کوارک‌ها سرکش شدند: شکست تقارن طعم، لرزه‌ای به فیزیک در سرن انداخت

به گزارش خبرنگار دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در برخورد‌های پرانرژی بین هسته‌های اتمی آرگون و اسکاندیم، دانشمندان آزمایش بین‌المللی NA۶۱/SHINE یک ناهنجاری قابل توجه را کشف کرده‌اند. این ناهنجاری به فروپاشی احتمالی یکی از اساسی‌ترین اصول فیزیک ذرات اشاره دارد: تقارن تقریباً بین کوارک‌های بالا و پایین، که به عنوان تقارن طعم شناخته می‌شود. این نتیجه غیرمنتظره می‌تواند شکاف‌هایی را در مدل‌های فعلی ما از برخورد‌های هسته‌ای آشکار کند - یا ممکن است اولین نشانه از «فیزیک جدید» دست‌نیافتنی باشد که محققان دهه‌هاست به دنبال آن هستند.

به چالش کشیدن یک فرض اساسی در فیزیک ذرات

تصور کنید چیزی را با تعداد مساوی بلوک‌های چوبی و پلاستیکی بسازید. انتظار دارید که ترکیب پس از جدا کردن آن یکسان باقی بماند. فیزیکدانان مدت‌هاست که معتقدند اتفاق مشابهی در برخورد ذرات رخ می‌دهد - نوعی تعادل به نام تقارن طعم، که در آن ذرات ساخته شده از کوارک‌های بالا و پایین، صرف نظر از نوع کوارک، رفتار قابل پیش‌بینی دارند.

اما یک کشف جدید و شگفت‌انگیز، این فرض را به چالش می‌کشد. در مقاله‌ای که به تازگی در مجله Nature Communications منتشر شده است، محققان آزمایش NA۶۱/SHINE، شامل یک تیم بزرگ از موسسه فیزیک هسته‌ای لهستان (IFJ PAN) در کراکوف، نتایج غیرمعمولی از برخورد بین هسته‌های آرگون و اسکاندیم گزارش کردند. این برخورد‌های پرانرژی در CERN با استفاده از سوپر پروتون سینکروترون، همان شتاب‌دهنده‌ای که ذرات را به برخورددهنده بزرگ هادرونی تغذیه می‌کند، انجام شد.

مبانی: کوارک‌ها، مزون‌ها و تقارن

پروفسور آندری ریبیکی (IFJ PAN) با معرفی این موضوع می‌گوید: «طبق دانش فعلی، دنیای ماده‌ای که ما درک می‌کنیم عمدتاً از ذرات بنیادی به نام کوارک تشکیل شده است. آنها در شش نوع وجود دارند که هر کدام معادل ضدماده خود را دارند. پروتون‌ها و نوترون‌ها، اجزای اساسی هسته‌های اتمی، از سه‌گانه‌های کوارک‌های بالا و پایین - که همیشه با هم مخلوط شده‌اند - تشکیل شده‌اند، در حالی که جفت‌های کوارک-ضدکوارک مزون نامیده می‌شوند.»

این کوارک‌ها توسط نیروی قوی، یکی از نیرو‌های بنیادی طبیعت، که توسط نظریه‌ای به نام کرومودینامیک کوانتومی توصیف می‌شود، در کنار هم نگه داشته می‌شوند. از معادلات آن چنین برمی‌آید که اگر کوارک‌ها از همه نوع، جرم‌های یکسانی داشته باشند، برهمکنش قوی هیچ یک از آنها را متمایز نمی‌کند. در واقع، کوارک‌های انواع مختلف (طعم‌ها) از نظر جرم تفاوت قابل توجهی دارند که این تقارن را می‌شکند. با این حال، آنچه بسیار مهم می‌شود این است که دو نوع از سبک‌ترین کوارک‌ها - کوارک‌های بالا و پایین که قبلاً ذکر شد - از نظر جرم تفاوت کمی دارند.

بنابراین، برهمکنش‌های قوی دقیقاً به یک شکل با آنها رفتار نمی‌کنند، اما به اندازه کافی مشابه هستند که بتوان از وجود یک تقارن طعم تقریبی صحبت کرد. در تحقیقات هسته‌ای، اهمیت این تقارن قابل توجه است. این همان چیزی است که نشان می‌دهد اگر یک برخورد پرانرژی شامل کوارک‌های بالا، برخی ذرات ثانویه را با احتمال معین تولید کند، تقریباً با همان احتمال، ذرات ثانویه متناظر دیگری در برخوردی که در آن کوارک‌های پایین وجود دارند، تولید می‌شوند (و برعکس).

یک پیشرفت تجربی جدید با کائون‌ها

تیم آزمایش NA۶۱/SHINE در مطالعه‌ی مزون‌های K (کائون‌ها) مشارکت داشت که در انواع مختلف در طول برخورد‌های پرانرژی هسته‌های اتمی آرگون و اسکاندیم ظاهر می‌شوند. در ابتدا، این گروه قصد داشت فقط کائون‌های دارای بار الکتریکی را اندازه‌گیری کند. مسلماً، مشخص بود که کائون‌های خنثی با عمر کوتاه، بدون بار الکتریکی، نیز در برخورد‌ها تولید می‌شوند، اما اندازه‌گیری آنها ارزشمند به نظر نمی‌رسید. از این گذشته، از تقارن طعم مشخص بود که وقتی کائون‌های منفی و کائون‌های مثبت اضافه می‌شوند، نتیجه باید با تقریب خوبی با تعداد کائون‌های خنثی مطابقت داشته باشد. با این حال، در نهایت، این گروه تصمیم گرفت اندازه‌گیری‌هایی از همه نوع کائون انجام دهد - و این یک موفقیت بزرگ بود.

نتایج شگفت‌انگیز: ناهنجاری ۱۸ درصدی کائون

پروفسور ریبیکی می‌گوید: «نتایج منتشر شده توسط تیم ما از نظر آماری تفاوت قابل توجهی با پیش‌بینی‌های نظری قبلی دارد. معمولاً فرض می‌شود که اختلاف در داده‌های تجربی، به دلیل ماهیت تقریبی تقارن طعم، در این محدوده انرژی از ۳٪ تجاوز نمی‌کند. از سوی دیگر، ما گزارش می‌دهیم که تولید بیش از حد کائون‌های باردار تا ۱۸٪ می‌رسد!»

وقتی دقیق‌تر بررسی شود، اثر مشاهده‌شده حتی جذاب‌تر هم می‌شود. یک ایزوتوپ پایدار آرگون ۱۸ پروتون و ۲۲ نوترون دارد، در حالی که در مورد اسکاندیم، در یک هسته پایدار، سه نوترون بیشتر از تعداد پروتون‌ها وجود دارد. پروتون‌ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده‌اند، و نوترون‌ها برعکس، بنابراین یک محاسبه ساده ثابت می‌کند که در سیستم‌های مورد مطالعه قبل از برخوردها، کوارک‌های پایین کمی بیشتر وجود داشته‌اند.

پروفسور کاتارزینا گربیشکوف از دانشگاه صنعتی ورشو، آغازگر اندازه‌گیری کائون‌های خنثی، می‌گوید: «از آنجایی که ما با کوارک‌های پایین بیشتری نسبت به کوارک‌های بالا شروع کردیم، به طور شهودی انتظار داشتیم که اگر اختلالی در تقارن طعم وجود داشته باشد، باید پس از برخورد، کوارک‌های پایین بیشتری را مشاهده کنیم. در همین حال، تجزیه و تحلیل‌های ما به طور واضح نشان می‌دهد: تقارن طعم در جهت دیگر مختل می‌شود و در نهایت، این کوارک‌های بالا هستند که فراوان‌ترند!»

پیامد‌های مدل استاندارد - یا فراتر از آن؟

دلایل شکست تقارن مشاهده‌شده در برخورد‌های بین هسته‌های اتمی آرگون و اسکاندیم در حال حاضر ناشناخته است. شاید محاسبات نظری الهام‌گرفته از کرومودینامیک کوانتومی، برخی از ویژگی‌های مهم این برخورد‌ها را در نظر نگرفته باشند. با این حال، یک احتمال دیگر و تماشایی‌تر را نمی‌توان رد کرد: اینکه اثر مشاهده‌شده فراتر از نظریه موجود برهمکنش‌های قوی و مدل استاندارد ساخته‌شده با آن است، که به این معنی است که این اثر، تجلی «فیزیک جدید» مورد انتظار است.

صرف نظر از پیشرفت‌های بیشتر، این کشف در حال حاضر پیامد‌های قابل توجهی برای دانشمندانی که در مطالعات برخورد‌های پرانرژی بین ذرات و هسته‌های اتمی مشارکت دارند، به همراه دارد. در واقع، فرض وجود تقارن مورد بحث، دهه‌هاست که به طور گسترده در مدل‌سازی مسیر بسیاری از آزمایش‌های هسته‌ای و تفسیر نتایج آنها مورد استفاده قرار گرفته است.

بازنگری مدل‌های برخورد‌های پرانرژی

پروفسور ریبیکی تأکید می‌کند: «نکته این است که ما شکست تقارن طعم را در برخورد‌های بین هسته‌های اتمی کشف کرده‌ایم. امروزه، هنوز نمی‌توانیم بگوییم که آیا این یک پدیده جهانی است که بر همه برهمکنش‌ها با حضور کوارک‌ها تأثیر می‌گذارد، یا اینکه مثلاً فقط برای هسته‌هایی با جرم خاص یا برای برخی از انرژی‌های برخورد، اما نه برای سایر انرژی‌ها، رخ می‌دهد.» و می‌افزاید: «در عمل، این امر به معنای نیاز به ارزیابی مجدد دقیق تقریباً همه مدل‌های تولید ذرات در برخورد‌های پرانرژی و نتایج تجربی متعدد است.»

در ماه‌های آینده، دانشمندان تیم NA۶۱/SHINE کار خود را برای تأیید شکست تقارن طعم در برخورد‌هایی که با تعداد اولیه مساوی کوارک‌های بالا و پایین مشخص می‌شوند، آغاز خواهند کرد.

مراحل بعدی: آزمایش‌های جدید برای نقض تقارن

دکتر سورین کوالسکی، استاد دانشگاه سیلسیا، که به همراه پروفسور اریک زیمرمن از دانشگاه کلرادو بولدر، سرپرست آزمایش NA۶۱/SHINE است، می‌گوید: «تمرکز اول بر روی ده‌ها میلیون برخورد ثبت‌شده‌ی پی+ و پی- مزون‌ها با هسته‌های کربن خواهد بود، که در آنها می‌توان از تقارن کامل طعم قبل از برخورد صحبت کرد. گام بعدی مطالعه‌ی مسیر برخورد‌های اکسیژن-اکسیژن و منیزیم-منیزیم خواهد بود، که سیستم دوم به دلیل پیچیدگی هسته‌های اتمی مشابه آرگون و اسکاندیم، که برخورد‌های آنها کشف پدیده‌ی مورد بحث را ممکن ساخت، به ویژه امیدوارکننده به نظر می‌رسد.»

متأسفانه، ما هنوز باید برای جالب‌ترین نتایج منتظر بمانیم: برخورد هسته‌های منیزیم تنها پس از ارتقاء سه ساله LHC که به زودی آغاز خواهد شد، امکان‌پذیر خواهد بود.

مرجع: «شواهدی از نقض تقارن ایزواسپین در برخورد‌های پرانرژی هسته‌های اتمی» توسط همکاری NA۶۱/SHINE، اف. گیاکوسا،‌ام. گورنشتاین، آر. پوبرژنیوک و اس. سامانتا، ۲۳ مارس ۲۰۲۵، ارتباطات طبیعت.

DOI: ۱۰.۱۰۳۸/s۴۱۴۶۷-۰۲۵-۵۷۲۳۴-۶

کار تحقیقاتی در مورد شکستن تقارن تقریبی طعم، که به لطف حمایت سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای سرن امکان‌پذیر شد، توسط وزارت علوم و آموزش عالی و مرکز ملی علوم لهستان تأمین مالی شد.