادماده هستند، اشاره‌ای نمی‌شود. همگی در مدرسه آموخته‌ایم که یک پروتون از سه ذره دیگر به نام کوارک تشکیل شده است؛ دو کوارک بالا با بار ۲/۳+ و یک کوارک پایین با بار ۱/۳- که در مجموع به پروتون بار ۱+ را می‌دهد. اما این توضیح صرفا جهت ساده‌سازی داستانی ‌است که هنوز برملا نشده ‌است.

در حقیقت پروتون، ساخته افت و خیزهای تعدادی ذره شامل ۶ نوع کوارک و پادماده‌هایشان با بارهای مخالف (پادکوارک) به همراه گلوئون‌ها (بوزون‌های حامل انرژی که این ذرات را در کنار هم قرار می‌دهند) بوده که به سرعت به هم تبدیل می‌شوند (فرآیند تولید و نابودی زوج). این محیط مملو از ذره، به گونه‌ای پایدار رفتار می‌کند که انگار به سادگی از سه کوارک تشکیل شده است. آن طور که دونالد گیزمن (Donald Geesaman) فیزیکدان هسته‌ای بیان می‌کند این نمونه از رفتار مواد تشکیل دهنده پروتون؛ و در عین حال پایداری آن، چیزی شبیه معجزه است.

سی سال قبل محققان ویژگی مهمی از این «دریای پروتون» کشف کردند. نظریه‌پردازان انتظار تعداد برابری از انواع پادماده موجود درون پروتون داشتند، اما به نظر می‌رسید که تعداد پادکوارک‌های پایین به شکل قابل ملاحظه‌ای بیش از پادکوارک‌های بالا بودند. سپس یک دهه بعد، گروه دیگری از محققان نشانه‌هایی از اختلاف عجیب در نسبت تعداد پادکوارک‌های بالا به پایین را مشاهده کردند، اما این نتایج به دلیل دقت پایین آزمایشات مورد توجه قرار نگرفت.

بعد از آن یعنی ۲۰ سال قبل، گیزمن و همکارش پائول ریمر (Paul Reimer) آزمایش دیگری را آغاز کردند تا این موضوع را بررسی کنند. این آزمایش که به SeaQuest شهرت دارد، نهایتا به نتیجه رسید و اندکی قبل در مجله نیچر (Nature) منتشر شد. آن دو موفق شدند پادکوارک‌های درون پروتون را اندازه‌گیری کرده و نشان دهند که تعداد پادکوارک‌های پایین به شکل متوسط ۱.۴ برابر پادکوارک‌های بالا می‌باشند. براساس این داده‌ها دو نظریه قابل مدل‌سازی و مطرح شدن است. در واقع به بیان ریمر این اولین باری است که شواهدی جهت تایید این نظریات بدست آمده است.

یکی از این مدل‌ها که به ابر پیونی مشهور است، نظریه‌ای با عمر چند ده سال بوده و بر این موضوع استوار است که پروتون‌ها تمایل به تشعشع و سپس جذب پیون دارند. پیون، ذره‌ای فرمیونی متعلق به خانواده مزون‌هاست. مدل دیگر که نظریه‌ای آماری است، پروتون‌ها را همچون محفظه‌ای پر از گاز تصور می‌کند.

آزمایشات آتی به محققان کمک خواهد کرد که یکی از این دو نظریه را انتخاب کنند، اما در هر حال داده‌های اولیه آزمایش SeaQuest در مورد پادماده درون پروتون برای محققانی که در زمینه برخورد و واپاشی آن‌ها در سرعت‌های نزدیک به نور مطالعه می‌کنند بسیار مفید است؛ به خصوص دانشمندان برخورد دهنده بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider-LHC) اروپا در سرن. وقتی که آن‌ها محتویات درون پروتون را می‌شناسند بهتر می‌توانند در میان خرده‌های باقی مانده از هر برخورد، کاوش کرده و به دنبال ذرات و برهمکنش‌های جدید بگردند. یکی از همین محققان که در زمینه بررسی داده‌های LHC فعالیت می‌کند با اشاره به اندازه‌گیری‌های SeaQuest تاثیر آن را بر تحقیقات جدید ارزیابی می‌کند، چرا که محدودیت‌های موجود در این مطالعات ناشی از عدم درک صحیح ما از ساختار پروتون و پادماده درون آن است.

مشارکت سه‌گانه

به صورت مختصر در حدود پنجاه سال پیش، فیزیکدانان گمان می‌کردند که پروتون را کامل می‌شناسند. در سال ۱۹۶۴ ماری گل-من (Murray Gell-Mann) و جرج زویگ (George Zweig) به صورت جداگانه نظریه‌ای را پیشنهاد دادند که بعدها به مدل کوارکی شهرت یافت. ایده مدل کوارکی این بود که پروتون، نوترون و دیگر وابستگان کمیابشان از سه کوارک تشکیل شده‌اند در حالی که پیون و دیگر مزون‌ها شامل یک کوارک و یک پادکوارک هستند (نام کوارک را گل-من بر روی این ذرات جدید گذاشت). این مدل می‌توانست ناهنجاری‌های موجود در ذرات حاصله از شتاب دهنده‌های انرژی بالا را توجیه کند، چرا که طیف بار محصول این آزمایشات ساختاری متشکل از اجتماع دو ذره (مزون‌هایی مثل پیون) یا سه ذره (هادرون‌هایی مثل پروتون) بود. سپس در حدود سال ۱۹۷۰ دانشمندان شتاب دهنده خطی استنفورد (SLAC) توانستند به خوبی شواهدی دال بر صحت مدل کوارکی ارائه دهند. در واقع آن‌ها با پرتاب الکترون به سمت پروتون و مشاهده زاویه پراکندگی آن پی به وجود ذراتی درون پروتون بردند.

اما پس از مدتی آزمایشات، ایراداتی را در نظریه نمایان کردند. پاک براون یکی از اعضای ۸۰ ساله آزمایش SeaQuest در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی که از دهه ۱۹۷۰ در این پروژه فعالیت می کند می‌گوید:

همانطور که ما تلاش داشتیم تا دیگر ویژگی‌های این سه کوارک درون پروتون را بررسی کنیم، کشف کردیم که درون پروتون چیزهای دیگری نیز وجود دارد.

بررسی‌های دقیق‌تر پیرامون تکانه این سه کوارک نشان داد که مجموع جرم آن‌ها کمتر از جرم کل پروتون است. بعدها زمانی که دانشمندان در SLAC الکترون‌های سریع‌تری را به سمت پروتون پرتاب کردند، مشاهده شد که انگار الکترون، علاوه بر سه کوارک، به چیزهای دیگری درون پروتون  برخورد می‌کند. هرچه الکترون‌ها سریع‌تر شوند، طول موج کوتاه‌تری داشته و در نتیجه به ویژگی‌های ریزتری از پروتون دست پیدا می‌کنند؛ این پدیده شبیه به این است که دانشمندان وضوح تصویر را افزایش دهند. ذرات بیشتری شروع به ظاهر شدن کردند و انگار که هیچ حدی برای آن وجود نداشت. براساس گفته گیزمن آنطور که می‌دانیم بالاترین وضوح وجود ندارد.

این نتایج همزمان با پیدایش یک نظریه دقیق که مدل کوارکی تنها تقریبی از آن بود شروع به واضح شدن کرد: کرومودینامیک کوانتومی (quantum chromodynamics – QCD). این نظریه در سال ۱۹۷۳ برای توصیف نیروی قوی که قوی‌ترین نیروی طبیعت است بنیان‌ نهاده شد. در این نظریه ذراتی به نام گلوئون علت پیوند و برهمکنش کوارک‌ها می‌باشند.

QCD همان چیزی را پیش‌بینی می‌کرد که در آزمایشات پراکندگی مشاهده شده بود، اما به دلیل رفتار خاص گلوئون، نظریه پیچیدگی‌هایی را از خود بروز می‌داد. گلوئون ها برخلاف فوتون‌ها (که حامل نیروی الکترومغناطیس هستند) خود نیز تحت تاثیر این نیرو و دیگر گلوئون‌ها قرار می‌گیرند. این برهمکنش میان گلوئون‌ها سبب ایجاد ملغمه‌ای درون پروتون می‌شود که به گلوئون‌ها اجازه ظهور، تکثیر و تجزیه به یک جفت کوارک-پادکوارک با عمر کم می‌دهد. برای ناظر دور، کوارک و پادکوارک‌های نزدیک به هم که بار مخالف دارند یکدیگر را خنثی کرده و در بار کل بی‌تاثیر می‌شوند. در واقع تنها سه کوارک ظرفیت موازنه نشده که برای پروتون، دو کوارک بالا و یک کوارک پایین هستند، بار کل این ذره را شکل می‌دهند. با این حال فیزیکدانان متوجه شدند که وقتی الکترون‌های سریع‌تری به پروتون شلیک می‌کنند، آن‌ها به اهداف کوچکتری برخورد می‌کنند. هنوز شگفتی ادامه دارد.

با وجود گلوئون‌ها که با خود برهمکنش دارند، معادلات QCD را نمی‌توان در حالت کلی حل کرد؛ بنابراین فیزیکدانان قادر به محاسبه دقیق پیش‌بینی‌های این نظریه نیستند. با این حال هیچ دلیلی وجود ندارد که گلوئون‌ها در زمان نابودی و تبدیل به جفت کوارک-پادکوارک تمایل بیشتری به تولید یکی از آن‌ها (مثلا کوارک پایین) به نسبت بقیه داشته باشند. در واقع بر اساس ادعای محققان این حوزه، انتظار فیزیکدانان، تولید این جفت ذرات با نسبتی یکسان است.

بنابراین زمانی که در سال ۱۹۹۱ همکاری جدید در زمینه میون در ژنو، میون‌ها را در برخورد پروتون و دوترویوم (متشکل از یک پروتون و یک نوترون) تولید و پراکنده کرد، همگان را متحیر ساخت؛ چرا که نتیجه کار نشان دهنده تولید پادکوارک‌های پایین بیشتر نسبت به پادکوارک‌های بالا در اطراف دریای پروتون بود. حال سوال اینجاست که چه نظریه‌ای می‌تواند چنین عدم تقارنی را توجیه کند؟

ادامه دارد…