دانشمندان مدام درحال آزمایش فهم بنیادی ما از جهان هستند. با این حال هنوز چیزهای بسیار زیادی برای کشف کردن باقی مانده است. حال آزمایشات جدید و هیجان‌انگیز ذره میون جی-۲ خبر از وجود ذرات یا نیروهایی ناشناخته می‌دهد. با دیپ لوک همراه باشید…
چه نقطه اشتراکی میان صفحات لمسی، پرتودرمانی و پلاستیک‌های سلفونی وجود دارد؟ این که احتمالا اختراع همه آن‌ها ریشه در تحقیقات دانشمندان در حوزه ذرات بنیادی دارد. اکتشافات در زمینه نحوه عملکرد جهان در کوچک‌ترین شکل خود، اغلب باعث پیشرفت‌های عظیم در حوزه فناوری می‌شود.
دانشمندان وزارت انرژی آمریکا در آزمایشگاه ملی آرگون (Argonne) و آزمایشگاه شتابدهنده ذرات فرمی با همکاری محققان ۴۶ موسسه علمی دیگر در هفت کشور مختلف، در حال اجرای آزمایشی هستند که فهم کنونی ما از جهان را تحت ارزیابی قرار می‌دهد. نتایج اولیه این آزمایش نشان از وجود ذره یا نیرویی کشف‌نشده دارد. این فیزیک جدید می‌تواند جوابی برای سوالات حل نشده فیزیکدانان باشد. در واقع این دیدگاه نو به مسائل می‌تواند یک ذخیره ارزشمند برای دانشمندان تهیه کند تا زمانی که آن‌ها سعی در توصیف عالم دارند، از داده‌های این آزمایش استفاده کرده و یا حتی در جهت تولید یک فناوری جدید به آن‌ها کمک کند.
آزمایش جدید میون جی-۲ (Muon g-2 که به صورت میون جی منفی ۲ خوانده می‌شود) در ادامه آزمایشات دهه نود میلادی در آزمایشگاه ملی بروکهیون (Brookhaven) متعلق به وزارت انرژی صورت می‌گیرد. در این آزمایشات، دانشمندان یک خاصیت مغناطیسی برای یک ذره بنیادی به نام میون اندازهگیری کردند.
آزمایش بروکهیون، نتایج متفاوت با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد ذرات (بهترین نظریه موجود در زمینه توصیف جهان به شکل بنیادی) داشت. آزمایش جدید نیز تلاشی مجدد شبیه به آزمایش قبلی است و سعی دارد اختلاف به دست آمده را به شکلی دقیق‌تر صحت‌سنجی کند.
مدل استاندارد به شکلی دقیق مولفه جی مربوط به میون را (عدد پس از حرف جی که در این مورد مقدار دو است) که نشان دهنده نحوه رفتار میون در یک میدان مغناطیسی است پیش‌بینی می‌کند. مقدار این مولفه چیزی در حدود دو می‌باشد و این آزمایشات در تلاش است که میزان اختلاف مقدار واقعی آن از عدد دو را بدست آورد.
آزمایش بروکهیون نشان از اختلاف بسیار جزئی در حدود چند میلیونیوم این فاکتور از مقدار پیش‌بینی شده داشت. این اختلاف در واقع علامتی بود برای احتمال وجود ذرات یا نیروهایی ناشناخته که برهمکنش‌شان با میون چنین تفاوت جزئی را پدید میآورد.
حال نتایج اولیه آزمایش جدید نیز شدیدا با آزمایش بروکهیون در توافق بوده و این فرض را که احتمالا فیزیکی جدید وجود دارد تقویت می‌کند. نتایج آزمایش آزمایشگاه فرمی در کنار آزمایش بروکهیون نشان از وجود اختلاف ۴.۲ سیگما (انحراف از معیار) بین پیش‌بینی مدل استاندارد و مقدار اندازهگیری شده دارد. هرچند مقدار قابل قبول برای دانشمندان جهت طرح یک فیزیک جدید، ۵ سیگما می‌باشد، ولی این مقدار نیز غیرقابل چشم‌پوشی است. احتمال این که نتایج بدست آمده، نتیجه اختلافات آماری حاصل از خطای آزمایشگاهی باشد ۱ در ۴۰هزار است (۰.۰۰۲۵ درصد).
ذراتی که ورای مدل استاندارد وجود دارند می‌توانند در کشف معمای پدیده‌های ناشناخته فیزیکی همچون ماده تاریک به ما کمک کنند. ماده تاریک نوعی موجودیت رازآلود است که فیزیکدانان به صورت غیرمستقیم به وجودش اطمینان داشته، اما هنوز موفق به مشاهده مستقیم و توصیفش نشده‌اند.
رن هانگ (Ran Hong) از آزمایشگاه آرگون که به مدت چهار سال به عنوان دانشجوی فوق دکتری بر روی آزمایش میون جی-۲ مشغول فعالیت بوده است می‌گوید:
این یک نتیجه شگفت‌انگیز و خارق‌العاده است. در واقع این نتایج می‌تواند سبب تاثیری عظیم بر آینده آزمایشات در حوزه ذرات بنیادی شده و ما را به درکی عمیق‌تر نسبت به کارکرد عالم برساند.
تیم آرگون تلاش بسیاری در جهت موفقیت آزمایشات انجام داده‌اند. تیم اصلی که به وسیله پیتر وینتر (Peter Winter) تاسیس و رهبری می‌شد، شامل هانگ و سیمون کورودی (Simon Corrodi) به همراه سووارنا راماچاندران (Suvarna Ramachandran) و جو گرانج (Joe Grange) بود که به تازگی از تیم جدا شده‌اند. وینتر که آزمایش میون جی-۲ آرگون را هدایت می‌کند در توصیف این تیم می‌گوید:
این گروه توانایی و تجربه خاص و تاثیرگزاری در حوزه‌های سخت افزاری، طرح‌‌ریزی فنی و تحلیل داده دارد. اعضای تیم تلاش فراوانی کردند تا در نهایت چنین نتایجی از آزمایش حاصل شد.
دانشمندان آزمایشگاه فرمی برای بدست آوردن مقدار واقعی مولفه جی-۲ ذره میون، پرتوهایی از میون تولید کردند که از میان یک حلقه بزرگ و توخالی و در حضور یک میدان مغناطیسی قوی عبور می‌کرد. این میدان سبب می‌شود که میون‌ها در درون حلقه باقی مانده، همچنین جهت اسپین آن‌ها تغییر کرده و بچرخد. این چرخش، که به حرکت تقدیمی (precession) معروف است، شبیه به چرخش زمین به دور محور خود است با این تفاوت که بسیار از آن سریع‌تر می‌باشد.
برای محاسبه مقدار دقیق جی-۲ لازم است دانشمندان دو کمیت را با دقت بسیار بالایی اندازهگیری کنند. یکی سرعت حرکت تقدیمی اسپین مربوط به میون است؛ زمانی که در میان حلقه درحال حرکت است. و دیگری قدرت میدان مغناطیسی حول میون درون حلقه که تاثیر زیادی بر حرکت تقدیمی آن دارد. اینجاست که گروه آرگون وارد کار می‌شود.
سفر میدان
با وجود اینکه میون در یک میدان کاملا ثابت در حرکت است، تغییرات دمایی حاصل از کارکرد ابزار آزمایش، سبب ایجاد اختلافات جزئی میدان در طول حلقه می‌شود. حتی چنین تغییرات کوچکی نیز اگر محاسبه نشود باعث ایجاد خطای زیادی در دقت محاسبه جی-۲ خواهد شد.
دانشمندان در جهت تصحیح این اختلاف به وسیله صدها حسگر نصب شده بر روی دیواره‌های حلقه، این اختلافات را اندازهگیری می‌کنند. به علاوه آن‌ها با ارسال یک واگن کوچک به درون حلقه و مکان‌هایی که پرتو میونی از آن‌جا عبور می‌کند، هر سه روز یک بار به محاسبه قدرت میدان مغناطیسی می‌پردازند. حسگرهای نصب شده بر روی این واگن، میدان مغناطیسی درون این حلقه ۴۵ متری را با دقت بالایی اندازهگیری و ثبت می‌کنند.
به منظور کاهش خطا به ۷۰ میلیاردم (خطای ۰.۰۰۰۰۰۷ درصدی)، که در حدود ۲.۵ برابر بهتر از آزمایش پیشین است، دانشمندان آرگون، سیستم واگن آزمایش بروکهیون را به وسیله تجهیزات پیشرفته ارتباطی و حسگرهای جدید و فوق دقیق ساخته شده در دانشگاه واشنگتن نوسازی کردند.
این واگن درون حلقه در دو جهت حرکت کرده و به ازای هر حسگر و در هر جهت، حدود ۹۰۰۰ اندازهگیری انجام می‌دهد. دانشمندان از این اندازه‌گیری‌ها در جهت بازسازی قسمت‌های مختلف میدان استفاده کرده و یک نقشه سه بعدی از میدان مغناطیسی درون حلقه تولید می‌کنند. مقادیر میدان روی نقاط مختلف نقشه، برای میون‌هایی که از آن مکان‌ها می‌گذرند، وارد محاسبات جی-۲ می‌شوند. هرچه اندازه‌گیری‌های میدان دقیق‌تر باشد، نتایج حاصل به واقعیت نزدیک‌تر است.
همچنین دانشمندان برخی از سیگنال‌های آنالوگ مورد استفاده در آزمایش پیشین را با تبدیل به سیگنال‌های دیجیتال مورد استفاده قرار می‌دهند، بدین دلیل که با این کار میزان داده‌های حاصله افزایش می‌یابد. این کار نیازمند مهندسی پیچیده سیستم ارتباطی واگن است، چرا که لازم است میزان اختلاف این داده‌ها با نتایج مکانیسم حساس اندازهگیری فعلی به حداقل برسد. هونگ، که پیشینه تحقیقات علمی و مهندسیش برای طراحی واگنی که فعالیتش کمترین مداخله با آزمایش اصلی را داشته باشد بسیار ضروری بود، می‌گوید:
تولید واگنی که به نرمی و امن عمل کند، بسیار چالش‌برانگیز بود. در واقع لازم بود سیستم کنترل طوری طراحی شود که علاوه بر انجام عملیات معمول، شرایط بحرانی را نیز تشخیص داده و به صورت مناسب عکس‌العمل نشان دهد.
گروه در نظر دارد که سیستم واگن را برای دوره بعدی جمع‌آوری داده ارتقا دهد تا دقت اندازه‌گیری‌ها کم‌کم بهتر شود.
تنظیم ظریف
در آزمایشات دقیقی مثل میون جی-۲، هدف اصلی، کاهش تمام خطاهای سیستمی است که ممکن است بر روی اندازهگیری اثرگذار باشند. کورودی، یکی از دانشجویان پسادکترای بخش فیزیک انرژی بالای آرگون می‌گوید:
محاسبه اعداد خام نسبتا ساده است؛ دشواری اصلی، فهم معنی این اعداد می‌باشد.
در راستای اطمینان از دقت اندازه‌گیری‌های انجام شده بر روی میدان میغناطیسی، دانشمندان حسگرها را با تاسیسات سیم‌پیچ ۴تسلایی آرگون که دارای آهنربایی باقی‌مانده از یک اسکنر MRI می‌باشد تنظیم و درجه‌بندی می‌کنند. این آهنربا میدان مغناطیسی پایدار و یکنواخت با قدرت بیش از ۴۰۰ برابر آهنربای یخچال‌های معمولی ایجاد می‌کند.
دانشمندان آرگون حسگرهای نصب شده روی واگن را با توجه به حسگر تست‌شده در این پیچه مغناطیسی تنظیم می‌کنند. روند مذکور این اطمینان را ایجاد می‌کند که هردوی حسگرها در صورت قرارگیری در میدان مغناطیسی یکسان، اعداد یکسانی را نمایش می‌دهند و دانشمندان را قادر می‌سازد تصحیحات دقیق بر محاسبات خود اعمال کنند. این ابزار و شیوه بررسی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا دقت اندازه‌گیری‌ها را تا چند میلیاردیم (ppb) افزایش دهند؛ مثل این است که حجم آب یک استخر را برحسب تعداد قطرات آب اندازهگیری کنیم. کورودی می‌گوید:
ما در کنار تنظیم حسگرها، دقت اندازهگیری میدان را با سازگارسازی عملگر در حین انجام کار بهبود بخشیدیم. اما حین تحلیل داده‌ها، اثراتی مشاهده شد که انتظارش را نداشتیم.
وقتی کورودی و تیمش اشکالاتی در داده‌ها مشاهده کردند، سیستم را برای تشخیص علت آن مجددا کاوش کردند. برای مثال یک دستگاه مشخص درون حلقه، وظیفه متمرکز کردن پرتو میون را در مرکز حلقه دارد. با این حال این دستگاه اندکی اختلال در میدان مغناطیسی حلقه ایجاد می‌کند. دانشمندان روشی را طراحی کردند که با اندازهگیری تاثیر دستگاه و اعمال آن بر نتایج، اثر آن را از بین ببرند.
جمع‌بندی
سیر حرکت داده‌های میدان مغناطیسی از حسگرها تا کامپیوتر پیچیده است. کورودی، هونگ و همکارانشان سخت‌افزار و نرم‌افزاری را تولید کردند که داده‌های حسگرها را به صورتی دقیق و از زمان و مکانی مشخص دریافت کنند. همچنین دانشمندان باید داده‌ها را که در ابتدا به شکل دودویی (اطلاعات در مبنای دو و به شکل صفر و یک) هستند، به شکلی قابل فهم و بامعنا برای محیط تحلیلی مورد استفاده در نرم‌افزارهای آزمایشگاه درآورند. هونگ در این زمینه می‌گوید:
ما باید اطلاعات خام را به شکلی درآوریم که قابل فهم واستفاده باشند. همچنین ما مسئول کنترل کیفیت داده‌ها هستیم پس باید تشخیص دهیم کدام داده‌ها دارای اختلال بوده و تحلیل نهایی جی-۲ را دچار اشکال می‌کنند.
کورودی تیم تحلیل را رهبری می‌کند تا تناقضات موجود در دستگاه‌ها را تشخیص دهد و همچنین مطمئن شود که گروه‌های مختلف برروی نتایج در هر سطح، در توافق هستند. در واقع براساس گفته‌های وینتر یک فرد باید کل تحلیل این حوزه را متوجه شده باشد تا به اهداف کار این آزمایش پی ببرد.
آینده آزمایشات میون
اولین وظیفه دانشمندان تست مجدد نتایج است. کورودی می‌گوید:
تا همین‌جای کار دقت نهایی اندازهگیری جی-۲ با آزمایش بروکهیون قابل مقایسه است، اما مشکل این است که هنوز داده‌های زیادی بررسی نشده باقی مانده است. در واقع تا به حال تنها ۶ درصد از داده‌هایی که انتظار داریم آزمایش تولید کند، تولید و بررسی شده‌اند. داده‌های بعدی خطای اندازهگیری را به شدت کاهش می‌دهند.
نتایج اولیه دانشمندان را برانگیخت تا آزمایشاتی دیگر را در زمینه بررسی میون، طراحی و اجرا کنند. از جمله یک آزمایش میون جی-۲ در ژاپن و یک آزمایش میون در آزمایشگاه فرمی به نام Mu2e. این پروژه‌ها باز هم برای تنظیم حسگرهای میدان خود، از سیستم سیم‌پیچ آرگون و سخت‌افزار موجود در آزمایشگاه فرمی استفاده می‌کنند. کارلوس واگنر فیزیکدان نظری فیزیک انرژی بالای آرگون که سعی در توجیه این پدیده دارد می‌گوید:
ممکن است تلاش مجددی برای کشف فیزیک پنهان در پس مقدار جی-۲ میون در آزمایشگاه LHC سرن انجام گیرد. همچنین ممکن است این موضوع باعث تلاش مجددی در زمینه تولید برخورد دهنده میونی شود. این برخورد دهنده می‌تواند به شکل مستقیم به بررسی امکان وجود یک فیزیک جدید در رفتار میون بپردازد.
به محض این که دانشمندان سر از کار این فیزیک جدید درآورند، نتایج آن می‌تواند سبب ایجاد مدل‌های تازه در کیهان‌شناسی و مکانیک کوانتومی شود یا حتی در نهایت شرایط تولید فناوری‌های نوظهور را فراهم کند؛ مثلا یک پلاستیک سلفون فوق پیشرفته!
