اثبات نظریه انیشتین؛ تعریف جدید از قوانین فیزیک حاکم بر کیهان

تینا مزدکی_ دانشمندان در اولین آزمایش که در قدرتمندترین شتاب دهنده ذرات جهان LHC یا همان برخورددهنده هادرونی بزرگ (Large Hadron Collider)‏ انجام دادند تلاش کردند تا متوجه شوند که آیا کوارک سر (Top-Quark) همیشه از نظریه ۱۹۰۵ انیشتین معروف به نسبیت خاص پیروی می کند یا نه. کوارک ها سنگین ترین ذرات بنیادیی جهان هستند که از هیچ ذره کوچکتر دیگری تشکیل نشده اند.

تیمی که بر روی آﺷﮑﺎرﺳﺎز CMS یا (Compact Muon Solenoid)  کار می کردند می خواستند متوجه شوند که  آیا تقارن لورنتس (Lorentz symmetry) یکی از قوانینی که نسبیت خاص بر اساس آن تعریف شده است همیشه در مورد کوارک ها صدق می کند یا نه. تقارن لورنتس بیان می کند که نتیجه یک آزمایش به سرعت و جهت حرکت آزمایشگاه وابسته نیست. اما در برخی نظریه ها هم گفته شده بود که در سطوح انرژی بسیار بالا نسبیت خاص در نتیجه ی نقض لورنتس یا به نوعی شکسته شدن همان تقارن لورنتس از بین می رود.

بنابراین قوانین فیزیک می تواند از نظر برخی افراد با چارچوب مراجع مختلف متفاوت باشد؛ این یعنی مشاهدات تجربی به جهت گیری آزمایش در فضا-زمان (اتحاد چهار بعدی فضا و زمان) بستگی دارد که منجر به تغییر بسیاری از نظریه های معروف ما در مورد کیهان می شود از جمله مدل استاندارد فیزیک ذرات که بر پایه نسبیت خاص انیشتین استوار است.

بقایای شکست تقارن لورنتس می تواند در سطوح انرژی پایین تر مانند انرژی های LHC قابل مشاهده باشد اما علیرغم تلاش های قبلی محققان این بار در LHC یا سایر برخورددهنده ها متوجه بقایای آن نشدند. بنابراین با استفاده از جفت هایی از کوارک سر به جستجوی چنین بقایایی از شکست تقارن لورنتس پرداختند.

کوارک شبانه روزی!

کوارک ها در مدل استاندارد فیزیک ذراتی هستند که به یکدیگر متصل می شوند و ذراتی مانند پروتون و نوترون را تشکیل می دهند. شش نوع کوارک با جرم فزاینده وجود دارد که شامل کوارک بالا (Up-Quark) کوارک پایین (Down-Quark) کوارک افسون (Charm-Quark) کوارک شگفت (Strange-Quark) کوارک سر (Top-Quark) و کوارک ته (Bottom-Quark) می شود؛ سنگین ترین آن ها کوارک بالایی است که جرمی برابر با اتم طلا دارد (حدود ۱۷۳ گیگا الکترون ولت).

محقققان می گویند اگر برخورد بین پروتون های شتاب گرفته به سرعت های نزدیک به نور در LHC به جهت گیری بستگی دارد آن گاه سرعت جفت های کوارک بالا که توسط چنین رویدادهایی تولید می شوند باید با زمان تغییر کند.

دلیل آن این است که با چرخش زمین جهت پرتوهای پروتون تولید شده برای برخورد ذرات در شتاب دهنده قدرتمند ذرات تغییر می کند. بنابراین جهت کوارک های بالایی ایجاد شده توسط چنین برخوردهایی نیز باید تغییر کند. این بدان معناست که تعداد کوارک های ایجاد شده باید به زمانی از روز بستگی داشته باشد که برخوردها اتفاق می افتد!

بنابراین اگر جهت ترجیحی در فضا-زمان و نشانه هایی از شکست تقارن لورنتس وجود داشته باشد باید انحراف از نرخ ثابت تولید جفت کوارک بالا در LHC وجود داشته باشد که وابسته به زمان روز انجام آزمایش است. با استفاده از داده های اجرای آزمایش دوم LHC که بین سال های ۲۰۱۵ و ۲۰۱۸ انجام شد محققان آشکارساز CMS چنین انحرافی را پیدا نکردند در واقع محققان هیچ نشانه ای از شکست تقارن لورنتس پیدا نکردند و هیچ شواهدی از کوارک های بالا که با نظریه اینشتین مخالفت کنند هم دیده نشد؛ حال دیگر مهم نیست که پرتوهای پروتون به چه سمتی جهت گیری کرده باشند یا در چه زمانی از روز برخورد رخ داده باشد.

بنابراین نظریه نسبیت اینشتین در تمام ساعات شبانه روز صدق می کند حداقل در حال حاضر نتیجه آزمایش ها چنین چیزی را ثابت کرده است. 

سومین و قدرتمندتر عملیات اجرایی LHC ارتقا یافته در سال ۲۰۲۲ آغاز شد و قرار است سال آینده به پایان برسد و تیم محققان به دنبال نشانه هایی از شکست تقارن لورنتس در برخوردهای پرانرژی پروتون و پروتون خواهند بود. به گفته تیمی که بر روی آﺷﮑﺎرﺳﺎز CMS  کار می کنند نتایج راه را برای جستجوهای آینده برای شکست تقارن لورنتس بر اساس داده های کوارک بالا از اجرای آزمایش سوم LHC هموار می کند. همچنین راه را برای بررسی دقیق فرآیندهای مربوط به سایر ذرات سنگین که فقط در LHC قابل بررسی هستند مانند بوزون هیگز (Higgs boson) یا همان «ذره خدا» و بوزون های دبلیو و زد (W and Z bosons) باز می کنند.

منبع: space

۸۵۳۲۳