هفته داغ سرن با خبر کشف پنتاکوارک ها کامل شد!

هر آنچه در اطرافتان می‌بینید، از ذرات بنیادی به نام کوارک‌ ها و لپتون ها ساخته شده‌اند که می‌توانند برای ساختن ذرات بزرگتری مانند پروتون‌ها و اتم ها با یکدیگر ترکیب شوند. از طرفی آنها می‌توانند به شیوه‌های عجیب و جالبی که هرگز تصور نمی‌شده، با یکدیگر ترکیب شوند. اکنون LHC، کشف ذرات جدیدی به نام پنتاکوارک ها را اعلام کرده است. این نتایج می‌تواند به فاش کردن رازهای زیادی در مورد نظریه‌ی کوارک‌ها کمک کند. این در حالیست که سرن هفته‌ی گذشته‌، خبر هیجان‌انگیز دیگری را اعلام کرد که می‌تواند از یکی دیگر از بزرگترین رازهای فیزیک، یعنی عدم تقارن ماده و پادماده پرده بردارد. با دیپ لوک همراه باشید…

نخستین بار، کوارک‌ها برای توضیح انبوه ذرات جدید کشف شده در تابش کیهانی و آزمایش‌های برخورددهنده در اواسط قرن بیستم، پیشنهاد شدند. این باغ وحش در حال گسترش ذرات به ظاهر بنیادی، سبب حبرت فیزیکدانان گردید، چرا که آنها گرایشی طبیعی به سادگی و نظم دارند و از اینکه مجبور باشند بیشتر از چند ذره‌ی بنیادی را به یاد بسپارند،‌ متنفرند. چنین نگرشی در جمله‌ی معروف فیزیکدان مشهور ایتالیایی، انریکو فرمی مشهود است:

من اگر می‌توانستم نام تمام این ذرات را به خاطر بیاورم که یک گیاه‌شناس شده بودم!

خوشبختانه، در دهه‌ی ۱۹۶۰، فیزیکدان آمریکایی، ماری گلمان، موفق شد الگوهایی در این باغ وحش ذرات بیابد، مشابه دیمتری مندلیف که چنین الگوهایی را در عناصر شیمیایی یافت و جدول تناوبی عناصر را بنیان نهاد. درست همانطور که جدول تناوبی، وجود چیزهایی کوچکتر از اتم‌ها را نشان داد، نظریه‌ی ماری گلمان، وجود گروه جدیدی از ذرات بنیادی را پیشنهاد کرد. بنابراین در نهایت، فیزیکدانان ذرات توانستند نشان دهند صدها ذره‌ی این باغ وحش، از ذرات واقعا بنیادی کوچکتری به نام کوارک ساخته شده‌اند.

هادرون‌های رازآلود

شش نوع کوارک در مدل استاندارد وجود دارد: پایین، بالا، شگفت، افسون، سر، ته. این کوارک‌ها همچنین دارای همتایان پادماده نیز هستند، یعنی هر ذره، یک همتای پادماده دارد که به طور مجازی با خودش یکسان است، فقط بار مخالف آن دارد. کوارک‌ها و پادکوارک‌ها برای ساختن ذراتی به نام هادرون‌ها به یکدیگر می‌چسبند. طبق مدل گلمان، دو گروه بزرگ از هادرون‌ها وجود دارد: باریونها، ذراتی که از سه کوارک ساخته‌ شده‌اند (که شامل پروتون‌ها و نوترون‌هایی است که هسته‌های اتمی را می‌سازند) و مزونها که از یک کوارک‌ و یک پادکوارک تشکیل شده‌اند.

تا همین اواخر، باریون‌ها و مزون‌ها، تنها هادرون‌هایی بودند که در آزمایش‌ها دیده شده‌ بودند، اما گلمان در دهه‌ی ۱۹۶۰ احتمال ترکیب‌های بسیار عجیب‌تری از کوارک‌ها مانند تتراکوارک (دو کوارک و دو پادکوارک) و پنتاکوارک (چهار کوارک و یک پادکوارک) را پیش‌بینی کرده بود.

در سال ۲۰۱۴ که یکی از چهار آزمایش بزرگ LHC انجام شد، گزارش شد که ذره‌ی ⁺(۴۴۳۰) Z، یک تتراکوارک است. این امر، اشتیاق‌ها را برای یافتن هادرون‌های جدید عجیب افزایش داد. پس از آن در سال ۲۰۱۵، LHC از کشف نخستین پنتاکوارک خبر داد که نشان از اضافه شدن گروه جدیدی به خانواده هادرون‌ها بود. این کار به لطف مقدار قابل توجهی از داده‌های جدید ثبت شده در طول دومین راه‌اندازی LHC ممکن شد. محققان این پروژه می‌گویند:

ما اکنون نسبت به سال ۲۰۱۵، ده برابر بیشتر، داده داریم که به ما امکان می‌دهد ساختارهای ظریف‌تر و هیجان‌انگیزتری را نسبت به قبل ببینیم.

وقتی محققان ذره‌ی پنج کوارکی اصلی کشف شده در سال ۲۰۱۵ را بررسی کردند، با کمال تعجب دریافتند که به دو بخش تقسیم شده بود. آن پنتاکوارک، در حقیقت، دو پنتاکوارک جدا بودند که آنقدر جرم‌هایشان شبیه هم بود که به صورت یک تک ذره به نظر می‌رسیدند. حالا LHCb یک پنتاکوارک سوم با جرمی کمی کمتر از دو مورد قبلی پیدا کرده است. هر سه پنتاکوارک کشف شده از یک کوارک پایین، دو کوارک بالا، یک کوارک افسون و یک پادکوارک افسون ساخته شده بودند. حالا سوال اصلی این بود: ساختار درونی دقیق این پنتاکوارک ها چیست؟

یک امکان، این است که آنها واقعا از پنج کوارک ساخته شده‌اند، به گونه‌ای که تمام آنها به طور مساوی درون یک تک هادرون، ترکیب شده‌اند. امکان دیگر این است که پنتاکوارک ها واقعا باریون و مزونی هستند که به یکدیگر چسبیده‌اند تا یک ملکول تقریبا مقید را بسازند، شبیه به شیوه‌ای که پروتون‌ها و نوترون‌ها درون هسته‌ی اتمی به یکدیگر می‌چسبند. دانشمندان می‌گویند:

ذره‌ی جدید کشف شده، دارای جرمی است که ما را درباره‌ی ساختار درونی پنتاکوارک ها راهنمایی می‌کند

محتمل‌ترین گزینه این است که این پنتاکوارک ها، ملکول‌های باریون-مزون هستند. فیزیکدانان برای اطمینان کامل، به داده‌های تجربی و مطالعات نظری بیشتری احتیاج دارند. اگرچه در حال حاضر، فیزیکدانان زیادی از رکود فیزیک ذرات و عدم پیدا شدن نشانه‌های فیزیک جدید توسط LHC گله‌مندند، اما این اندازه‌گیری‌های هیجان‌انگیز نشان می‌دهند LHC هنوز آنقدرها هم بی‌خاصیت نشده و چیزهای زیادی برای یادگیری در مورد ذرات و نیروهای مدل استاندارد وجود دارد. این خبر به همراه خبر کشف نوع جدیدی از عدم تقارن ماده-پادماده در چند روز گذشته در سرن، هفته‌ی هیجان‌انگیز LHC را کامل کرد.

در مورد عدم تقارن ماده-پادماده بارها در دیپ لوک صحبت کرده‌ایم. این بار محققان موفق شده‌اند منبع جدیدی برای این عدم تقارن پیدا کنند. اگرچه می‌دانیم که همتایان پادماده، دقیقا باید تصاویر آینه‌ای همتایان ماده ی خود باشند، اما این امر همیشه صادق نیست. در میان ذرات دارای کوارک، فقط گروه‌هایی که دارای کوارک های شگفت و ته هستند، چنین عدم تقارنی را نشان می‌دهند. چنین عدم تقارن‌هایی به ترتیب در سال‌های ۱۹۶۴ و ۲۰۰۱ مشاهده گردیده و هر دوی آنها منجر به جایزه نوبل شدند. کوارک‌های شگفت و ته دارای بار منفی هستند، اما نظریه‌ نشان‌ می‌دهد تنها کوارک مثبتی که بتواند چنین عدم تقارنی را نشان دهد، باید کوارک افسون باشد، اما چنین اثری بسیار کوچک بوده و آشکاسازی آن بسیار دشوار. با این حال، آزمایش LHCb اکنون توانسته چنین اثری را در ذراتی موسوم به مزون‌های D مشاهده کند؛ ذراتی که از کوارک‌های افسون ساخته شده‌اند. البته مکانیسم ایجاد عدم تقارن آن، مشابه کوارک‌های ته و شگفت نیست. بنابراین این کشف نیز می‌تواند به لیست دلایل برتری ماده بر پادماده و علت وجود داشتن ما(!) افزوده شود.

به هر حال، شاید ما همان انسان‌های خوش‌شانسی باشیم که در قرن ۲۱ام بتوانیم به بنیادی‌ترین سوالات فیزیک پاسخ دهیم. البته شاید با مطالعه‌ی ذراتی که در حال حاضر می‌شناسیم، نه کشف ذرات جدید! به هر حال، هنوز راه زیادی برای پیمودن و رازهای زیادی برای کشف کردن وجود دارد…