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

در قسمت قبل دیدیم که آزمایشات مربوط به پادماده درون پروتون نشان از وجود عدم تقارن در نسبت تعداد پادکوارک‌های پایین و بالا داشت. این موضوع دانشمندان زیادی را متحیر ساخت، اما دانشمندان با ارائه آزمایشی هوشمندانه که با تجهیزات اوراقی آزمایش‌های قدیمی انجام شد، درصدد پاسخ به این پرسش برآمدند و به چگونگی تشکیل هسته‌های اتمی و در واقع تشکیل عالم پی بردند.  با دیپ لوک همراه باشید…

عدم تقارن موجود در پروتون زمانی آشکار شد که با وجود پیش‌بینی‌های نظریات تقارنی مبنی بر تساوی نسبت پادکوارک‌های هم نسل، آزمایشات این نسبت را به شکل قابل توجهی به سمت پادکوارک‌های پایین برآورد کردند. لذا نیاز به مدلی جدید در جهت توجیه این پدیده دانشمندان را به تکاپو انداخت.

قطعات پروتون

نظریه‌پردازان به سرعت چند نظریه را در توجیه چنین عدم تقارنی ارائه دادند. یکی از این نظریات، پیون‌ها را به عنوان عامل این ناسازگاری مدنظر قرار می‌دهد. از دهه ۱۹۴۰ فیزیکدانان مشاهده می‌کردند که پروتون و نوترون‌های درون هسته مانند بازیکنان فوتبال، پیون‌ها را میان هم پاسکاری می‌کنند و این موضوع سبب ایجاد رابطه میان این دو نوع ذره می‌شود. محققان در مورد پروتون پی به این حقیقت بردند که انگار با خود پاسکاری می‌کند و به صورت کوتاهی یک پیون با بار مثبت را ساطع و سپس جذب می‌کند که در حین این اتفاق (بین انتشار و جذب پیون) پروتون برای مدت کوتاهی تبدیل به نوترون می‌شود. موری آلبرگ فیزیکدان هسته‌ای دانشگاه سیاتل با اشاره به این موضوع می‌گوید:

اگر در حین انجام یک آزمایش فکر می‌کنید که در حال مشاهده یک پروتون هستید در واقع خود را گول زده‌اید؛ چراکه برخی مواقع پروتون تبدیل به یک جفت نوترون-پیون می‌شود.

به شکل خاص، پروتون تبدیل به یک نوترون و یک پیون متشکل از یک کوارک بالا و یک پادکوارک پایین می‌شود. به دلیل وجود همین پادکوارک پایین در ساختار پیون شکل گرفته در این فرآیند (پیون با پادکوارک بالا به سادگی قابل تشکیل نیست)، برخی نظریه‌پردازان معتقدند که ایده ابر پیونی می‌تواند اختلاف موجود در تعداد پادکوارک‌های پایین و بالا را توجیه کند.

در کنار ایده ابر پیونی، بحث‌های دیگری نیز در جریان است. کلاود بورلی (Claude Bourrely) و دیگر همکارانش در فرانسه یک مدل آماری را توسعه دادند که اجزای درون پروتون‌ را شبیه به مولکول‌های گاز درون اتاق تصویر می‌کند و توزیع سرعتشان وابسته به این است که تکانه زاویه‌ای صحیح یا نیمه صحیح داشته باشد. وقتی این ایده بر روی داده‌های آزمایشات متعدد منطبق می‌شود، پادکوارک‌های بالای اضافی ظاهر می‌شوند.

این مدل پیش‌بینی‌های یکسانی ندارد. پیش‌تر جرم پروتون حاصل از انرژی ذراتی است که به درون دریای پروتون راه یافته و یا از آن خارج می‌شوند. این ذرات در محدوده مشخصی دارای انرژی هستند. نظریات مختلف برای نحوه تغییر نسبت تعداد پادکوارک‌های بالا و پایین در انرژی‌های مختلف، پیش‌بینی‌های متفاوتی دارند. فیزیکدانان کمیت مرتبط با این مقدار را کسر تکانه پادکوارک می‌نامند و در آزمایشات به اندازه‌گیری آن می‌پردازند.

زمانی که آزمایش دریای نوکلئونی (NuSea) در آزمایشگاه فرمی و در سال ۱۹۹۹ نسبت پادکوارک پایین به بالا را به صورت تابعی از تکانه آن‌ها اندازه گیری کرد، باعث شگفتی همگان شد. داده‌ها نشان می‌داد که در میان پادکوارک‌هایی با بیش‌ترین تکانه (که در واقع این میزان تکانه درست در انتهای دامنه تشخیص دستگاه قرار داشت)، پادکوارک‌های بالا شروع به افزایش تعداد نسبت به همتایان پایین خود کردند. آلبرگ می‌گوید:

تمام نظریه‌پردازان متعجب شدند چرا زمانی که تکانه پادکوارک‌ها افزایش می‌یابد، رفتار منحنی نسبت دو نوع کوارک متحول می‌شود؟

در این شرایط که نظریه‌پردازان حیران مانده بودند، گیزمن و ریمر، از دانشمندان همین آزمایش (دریای نوکلئونی)، با توجه به این که می‌دانستند داده‌های مشاهده شده در مرز توان اندازه‌گیری آزمایش، قابل اعتماد نیستند، آزمایشی را طراحی کردند که به راحتی می‌توانست محدوده بزرگتری از تکانه پادکوارک‌ها را اندازه‌گیری کند. آن‌ها این آزمایش را سی کوئست (SeaQuest) نامیدند.

محصول اجناس اوراقی

این دو محقق هرچند سوالات بی پاسخ زیادی داشتند، ولی پولی برای تهیه و تولید لوازم مورد نیاز در بساط نداشتند؛ لذا وسایل آزمایشات خود را از طریق سرهم کردن قطعات استفاده شده تولید کردند. ریمر جمله‌ای را که سرلوحه کار خود قرار داده بودند اینگونه بیان می‌کند:

کاستن، بازاستفاده و بازیافت!

آن‌ها تعدادی سنتیلاتور قدیمی (سوسوزن) از آزمایشگاهی در هامبورگ، تعدادی آشکارساز بدون استفاده از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و چند ورقه آهنی جهت مسدودسازی تشعشعات که از آزمایشات سیکلوترونی دانشگاه کلمبیا در دهه ۱۹۵۰ باقی مانده بود تهیه کردند. آن‌ها می توانستند از آهنربای بزرگ آزمایش دریای نوکلئونی و شتاب دهنده پروتونی جدید آزمایشگاه فرمی نیز استفاده کنند. در نهایت هیولای فرانکنشتاین حاصل، زیبایی‌های خود را نیز داشت. به گفته یکی از دانشمندان پروژه، صدای زنگی که حاصل ورود جریان پروتونی به درون دستگاه پنجاه ساله بود،  برای همه دلگرمی ایجاد می‌کرد.

 

آرام آرام پروژه به راه افتاد. در این آزمایش پروتون‌ها به سمت دو هدف شلیک می‌شدند: یک محفظه شیشه‌ای کوچک حاوی هیدروژن و یک محفظه شیشه‌ای دیگر حاوی دوتریوم (اتم‌هایی با یک پروتون و یک نوترون).

وقتی پروتون پرتابی به هر کدام از محفظه‌ها برخورد کند، کوارک‌های ظرفیتش با برخورد به پادکوارک‌های موجود در پروتون یا نوترون‌های موجود درون محفظه نابود می‌شوند. براساس گفته‌های ریمر حاصل این نابودی تولید میون و پاد میون است که ویژگی خاص چنین فرآیندی است. این ذرات در کنار دیگر ذرات حاصله، به سطوح ورقه‌های آهنی می‌رسند. میون‌ها برخلاف دیگر ذرات از میان این ورقه‌ها عبور کرده و سپس دانشمندان با رهگیری و مشاهده این میون‌ها و بررسی مسیرشان می‌توانند اندازه تکانه پادکوارک‌های اولیه را محاسبه کنند.

از آنجایی که پروتون و نوترون معکوس یکدیگرند (پروتون دو کوارک بالا و یک پایین دارد در حالی که نوترون یک کوارک بالا و دو پایین دارد) مقایسه داده‌های حاصل از دو محفظه مستقیما نسبت پادکوارک پایین به پادکوارک بالا را نشان می‌دهد؛ مستقیما پس از ۲۰ سال کار!

در سال ۲۰۱۹ آلبرگ و همکارش مقادیر مورد انتظار آزمایش SeaQuest را براساس نظریه ابر پیونی محاسبه کردند. پیش‌بینی‌های آن‌ها با نتایج حاصل تطابق دارد.

داده‌های جدید (که برخلاف آزمایش قبلی روند صعودی و سپس نزولی در نسبت پادکوارک‌های پایین به بالا را به صورت آهسته و نه ناگهانی نشان می‌دهد) با نظریه آماری مطرح شده توسط بورلی نیز همخوانی دارد. با این حال میلر این مدل را بیشتر توصیفی می‌داند تا پیش‌بینی کننده؛ بنابراین این مدل با وجود تطبیق بر داده‌های موجود توانایی پی بردن به مکانیسم فیزیکی حاکم بر آزمایش و علت نهایی ازدیاد نسبی پادکوارک‌های پایین را ندارد. در مقابل آلبرگ می‌گوید:

 افتخار ما این است که محاسبات ما یک پیش‌بینی کامل بود و نه یک توصیف آماری از پارامترهای محاسبه شده.

بورلی در ایمیلی، اذعان داشت که مدل آماری آنها قدرت بیشتری نسبت به نظریه آلبرگ و میلر دارد، چرا که این مدل آزمایش پراکندگی را برای هردو نوع ذرات قطبی و غیرقطبی توصیف می‌کند. در مقابل میلر این ادعا را رد کرد و اذعان داشت که نظریه ابرهای پیونی نه تنها قادر به توجیه محتوای پادماده درون پروتون است، بلکه می‌تواند توجیه‌گر ذرات با گشتاور مغناطیسی، توزیع بار و نیمه‌عمر متفاوت باشد. همچنین این نظریه علت شکل‌گیری و وجود هسته اتم ‌ها را نیز بیان و تشریح می‌کند؛ لذا بر اساس ادعای میلر اوج توانایی نظریه مکانیسم پیونی در توجیه وجود هسته اتم‌ها، منجر به توجیه چرایی وجود عالم می‌شود.

آخرین انتظار ما از این نظریات که توصیف کننده ساختار پروتون هستند، توجیه اسپین (تکانه زاویه‌ای ذاتی ذرات) آن می‌باشد. آزمایشی در زمینه پراکندگی میون در اواخر دهه ۱۹۸۰ نشان داد که مجموع اسپین سه کوارک ظرفیت پروتون تنها ۳۰ درصد کل اسپین آن را تشکیل می‌دهد. در واقع بحران اسپین پروتون به این موضوع اشاره دارد که ۷۰ درصد اسپین آن از منبعی ناشناخته ناشی می‌شود.

در آزمایشگاه فرمی و در نهایت در برخورددهنده الکترون – یون آزمایشگاه ملی بروکهیون (Brookhaven) محققان اسپین دریای پروتون را اندازه‌گیری خواهند کرد. در حال حاضر میلر و آلبرگ در حال کار بر روی ابر کامل مزونی اطراف پروتون هستند که شامل ذرات کمیاب‌تر مزون رو (rho meson) نیز می‌باشد. هرچند پیون‌ها اسپین ندارند، اما مزون‌های رو دارای اسپین هستند؛ بنابراین این ذرات احتمالا در مقدار گم شده اسپین مطرح در بحران اسپین پروتون تاثیرگذارند.

آزمایش SpinQuest آزمایشگاه فرمی، از تعداد زیادی از محققان همکار در آزمایش SeaQuest بهره می‌گیرد. به گفته چاک براون یکی از دانشمندان این آزمایشگاه:

ما امیدواریم تا بهار به نتایج امیدوارکننده‌ای برسیم؛ هرچند این برنامه تا حدی به روند پیشرفت واکسن کووید ۱۹ وابسته است. جالب اینجاست که تا چه اندازه پیشرفت‌های حوزه هسته‌ای به نتایج حاصل از تحقیقات پزشکی در حوزه ویروس‌شناسی وابسته است. تمام حوزه‌های علمی به هم وابسته‌اند!

منبع: quantamagazine.org