شواهد وجود کوارک افسون در ساختار پروتون، فیزیکدانان را شگفت‌زده کرد!
پروتون، این ذره‌ی نام‌آشنا برای اغلب افراد، ترکیبی از سه ذره سبک‌تر است؛ ذراتی که به آن‌ها کوارک می‌گویند و در مورد پروتون شامل ترکیبی از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین (کوارک‌های درونی (intrinsic quarks)) می‌شود. از طرفی برای دهه‌ها فیزیکدانان حدس می‌زدند که پروتون‌ها ممکن است میزبان کوارک‌های سنگین‌تری باشد که کوارک افسون یا چارم کوارک «Charm Quark» نامیده می‌شود! این در حالی است که فیزیکدانان در ۱۸ آگوست امسال در مجله‌ی «Nature» گزارش دادند که یک تحلیل جدید، از این ایده‌ی تکان‌دهنده پشتیبانی می‌کند.
کوارک افسون چیست و چه چیزی در مورد آن عجیب است؟
در چارچوب مدل استاندارد، ۶ نوع کوارک با نام‌های بالا (u)، پایین (d)، افسون (c)، شگفت (s)، سر (t) و ته (b) وجود دارد! در این میان کوارک افسون یا چارم کوارک «Charm Quark» سومین کوارک سنگین در بین این ذرات است. به طور کلی تا به امروز فیزیکدانان تصور می‌کردند که پروتون شامل ترکیبی از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین است ولی احتمال وجود کوارک افسون در ساختار این ذره، داستان را خیلی متفاوت کرد! کوارک‌های افسون نسبت به کوارک‌های بالا یا پایین بسیار سنگین‌تر هستند، آنقدر سنگین که به طرز شگفت‌انگیزی می‌توانند ترکیبی سنگین‌تر از خود پروتون را ایجاد کنند! از طرفی فیزیکدانان در هر شاخه‌ای به خوبی می‌دانند که هرچه به کندوکاو عمیق‌تر در هر چیز از جمله پروتون بپردازند، درک ساختارها پیچیده‌تر به نظر می‌رسد. این موضوع به‌ویژه در انرژی‌های بسیار بالا و برخوردهایی در شتاب‌دهنده‌های ذرات مانند برخورد‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC) مشاهده می‌شود.
بنابراین با عمیق‌تر شدن و ورود به مقیاس‌های بسیار کوچک‌تر (با وجود انرژی‌های بالاتر) می‌توان پروتون‌ها را متشکل از گروهی پیچیده (به معنی واقعی کلمه درهم‌وبرهم) و ناپایدار از کوارک‌ها به همراه همتایان پادماده‌ی آن‌ها یعنی آنتی‌کوارک‌ها «Antimatter Counterparts» در نظر گرفت. جالب است بدانید در چنین موقعیتی این ذراتی به نام گلوئن‌ها «gluons» هستند که در پروتون به جفت‌های کوارک-آنتی‌کوارک (کوارک‌های بیرونی) «extrinsic quarks» تقسیم می‌شوند!
گلوئون را می‌توان ذره‌ای در نظر گرفت که بین کوارک‌ها مبادله می‌شود تا آن‌ها را به هم بچسباند.
شاید تا به اینجای متن با خود فکر کرده باشید که بالاخره چی شد! پروتون از ترکیب دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است یا جفت‌های کوارک-آنتی‌کوارک (که کوارک‌های بیرونی هم نامیده می‌شوند)؟ در پاسخ و به منظور واضح شدن موضوع باید بدانید که کوارک‌های بیرونی ذرات بنیادی‌ای در ساختار پروتون نیستند، درواقع این جفت‌های کوارک و آنتی کوارک صرفاً نتیجه‌ی رفتار (واپاشی) گلوئون‌ها در انرژی‌های بالا است. اما در عین حال مطالعات جدید نشان می‌دهد که در کنار کوارک‌های بالا و پایین، کوارک‌های چارم یا افسون هم ممکن است در داخل پروتون‌ها حتی در انرژی‌های کم به شکلی پایدارتر و عمیق‌تر وجود داشته باشند.
در کنار درکی که فیزیکدانان از ساختار کوارکی پروتون دارند، مطالعات جدید نشان می‌دهد که در کنار کوارک‌های بالا و پایین، کوارک افسون هم به شکلی پایدار و عمیق در ساختار پروتون وجود دارد!
همانطور که می‌دانید در فیزیک کوانتومی، ذرات تا زمانی که اندازه گیری نشوند، حالت مشخصی ندارند و تنها با احتمالات توصیف می‌شوند. با توجه به همین اصل هم فیزیکدانان اذعان دارند که اگر پروتون‌ها در ساختار خود، کوارک افسون داشته باشند، یک احتمال کم به منظور وجود یک جفت کوارک – آنتی‌کوارک افسون در کنار دو کوارک بالا و یک پایین در ساختار این ذره‌ها وجود دارد. البته از آنجایی که پروتون‌ها مجموعه‌ای از ذرات منفرد نیستند و جرم آن‌ها از جمع ساده‌ی جرم ذرات درون آن به دست نمی‌آید، جرم کوارک افسون و آنتی کوارک آن به وزن پروتون اضافه نمی‌شود؛ بنابراین می‌توان درکی از چگونگی وجود ذراتی سنگین‌تر از پروتون در درون خود پروتون داشت!
ساختار ماده
پروتون‌ها بخش بزرگی از ماده مرئی جهان را تشکیل می‌دهند و نقش اساسی در شکل‌گیری ساختار هسته‌ی اتم‌ها دارند. اما جالب است بدانید که پس از سال‌ها مطالعه هنوز شناخت ما از این ذره کامل نشده است و آن‌ها می‌توانند در هر زمان ما را شگفت‌زده کنند!
ساختار هسته
همه‌ی اتم‌ها از پروتون (قرمز)، نوترون (آبی) و ابری از الکترون که آن را احاطه کرده، تشکیل شده‌اند. تعداد پروتون‌ها تعیین‌کننده‌ی نوع عنصر است.
نگاهی عمیق‌تر (ساختار پروتون)
پروتون‌ها از دو کوارک بالا «up» و یک کوارک پایین «down» تشکیل شده‌اند در حالی که نوترون‌ها از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا ساخته شده‌اند!
نگاهی عمیق‌تر از عمیق
پروتون‌ها و نوترون‌ها چیزی بیشتر از ساختارهای ساده هستند و جفت‌های کوارک-آنتی‌کوارک به طور مداوم در اطراف سه کوارک پایدار آن‌ها به وجود می‌آید و نابود می‌شود! گلوئون‌ها (زرد) از طریق نیروی هسته‌ای قوی، کوارک‌ها را در کنار هم نگه می‌دارند. از طرفی جالب است بدانید که کوارک‌ها دارای ویژگی‌ای به نام بار رنگی «color charge» هستند (در اینجا به صورت قرمز، سبز و آبی نشان داده شده است) که وابسته به نیروی قوی هسته‌ای است.
چگونه وجود یکسری ذرات در دل دیگر ذرات اثبات می‌شود؟
در همین راستا فیزیکدانان با استفاده از هزاران اندازه‌گیری مختلف در آزمایشگاه LHC و سایر شتاب‌دهنده‌های ذرات همراه با محاسبات نظری به این نتیجه رسیدند که کوارک افسون در درون پروتون با عدم قطعیتی برابر با ۳ سیگما وجود دارد، همچنین گزارش‌ها نشان می‌دهد که کوارک‌های افسون حدود ۰.۶ درصد از تکانه‌ی پروتون را حمل می‌کند. البته باید در نظر داشته باشید که معمولا به دست آوردن عدم قطعیت ۵ سیگما برای ارائه‌ی یک نتیجه به شکل قطعی مورد نیاز است. و تا به اینجا این مقدار در عدم قطعیت دیده نشده است!
به منظور درک بهتر آنالیز آماری مطرح شده در این بخش، بهتر است بدانید که از آنجایی که در دنیای فیزیک ذرات، فرآیندهای مختلف ذاتا احتمالاتی هستند و از طرفی تنها می‌توان به تعدادی متناهی از داده‌ها نگاه کرد، طبیعی است که از مقدار ایدئال انحراف داشته باشیم. در دنیای علم و آمار این انحراف را با حرف یونانی سیگما نشان می‌دهند و نشان دهنده‌ی احتمال به دست آوردن نتیجه‌ی واقعی است.
به طور کلی سیگمای بزرگتر برابر با نتایجی هر چه بیشتر نامحتمل است که برای ما شگفت‌آور خواهد بود! چراکه اگر سکه‌ای با انصاف را یکصد بار بالا بیاندازید، انتظار ما این است که احتمال شیر یا خط آمدن حدودا ۵۰ درصد باشد و اگر در بین ۴۵ تا ۵۵ مورد خط بیایید، می‌توان انحراف حدودا ۱ سیگما را نتیجه گرفت که چندان عجیب نیست! اما اگر در ۷۵ بار پرتاب، خط بیایید، متوجه خواهیم شد که سکه با انصاف نیست و احتمالا دست غیبی در این قضیه دخیل است؛ در چنین حالتی با نتیجه‌ی ۵ سیگما رو به رو می‌شویم!
سخن آخر
در کنار این شواهد لازم به تاکید است که داده‌ها و تحلیل‌ها هنوز به اندازه‌ی کافی برای ادعای وجود کوارک‌های افسون در پروتون‌ها کافی نیست؛ هر چند مقدار آماری ۳ سیگما بسیار قابل‌توجه است! علاوه بر این، تعریف کوارک‌های افسون چندان سَر راست نیست و مقایسه‌ی یافته‌های جدید با نتایج قبلی گروه‌های مختلف را مختل می‌کند. به این معنی که طی مطالعات قبلی، محدودیت‌های مختلفی برای کوارک افسون با توجه به تعریف آن ارائه شده است که با نتایج حاصل چندان در توافق نیست! بنابراین نیاز است تا دانشمندان با تلاش‌های بیشتری پروتون‌ها را به هم بکوبند تا راز این ذره‌ی آشنا و در عین حال مرموز را کشف کنند!
منابع اصلی:
The NNPDF Collaboration. Evidence for intrinsic charm quarks in the proton. Nature. Vol. 608, August 18, 2022, p. 483. doi: 10.1038/s41586-022-04998-2.
LHCb Collaboration. Study of Z bosons produced in association with charm in the forward region. Physical Review Letters. Vol. 128, February 25, 2022, p. 082001. doi: 10.1103/PhysRevLett.128.082001.
منبع: Science News
مطلب مفید و جالبی بود مرسی