پژوهشگران دریافته‌اند که نوترون، یک ممان دوقطبی الکتریکی بسیار کوچک‌تر از آنچه پیش‌تر فرض می‌شد، دارد و در این صورت، بعید است بتواند در ردیابی معمای عجیب منشا ماده در عالم مفید باشد. با این حال اندازه‌گیری دقیق‌تری برای ردیابی معمای منشا ماده در دست برنامه‌ریزی است. با دیپ لوک همراه باشید…
پژوهشگران موسسه‌ی پائول شرر (PSI)، خاصیتی از نوترون را بسیار دقیق‌تر از گذشته اندازه‌گیری کرده‌اند. آن‌ها در این فرآیند دریافتند که این ذره، یک ممان دوقطبی الکتریکی بسیار کوچک‌تر از آنچه پیش از این فرض می‌شد، دارد. محققان این نتیجه را با استفاده از منبع نوترونی مافوق سرد در PSI بدست آوردند. آن‌ها نتایج خود را در مجله Physical Review Letters گزارش نمودند.
انفجار بزرگ، هم ماده و هم پادماده را در عالم ایجاد نمود، اما از آن جا که این دو یکدیگر را نابود می‌کنند، باید ماده‌ای اضافی وجود داشته باشد که تا به امروز باقی‌مانده است. دلیل این مقدار مازاد ماده، یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک و نجوم است. پژوهشگران امیدوارند به کمک نوترون‌ها که اجزای بدون بار سازنده‌ی اتم‌ها هستند، سرنخی برای این پدیده‌ی بنیادی پیدا کنند. فرضیه این است: اگر نوترون یک ممان دوقطبی الکتریکی (به اختصار nEDM) با یک مقدار غیر صفر قابل اندازه‌گیری داشته باشد، این حقیقت می‌تواند ناشی از همان اصل فیزیکی باشد که مقدار اضافی ماده را پس انفجار بزرگ توضیح می‌دهد.
۵۰ هزار اندازه‌گیری
جستجوی nEDM در زبان روزمره می‌تواند به صورت این پرسش مطرح شود که آیا نوترون یک قطب‌نمای الکتریکی است یا نه. مدت‌هاست که معلوم شده نوترون یک قطب‌نمای مغناطیسی است و با یک میدان مغناطیسی برهمکنش می‌کند یا به اصطلاح تخصصی: دارای یک ممان دوقطبی مغناطیسی است. به علاوه اگر نوترون دارای یک ممان دوقطبی الکتریکی نیز باشد، مقدار آن بسیار کمتر از ممان دوقطبی مغناطیسی آن است و بنابراین اندازه‌گیری آن، بسیار سخت‌تر است. اندازه‌گیری‌های پیشین توسط دیگر محققان، این امر را ثابت کرده است. بنابراین محققان PSI مجبور بودند مسافت‌های بزرگی را انتخاب کنند تا میدان مغناطیسی محلی را در طول اندازه‌گیری، کاملا ثابت نگه دارند. هر کامیونی که در جاده‌ی کنار PSI حرکت می‌کرد، میدان مغناطیسی لازم برای آزمایش را مختل می‌نمود، بنابراین این اثر باید محاسبه و از داده‌های تجربی حذف می‌شد.
همچنین لازم بود شمار نوترون‌های مشاهده شده، به اندازه‌ی کافی زیاد باشد تا شانس اندازه‌گیری nEDM فراهم شود. بنابراین اندازه‌گیری‌ها در PSI طی یک دوره‌ی ۲ ساله انجام شد. نوترون‌های به اصطلاح مافوق سرد، یعنی نوترون‌هایی با حرکت نسبتا آهسته، اندازه‌گیری شدند. هر ۳۰۰ ثانیه، یک دسته‌ی با طول عمر ۸ ثانیه با بیش از ۱۰ هزار نوترون به محل آزمایش هدایت و بررسی شدند. پژوهشگران در مجموع ۵۰ هزار از این دسته‌ها را اندازه‌گیری نمودند. آن‌ها می‌گویند:
حتی برای PSI با امکانات تحقیقاتی گسترده، این یک پژوهش واقعا بزرگ بود. اگر در این روزها به دنبال فیزیک فراتر از مدل استاندارد هستیم، این پژوهش، دقیقا همان چیزی است که مورد نیاز ماست.
جستجوی فیزیک جدید
این نتیجه‌ی جدید، توسط گروهی از محققان در ۱۸ موسسه و دانشگاه اروپا و آمریکا از جمله، ETH زوریخ، دانشگاه برن و دانشگاه فرایبورگ بدست آمده است. این داده‌ها در منبع نوترونی مافوق سرد PSI گردآوری شده‌اند. محققان داده‌های اندازه‌گیری را در طی ۲ سال جمع‌آوری نموده‌اند، آن‌ها را در دو گروه به دقت ارزیابی کرده‌اند و این‌گونه نتیجه‌ای دقیق‌تر از گذشته بدست آورده‌اند. پروژه‌ی تحقیقاتی nEDM بخشی از جستجوی فیزیک جدید است که فراتر از مدل استاندارد خواهد رفت. این پژوهش همچنین در مکان‌های با امکانات بزرگ‌تری مانند برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC) در سرن نیز در حال جستجوست. محققان توضیح می‌دهند:
این پژوهش در سرن نیز در حال انجام است و به طور کلی در پی جستجوی ذرات جدید و خصوصیات آن‌هاست. از طرف دیگر ما می‌خواهیم عمیق‌تر شویم، چرا که فقط در حال جستجوی خصوصیات یک ذره، یعنی نوترون هستیم؛ اما در عوض، دقتی را در این جزییات بدست می‌آوریم که LHC شاید در ۱۰۰ سال آینده بدست آورد. نهایتا، اندازه‌گیری‌های مختلف در مقیاس کیهان‌شناختی، انحرافاتی را از مدل استاندارد نشان می‌دهند، اما هنوز هیچ کس قادر به بازتولید این نتایج در آزمایشگاه نیست. این یکی از پرسش‌های بسیار بزرگ در فیزیک جدید است و چیزی است که کار ما را مهیج می‌سازد.
محققان با آخرین آزمایش خود، نتایج آزمایشگاهی پیشین را تایید نمودند. آن‌ها می‌گویند:
نتیجه‌ی کنونی ما مقداری برای nEDM بدست می‌دهد که برای اندازه‌گیری توسط ابزارهای کنونی، بسیار کوچک است؛ مقداری که بسیار به صفر نزدیک است. در نتیجه این یافته، احتمال اینکه نوترون به توضیح مقدار اضافی ماده کمک کند را کم می‌نماید، اما این فرض را به طور کامل کنار نمی‌گذارد. در هر صورت، علم برای پاسخ دادن به این پرسش که آیا مقدار دقیق nEDM می‌تواند به کشف فیزیک جدید کمک کند یا نه، به دنبال آن است. بنابراین اندازه‌گیری دقیق‌تر بعدی، در دست برنامه‌ریزی است.
پژوهشگران PSI انتظار دارند سری بعدی اندازه‌گیری‌های nEDM را تا سال ۲۰۲۱ آغاز کنند که به نوبه‌ی خود بتواند در زمینه‌ی دقت، از آزمایش کنونی پیشی گیرد. آن‌ها می‌گویند:
ما تجربه‌ی بسیار زیادی در ۱۰ سال گذشته کسب نموده‌ایم و توانسته‌ایم از آن برای بهینه‌سازی پیوسته‌ی آزمایش‌مان، هم با توجه به منبع نوترونی و هم برای داشتن بهترین ارزیابی ممکن از چنین داده‌های پیچیده‌ای در فیزیک ذرات استفاده کنیم. مقاله‌ی جدید ما، استاندارد بین المللی جدیدی را ایجاد کرد.
