این ذره ممنوعه می‌تواند نظریه ریسمان را نقض کند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، فیزیکدانان دانشگاه پنسیلوانیا، با همکاری همکارانشان در دانشگاه ایالتی آریزونا، در حال بررسی محدودیت‌های چارچوبی هستند که هدف آن یکپارچه‌سازی قوانین فیزیک در سراسر جهان است.
دو ستون فکری بزرگ در فیزیک وجود دارد که کاملاً با هم جور در نمی‌آیند. مدل استاندارد فیزیک ذرات، تمام ذرات بنیادی شناخته شده و سه تا از چهار نیروی بنیادی را در بر می‌گیرد: الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف. در مقابل، نسبیت عام انیشتین گرانش را به عنوان یکی از ویژگی‌های هندسه فضازمان توضیح می‌دهد.
با این حال، جاناتان هکمن، فیزیکدان نظری دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گوید که این دو مدل با هم خوب کار نمی‌کنند. در حالی که مدل استاندارد نیرو‌ها را به عنوان میدان‌های مبتنی بر ذرات توصیف می‌کند، نسبیت عام گرانش را به عنوان انحنای هموار فضازمان تفسیر می‌کند. همانطور که هکمن می‌گوید، گرانش «در مدل استاندارد فیزیک نمی‌گنجد».
در یک مطالعه اخیر، هکمن به همراه ربکا هیکس، دانشجوی دکترا در دانشکده هنر و علوم پن، و همکارانشان، رویکرد متفاوتی به نظریه ریسمان اتخاذ کردند. آنها به جای پرسیدن اینکه این نظریه چه چیزی را می‌تواند پیش‌بینی کند، بر آنچه اساساً نمی‌تواند تولید کند تمرکز می‌کنند. یافته‌های آنها یک ذره غیرمعمول را برجسته می‌کند که ممکن است در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) شناسایی شود. هکمن می‌گوید اگر این ذره مشاهده شود، نظریه ریسمان را "در دردسر بزرگی" قرار خواهد داد.
نظریه ریسمان: خوب، بد، تشنه انرژی
به گفته هکمن، سال‌هاست که فیزیکدانان تلاش می‌کنند نظریه واحدی را توسعه دهند که مکانیک کوانتومی، که رفتار ذرات زیراتمی را کنترل می‌کند، را با گرانش، که در نسبیت عام به عنوان یک نیروی دینامیکی در نظر گرفته می‌شود، اما از نظر کوانتومی به خوبی درک نشده است، متحد کند.
یکی از نامزد‌های اصلی برای پر کردن این شکاف، نظریه ریسمان است. این نظریه پیشنهاد می‌کند که همه ذرات، از جمله یک ذره نظری مسئول گرانش، در واقع ریسمان‌های ریز و مرتعش هستند. این ایده نوید یک چارچوب یکپارچه را می‌دهد که می‌تواند همه نیرو‌ها و اشکال ماده را توصیف کند.
هکمن توضیح می‌دهد: «اما یکی از چالش‌های نظریه ریسمان این است که به ریاضیات پیچیده و چندبعدی و طیف وسیعی از جهان‌های ممکن وابسته است، که آزمایش آن را از طریق آزمایش‌ها بسیار دشوار می‌کند.» این نظریه همچنین برای سازگاری با ریاضیات به چیزی بیش از چهار بُعد آشنا (x، y، z و زمان) نیاز دارد.
هیکس می‌گوید: بیشتر اشکال نظریه ریسمان در مجموع شامل ۱۰ یا ۱۱ بُعد فضازمان هستند. تصور می‌شود ابعاد اضافی در مقیاس‌های بسیار کوچک فشرده یا «پیچیده» شده‌اند که نمی‌توانیم مستقیماً آنها را مشاهده کنیم.
چیزی که به پیچیدگی نظریه ریسمان می‌افزاید این است که متمایزترین ویژگی‌های آن تنها در سطوح انرژی بسیار بالا آشکار می‌شوند. هکمن می‌گوید: اینها انرژی‌هایی بسیار بزرگتر از هر چیزی هستند که ما معمولاً با آن سر و کار داریم یا می‌توانیم با استفاده از برخورددهنده‌های ذرات امروزی تولید کنیم.
هیکس این وضعیت را با تلاش برای دیدن جزئیات یک جسم دور مقایسه می‌کند. در انرژی‌های معمولی و پایین، ریسمان‌ها مانند ذرات نقطه‌ای آشنا رفتار می‌کنند - دقیقاً مانند طنابی که از دور دیده می‌شود و به صورت یک خط صاف و یکدست به نظر می‌رسد. او می‌گوید: «اما اگر با افزایش انرژی بزرگنمایی کنید، شروع به دیدن آنچه واقعاً اتفاق می‌افتد می‌کنید - ریسمان‌هایی که در حال ارتعاش و تعامل هستند. در انرژی‌های پایین‌تر، آن جزئیات ریز نامرئی هستند و تنها چیزی که مشاهده می‌کنیم ذرات اساسی هستند که از قبل می‌شناسیم.
به همین دلیل است که فیزیکدانانی که به دنبال شواهدی از نظریه ریسمان هستند، به افزایش سطوح انرژی برخورددهنده‌های ذرات مانند LHC متکی هستند، به این امید که این ریسمان‌ها را مستقیماً مشاهده کنند، نه اینکه فقط تجلیات انرژی پایین‌تر آنها را به عنوان ذرات معمولی مشاهده کنند.
چرا باید به نظریه ریسمان ذره‌ای را ارائه دهیم که احتمالاً قادر به بازگرداندن آن نخواهد بود؟
آزمایش یک نظریه اغلب به معنای جستجوی پیش‌بینی‌هایی است که اعتبار آن را تأیید می‌کنند. اما هکمن می‌گوید، یک آزمایش قدرتمندتر، یافتن دقیق جایی است که یک نظریه شکست می‌خورد. اگر دانشمندان کشف کنند که چیزی که یک نظریه آن را ممنوع می‌کند، واقعاً وجود دارد، آن نظریه اساساً ناقص یا دارای نقص است.
از آنجا که پیش‌بینی‌های نظریه ریسمان گسترده و متنوع هستند، محققان در عوض این سوال را مطرح کردند که آیا یک سناریوی ساده ذرات وجود دارد که نظریه ریسمان نمی‌تواند آن را در خود جای دهد؟
آنها بر روی چگونگی برخورد نظریه ریسمان با «خانواده‌های» ذرات، گروه‌هایی از ذرات مرتبط که توسط قوانین نیروی هسته‌ای ضعیف، مسئول واپاشی رادیواکتیو، به هم متصل شده‌اند، تمرکز کردند. معمولاً خانواده‌های ذرات، بسته‌های کوچکی مانند الکترون و نوترینوی همزاد آن هستند که یک بسته دو عضوی مرتب به نام «دوگانه» را تشکیل می‌دهند. نظریه ریسمان این خانواده‌های ذرات کوچک را به خوبی و بدون مشکل مدیریت می‌کند.
با این حال، هکمن و هیکس خانواده‌ای را شناسایی کردند که به طور آشکار در هیچ محاسبه‌ی مبتنی بر رشته‌ی شناخته‌شده‌ای وجود ندارد: یک بسته‌ی ذرات پنج عضوی یا یک ۵-plet. هکمن این را به تلاش برای سفارش یک وعده‌ی غذایی Whopper از مک‌دونالد تشبیه می‌کند، «مهم نیست چقدر خلاقانه منو را جست‌و‌جو کنید، هرگز آن را پیدا نمی‌کنید.»
هکمن می‌گوید: «ما تمام جعبه ابزارهایمان را گشتیم، و این بسته‌ی پنج نفره هیچ‌وقت پیدا نشد.».
اما این گروه پنج نفره که پیدا نمی‌شود، دقیقاً چیست؟
هیکس آن را به عنوان نسخه‌ای گسترش‌یافته از دوگان توضیح می‌دهد: ۵-plet پسرعموی بزرگ آن است که پنج ذره مرتبط را در خود جای داده است.
فیزیکدانان این خانواده ذرات را در یک فرمول ریاضی مختصر به نام لاگرانژی، که اساساً کتاب آشپزی فیزیک ذرات است، خلاصه می‌کنند. خود ذره، فرمیون مایورانا نامیده می‌شود، به این معنی که به عنوان پادذره خود عمل می‌کند، شبیه به سکه‌ای که در هر دو طرف آن شیر وجود دارد.
شناسایی چنین ذره‌ای مستقیماً با پیش‌بینی‌های مدل‌های فعلی نظریه ریسمان در تضاد است و تشخیص این خانواده خاص از ذرات در LHC را به یک آزمون پرخطر تبدیل می‌کند، آزمونی که می‌تواند به طور بالقوه نظریه ریسمان را از کار بیندازد.
چرا یک پنج قلو دیده نشده است و سرنخ مسیر ناپدید شدن
هیکس دو مانع اصلی برای مشاهده این ساختار‌های ۵-پلتی را ذکر می‌کند: «تولید و ظرافت».
در یک برخورددهنده، انرژی می‌تواند به معنای واقعی کلمه به جرم تبدیل شود؛ قانون E = mc² انیشتین می‌گوید که نیروی جنبشی کافی (E) می‌تواند به جرم (m) ذرات کاملاً جدید تبدیل شود، بنابراین هرچه شکار سنگین‌تر باشد، رویداد خلقت نادرتر است.
هیکس با اشاره به معادله E = mc² انیشتین که انرژی (E) را مستقیماً به جرم (m) مرتبط می‌کند، توضیح می‌دهد: «LHC باید پروتون‌ها را به اندازه کافی محکم به هم بکوبد تا این ذرات سنگین را از انرژی خالص بیرون بکشد.» «با افزایش جرم این ذرات به یک تریلیون الکترون ولت، احتمال ایجاد آنها به طرز چشمگیری کاهش می‌یابد.
حتی اگر تولید شود، تشخیص آن چالش برانگیز است. ذرات باردار در ۵-plet خیلی سریع به محصولات تقریباً نامرئی تبدیل می‌شوند. هیکس می‌گوید: «حالت‌های سنگین‌تر به یک پیون نرم و یک ذره خنثی نامرئی، صفر (X۰) تبدیل می‌شوند. پیون آنقدر کم‌انرژی است که اساساً نامرئی است و X۰ مستقیماً از آن عبور می‌کند. نتیجه، ردی است که در اواسط آشکارساز ناپدید می‌شود، مانند ردپا‌هایی که در برف ناگهان متوقف می‌شوند.
این ردپا‌های مشخص توسط ATLAS (مخفف دستگاه LHC چنبره‌ای) و CMS (سلونوئید فشرده میونی) در LHC، که «دوربین‌های دیجیتال» به اندازه یک خانه هستند و در اطراف مرکز برخورد پیچیده شده‌اند، ثبت می‌شوند. این دوربین‌ها در نقاط برخورد مقابل قرار می‌گیرند و مستقل عمل می‌کنند و به جامعه فیزیک دو چشم برای رصد هر کشف بزرگ می‌دهند. فیزیکدانان دانشگاه پنسیلوانیا مانند هیکس بخشی از گروه همکاری ATLAS هستند و به انجام جست‌و‌جو‌هایی که به دنبال سیگنال‌های عجیب و غریب مانند ردپا‌های ناپدید شونده هستند، کمک می‌کنند.
چرا یک ۵-plet برای ماده تاریک اهمیت دارد؟
هیکس می‌گوید یافتن ۵-پلت نه تنها برای آزمایش نظریه ریسمان مهم است، بلکه به یک احتمال هیجان‌انگیز دیگر نیز اشاره می‌کند: «عضو خنثی ۵-پلت می‌تواند ماده تاریک، جرم مرموزی که بیشتر ماده جهان ما را تشکیل می‌دهد، را توضیح دهد.»
ماده تاریک تقریباً ۸۵ درصد از کل ماده موجود در جهان را تشکیل می‌دهد، اما دانشمندان هنوز دقیقاً نمی‌دانند که چیست.
هیکس می‌گوید: اگر ۵-پلت حدود ۱۰ ترا الکترون ولت - حدود ۱۰۰۰۰ جرم پروتون - وزن داشته باشد، کاملاً با نظریه‌های مربوط به تشکیل ماده تاریک پس از بیگ بنگ مطابقت دارد. حتی ۵-پلت‌های سبک‌تر نیز می‌توانند به عنوان بخشی از چشم‌انداز وسیع‌تر ماده تاریک نقش داشته باشند.
هیکس می‌گوید: اگر ما یک ۵-plet را شناسایی کنیم، یک برد دو سر برد خواهیم داشت. ما پیش‌بینی‌های کلیدی نظریه ریسمان را رد کرده‌ایم و همزمان سرنخ‌های جدیدی در مورد ماده تاریک کشف کرده‌ایم.
آنچه LHC قبلاً رد کرده است
با استفاده از داده‌های موجود ATLAS از اجرا‌های برخورددهنده، این تیم به‌طور خاص به دنبال سیگنال‌های ۵-پلت گشت. هیکس در مورد جستجوی تیم از طریق داده‌های مسیر ناپدید شدن ATLAS که تغییر کاربری داده شده است، می‌گوید: ما جست‌و‌جو‌هایی را که در ابتدا برای «شارژینوها» - ذرات باردار فرضی که توسط ابرتقارن پیش‌بینی می‌شوند - طراحی شده بودند، دوباره تفسیر کردیم و به دنبال نشانه‌های ۵-پلت گشتیم. ما هنوز هیچ مدرکی پیدا نکردیم، به این معنی که هر ذره ۵-پلت باید حداقل ۶۵۰ تا ۷۰۰ گیگا الکترون ولت وزن داشته باشد، پنج برابر سنگین‌تر از بوزون هیگز.
هکمن می‌گوید: این نتیجه اولیه، خود یک گزاره قوی است؛ یعنی ۵-plets سبک‌تر وجود ندارند. اما نمونه‌های سنگین‌تر هنوز هم روی میز هستند.
جست‌و‌جو‌های آینده با آزمایش‌های ارتقا یافته‌ی LHC نوید آزمایش‌های دقیق‌تری را می‌دهد. هیکس می‌گوید: ما از شکست نظریه‌ی ریسمان حمایت نمی‌کنیم. ما آن را تحت فشار قرار می‌دهیم و فشار بیشتری اعمال می‌کنیم تا ببینیم آیا پابرجا می‌ماند یا خیر.
هکمن می‌گوید: اگر نظریه ریسمان پابرجا بماند، فوق‌العاده است. اگر از بین برود، ما چیز عمیقی در مورد طبیعت خواهیم آموخت.