یک ذره‌ی بنیادی شگفتی دانشمندان را برانگیخت

تجزیه‌وتحلیل جدید با همکاری آشکارساز ذرات آزمایگشاه فرمی، در نتایجی غیرمنتظره نشان می‌دهد که ذره‌ی بنیادی بوزون W به‌طور قابل توجهی سنگین‌تر از اندازه‌گیری‌های قبلی و پیش‌بینی‌های نظری است. موضوعی که می‌تواند به ذرات یا نیروهای ناشناخته اشاره داشته باشد.

در فیزیک ذرات بنیادی، عمر داده‌ها بیشتر از آشکارسازهایی است که آن‌ها را تولید می‌کنند. یک دهه پیش، آشکارساز ۴۱۰۰ تُنی برخورد ذرات آزمایشگاه فرمی (CDF) به پایان عمر خود رسید و با خاموش شدن، قطعات آن برای استفاده در آزمایش‌های دیگر از هم جدا شدند. اکنون یک تجزیه‌وتحلیل جدید از داده‌های قدیمی CDF، تفاوت چشمگیری را در جرم یک ذره‌ی بنیادی، بوزون W کشف کرده است که می‌تواند راه را برای ذرات و برهم‌کنش‌های تازه و هنوز کشف نشده باز کند.

«بوزون دبلیو» (Boson W) ذره‌ای بسیار سنگین است و حدود ۸۰ برابر یک پروتون وزن دارد. نکته‌ی مهم این است که بوزون W مسؤول اشکال خاصی از واپاشی رادیواکتیو است و به نوترون‌ها امکان می‌دهد تا به پروتون تبدیل شوند. چون جرم آن توسط بسیاری از ذرات و پارامترهای دیگر در مدل استاندارد (نظریه‌ی فیزیکدانان درباره‌ی ذرات بنیادی و شیوه‌ی رفتار آن‌ها) محدود شده است (و خودش آن را محدود می‌کند)، بوزن W به هدفی برای پژوهشگرانی تبدیل شده است که به دنبال شناسایی نقاط شکست بهترین نظریه‌ها هستند.

اگرچه فیزیکدانان مدت‌هاست که جرم تقریبی بوزون W را می‌دانند، اما هنوز از آن به‌طور دقیق آگاهی ندارند. با این وجود، پیوند دادن داده‌ها به چارچوب مدل استاندارد، پیش‌بینی می‌کند که جرم W باید ۸۰۳۵۷ مگا-الکترون-ولت (MeV) با خطای مثبت منفی 6MeV باشد. گفتنی است ۱ مگا الکترون ولت تقریبا دو برابر انرژی جرمی موجود در یک الکترون است.

اما در تحلیل تازه‌ای که در نشریه‌ی «ساینس» (Science) منتشر شده است، فیزیکدانان با همکاری CDF جرم ذره‌ی بنیادی بوزون W را ۸۰۴۳۳.۵ مگا الکترون ولت با خطای ۹.۴ مگا الکترون ولت شناسایی کردند. اندازه‌گیری جدید که دقیق‌تر از مجموع اندازه‌گیری‌های قبلی است، تقریبا ۷۷ مگا الکترون ولت بالاتر از پیش‌بینی مدل استاندارد است.

اگرچه این عددها تنها حدود یک بخش در ۱۰۰۰ اختلاف دارند، اما عدم قطعیت‌ها برای هر کدام به اندازه‌ای ناچیز است که حتی این واگرایی کوچک هم از نظر آماری، اهمیت زیادی دارد. بسیار بعید است که این فقط یک توهم شانسی باشد و به‌نظر می‌رسد که حتی بوزون W که به‌خوبی مطالعه شده است، هنوز رازهای زیادی درباره‌ی عملکرد دنیای زیراتمی، یا حداقل درباره‌ی چگونگی بررسی ما، در خود دارد. فیزیکدانان ذرات که غافلگیر شده‌اند، تازه شروع به دست‌وپنجه نرم کردن با پیامدهای این بررسی تازه کرده‌اند.

«مارتین مولدرز» (Martijn Mulders) فیزیکدان تجربی «سرن» (CERN) در نزدیکی ژنو که تحقیق تازه را از نگاه یک پژوهشگر بیرونی بررسی کرده است، گفت: «هیچ کس انتظار این اختلاف را نداشت و خیلی غیرمنتظره است. تقریبا احساس می‌کنید که به شما خیانت شده است، زیرا ناگهان آن‌ها یکی از پایه‌هایی را که واقعا از کل ساختار فیزیک ذرات پشتیبانی می‌کند، از بین می‌برند.»

جست‌وجو برای کوارک‌ها

در ابتدا یک اندازه‌گیری تقریبی از جرم بوزون W در سال ۱۹۹۰ به فیزیکدانان امکان داد تا جرم کوارک بالایی را پنج سال پیش از مشاهده‌ی نخستین ذره، با دقت خوبی پیش‌بینی کنند. سپس با استفاده از جرم بوزون W و جرم کوارک بالا، پژوهشگران پیش‌بینی مشابهی را برای بوزون هیگز، که در سال ۲۰۱۲ به طرز شگفت‌آوری آشکار شد، انجام دادند.

اخیرا فیزیکدانانی که چنین اندازه‌گیری‌هایی را انجام می‌دهند، کمتر روی پالایش نقاط قوت اصلی مدل استاندارد تمرکز کرده‌اند و بیشتر روی بررسی شکست‌های آن متمرکز شده‌اند. برای نمونه این رویکرد گرانش، ماده‌ی تاریک، جرم‌های نوترینو یا شماری از پدیده‌های چالش‌برانگیز دیگر را دربر نمی‌گیرد.

فیزیکدانان می‌گویند که بررسی جاهایی که مدل استاندارد در آن‌ها نقض می‌شود یا با مشاهدات اختلاف دارد، یکی از بهترین راه‌ها برای جست‌وجوی فیزیک مدرن (واژه‌ی فراگیر برای یافتن بلوک‌های سازنده‌ی اضافی و احتمالا بنیادین‌تر جهان) است. تا پیش از نتیجه‌ی CDF برخی از نویدبخش‌ترین اختلافات مدل استاندارد شامل یک ناهنجاری بررسی شده طی آزمایش «میون جی-۲» (Muon g-2) در آزمایشگاه فرمی و نتایج حاصل از آزمایش «زیبایی برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ» (LHCb) برای بررسی «کوارک‌های زیبایی» در سِرن بود.

ناهنجاری‌های کوچک بسیار زیاد هستند و اغلب نوسانات آماری ناشی از شمار واقعا زیاد رویدادهای زیراتمی تولید و ثبت شده توسط آزمایش‌های معمولی فیزیک ذرات به‌شمار می‌روند. در چنین مواردی با جمع‌آوری حجم بیشتری از داده‌ها، این ناهنجاری‌ها از بین می‌روند. اگرچه این ناهنجاری اخیر امیدوارکننده‌تر به‌نظر می‌رسد، زیرا هم‌اکنون اطلاعات باکیفیت بسیار زیادی درباره‌ی جرم بوزون W وجود دارد و پیش‌بینی نظری جرم ذره عدم قطعیت بسیار پایینی دارد. و شاید مهم‌تر از همه، همکاری CDF بسیار محتاطانه بوده است.

این آزمایش برای به حداقل رساندن خطر سوگیری انسان «کور» شد؛ به این معنی که فیزیکدانانی که داده‌های آن را تجزیه‌وتحلیل می‌کردند تا زمانی که کارشان به پایان رسید، درباره‌ی نتایج آن اطلاعی نداشتند. «آشوتوش کوتوال» (Ashutosh Kotwal) نویسنده‌ی مسؤول این مطالعه گفت: «زمانی که مقدار اندازه‌گیری شده‌ی CDF برای جرم بوزون W در نوامبر ۲۰۲۰ برای اعضای تیم فاش شد، همه شگفت‌زده شدند. این عدد واقعا ارزشمند است.

از آن زمان نتایج چندین دور دیگر از بررسی همتا را پشت سر گذاشته‌اند اما این تنها تضمین می‌کند که فیزیکدانان مأموریت خود را انجام داده‌اند، نه اینکه فیزیک جدیدی شناسایی کرده‌اند.

استخراج داده‌ها

برای اندازه‌گیری جرم یک بوزون W ابتدا باید یک برخورددهنده‌ی ذرات بسازیم. «تواترون» (Tevatron) که از سال ۱۹۸۳ تا ۲۰۱۱ کار می‌گیرد، یک حلقه‌ی ۶.۳ کیلومتری بود که در آن پروتون‌هایی با حداکثر دو ترا الکترون ولت (TeV) یعنی تقریبا ۲۵ برابر جرم یک بوزن W، به پادپروتون‌ها برخورد می‌کردند. آزمایش CDF قرار گرفته در امتداد حلقه، از سال ۲۰۰۲ تا زمان خاموش شدن تواترون به دنبال نشانه‌هایی از بوزون‌های W در این برخوردها بود.

اما نمی‌توان یک بوزون W را به سادگی مشاهده کرد. خیلی سریع به ذرات دیگر تجزیه می‌شود و در هر آشکارساز ثبت نمی‌شود. در عوض، فیزیکدانان باید حضور و خواص آن را با مطالعه‌ی آن محصولات فروپاشی، عمدتا الکترون‌ها و میون‌ها، استنتاج کنند. با شمارش دقیق، تیم CDF حدود ۴ میلیون رویداد را در داده‌های آزمایش یافتند که به واپاشی بوزون W نسبت داده می‌شد. با اندازه‌گیری انرژی ذخیره شده در آشکارساز CDF توسط الکترون‌ها و میون‌های آن رویدادها، فیزیکدانان داده‌ها را به عقب بازگرداندند تا دریابند که بوزون W در ابتدا چقدر انرژی یا جرم داشته است.

ذره‌ی بنیادی بوزون W یکی از ۱۷ ذره‌ی بنیادی شناخته شده
Credit: Samuel Velasco/Quanta Magazine

کوتوال می‌گوید که این کار به دلیل عدم قطعیت‌های متعدد در داده‌ها، یک دهه طول کشید. برای رسیدن به سطح بی‌سابقه‌ای از دقت، دو برابر دقیق‌تر از بهترین اندازه‌گیری آزمایشی قبلی از جرم بوزون W، که توسط همکاری «اطلس» (ATLAS) انجام شد، تیم CDF مجموعه داده‌های خود را چهار برابر کرد و همچنین از تکنیک‌های جدیدی استفاده کرد. این روش‌ها شامل مدل‌سازی برخوردهای پروتون و پادپروتون و اجرای یک بررسی جدید و دقیق‌تر از ویژگی‌های عملیاتی آشکارساز از کار افتاده حتی با استفاده از داده‌های قدیمی پرتو کیهانی برای ترسیم طرح آن تا ابعاد میکرون بود.

این کافی بود تا نتایج غیرعادی پژوهشگران را به ارتفاعات قابل توجهی از ارزش آماری برساند: در اصطلاح آمار، نزدیک به هفت سیگما. هفت سیگما در اینجا به این معنی است که اگر هیچ فیزیک مدرنی بر بوزون W تأثیر نمی‌گذارد، اختلافات حداقل به بزرگی آنچه مشاهده شده است، همچنان از شانس محض برای هر ۸۰۰ میلیارد بار انجام آزمایش ناشی می‌شوند.

حتی در دنیای فیزیک ذرات، که در آن اعداد نجومی معمول هستند، این تقریبا بیش از حد به نظر می‌رسد: آستانه‌ی «استاندارد طلایی» میدان برای اهمیت آماری، تنها پنج سیگما است، که مربوط به یک اثر معین است که از طریق تصادف یک بار در هر ۳.۵ میلیون اجرا، دیده می‌شود.

مهم‌تر از همه، ارزش هفت سیگمای اندازه‌گیری جدید تیم CDF به این معنی نیست که نتیجه ۹۹.۹۹۹۹۹۹۹۹۹ درصد احتمال دارد که فیزیک جدیدی باشد. حتی به این معنا نیست که اندازه‌گیری‌های دیگر جرم W اشتباه است. بلکه یک نتیجه‌ی هفت سیگما به این معنی است که هر آنچه که همکاری CDF می‌بیند، تصادفی نیست. این شروعی برای پژوهش بیشتر است و یک نتیجه‌گیری محسوب نمی‌شود.

• ایده‌ی دنیای موازی چطور شکل گرفت؟

کار تشخیصی

برای تعیین منبع ناهنجاری، تأیید در دیگر آزمایش‌ها هم نیاز است. «گیوم اونال» (Guillaume Unal) هماهنگ‌کننده‌ی فیزیک ATLAS که در مطالعه‌ی جدید شرکت نداشت، گفت: «این یک نتیجه‌ی بسیار تماشایی و یک اندازه‌گیری بسیار پیچیده و چالش‌برانگیز است. البته همچنان بسیار مهم است که واقعا مدل استاندارد را با دقت بالایی بررسی کنید.»

ATLAS هم‌اکنون روی بهبود اندازه‌گیری جرم W کار می‌کند، و به گفته‌ی اونال استفاده از داده‌های دومین اجرای LHC، که در سال ۲۰۱۸ به پایان رسید، ممکن است به آن‌ها امکان دهد تا به دقت CDF نزدیک شوند.

در این میان، نظریه‌پردازان به این نتیجه جدید می‌پردازند تا توضیحات احتمالی بی‌شماری را ارائه کنند. اگرچه LHC بسیاری از جایگشت‌های اَبَرتقارن (SUSY) یعنی مجموعه‌ای از نظریه‌ها که معتقدند ذرات بنیادی همتایان «اَبَر ذره» دارند، را رد کرده است، یکی از عواملی که می‌تواند جرم بوزون W را تا این میزان تغییر دهد، گروهی از ذرات ابر متقارن نسبتا سبک هستند.

«مانیمالا چاکرابورتی» (Manimala Chakraborti) فیزیکدان نظری مرکز نجوم نیکلاس کوپرنیک آکادمی علوم لهستان گفت: «البته محدودیت‌های LHC سخت‌تر و سخت‌تر می‌شوند اما با این حال، می‌توانید مناطقی از فضای پارامتر مجاز برای وجود اَبَرتقارن پیدا کنید.»

در دورانی که برخورددهنده‌های جدید مطرح شده‌اند و LHC در حال آماده شدن برای راه‌اندازی کمپین دیگری از برخوردها پس از تعمیرات اساسی است، اعلام یک ناهنجاری قدر هفت سیگما از یک آزمایش قدیمی که آشکارسازهای آن از بین رفته‌اند، ممکن است عجیب به نظر برسد. .

اما این همکاری برای ارزیابی و اصلاح نتایج اجرای آزمایش ادامه دارد. کوتوال گفت: «کار تشخیصی به‌خودی‌خود چیزی است که ما را به حرکت وا می‌دارد. سرنخ‌ها همه وجود دارند… مثل کار شرلوک هولمز است. ممکن است مضنون رفته باشد، اما رد پاها هنوز وجود دارند.»

عکس کاور: آشکارساز برخورد در آزمایشگاه فرمی
Credit: Science History Images/Alamy Stock Photo

منبع: Scientific American