یک ذره بنیادی شگفتی دانشمندان را برانگیخت - مینی ست

در فیزیک ذرات بنیادی، عمر داده ها بیشتر از آشکارسازهایی است که آن ها را فراوری می نمایند. یک دهه پیش، آشکارساز 4100 تُنی برخورد ذرات آزمایشگاه فرمی (CDF) به انتها عمر خود رسید و با خاموش شدن، قطعات آن برای استفاده در آزمایش های دیگر از هم جدا شدند. اکنون یک تجزیه وتحلیل تازه از داده های قدیمی CDF، تفاوت چشمگیری را در جرم یک ذره بنیادی، بوزون W کشف نموده است که می تواند راه را برای ذرات و برهم کنش های تازه و هنوز کشف نشده باز کند.

بوزون دبلیو (Boson W) ذره ای بسیار سنگین است و حدود 80 برابر یک پروتون وزن دارد. نکته مهم این است که بوزون W مسؤول اشکال خاصی از واپاشی رادیواکتیو است و به نوترون ها امکان می دهد تا به پروتون تبدیل شوند. چون جرم آن به وسیله بسیاری از ذرات و پارامترهای دیگر در مدل استاندارد (نظریه فیزیکدانان درباره ذرات بنیادی و شیوه رفتار آن ها) محدود شده است (و خودش آن را محدود می نماید)، بوزن W به هدفی برای پژوهشگرانی تبدیل شده است که در پی شناسایی نقاط شکست برترین نظریه ها هستند.

اگرچه فیزیکدانان مدت هاست که جرم تقریبی بوزون W را می دانند، اما هنوز از آن به طور دقیق آگاهی ندارند. با این وجود، پیوند دادن داده ها به چارچوب مدل استاندارد، پیش بینی می نماید که جرم W باید 80357 مگا-الکترون-ولت (MeV) با خطای مثبت منفی 6MeV باشد. لازم به ذکر است 1 مگا الکترون ولت تقریبا دو برابر انرژی جرمی موجود در یک الکترون است.

اما در تحلیل تازه ای که در نشریه ساینس (Science) منتشر شده است، فیزیکدانان با همکاری CDF جرم ذره بنیادی بوزون W را 80433.5 مگا الکترون ولت با خطای 9.4 مگا الکترون ولت شناسایی کردند. اندازه گیری تازه که دقیق تر از مجموع اندازه گیری های قبلی است، تقریبا 77 مگا الکترون ولت بالاتر از پیش بینی مدل استاندارد است.

اگرچه این عددها تنها حدود یک بخش در 1000 اختلاف دارند، اما عدم قطعیت ها برای هر کدام به اندازه ای 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 به نظر می رسد که حتی بوزون W که به خوبی مطالعه شده است، هنوز رازهای زیادی درباره عملکرد دنیای زیراتمی، یا حداقل درباره چگونگی آنالیز ما، در خود دارد. فیزیکدانان ذرات که غافلگیر شده اند، تازه آغاز به دست وپنجه نرم کردن با پیامدهای این آنالیز تازه نموده اند.

مارتین مولدرز (Martijn Mulders) فیزیکدان تجربی سرن (CERN) در نزدیکی ژنو که تحقیق تازه را از نگاه یک پژوهشگر بیرونی آنالیز نموده است، گفت: هیچ کس انتظار این اختلاف را نداشت و خیلی غیرمنتظره است. تقریبا احساس می کنید که به شما خیانت شده است، زیرا ناگهان آن ها یکی از پایه هایی را که واقعا از کل ساختار فیزیک ذرات پشتیبانی می نماید، از بین می برند.

جست وجو برای کوارک ها

در ابتدا یک اندازه گیری تقریبی از جرم بوزون W در سال 1990 به فیزیکدانان امکان داد تا جرم کوارک بالایی را پنج سال پیش از مشاهده نخستین ذره، با دقت خوبی پیش بینی نمایند. سپس با استفاده از جرم بوزون W و جرم کوارک بالا، پژوهشگران پیش بینی مشابهی را برای بوزون هیگز، که در سال 2012 به طرز شگفت آوری آشکار شد، انجام دادند.

اخیرا فیزیکدانانی که چنین اندازه گیری هایی را انجام می دهند، کمتر روی پالایش نقاط قوت اصلی مدل استاندارد تمرکز نموده اند و بیشتر روی آنالیز شکست های آن متمرکز شده اند. برای نمونه این رویکرد گرانش، ماده تاریک، جرم های نوترینو یا شماری از پدیده های چالش برانگیز دیگر را دربر نمی گیرد.

فیزیکدانان می گویند که آنالیز جاهایی که مدل استاندارد در آن ها نقض می گردد یا با مشاهدات اختلاف دارد، یکی از برترین راه ها برای جست وجوی فیزیک مدرن (واژه فراگیر برای یافتن بلوک های سازنده اضافی و احتمالا بنیادین تر دنیا) است. تا پیش از نتیجه CDF بعضی از نویدبخش ترین اختلافات مدل استاندارد شامل یک ناهنجاری آنالیز شده طی آزمایش میون جی-2 (Muon g-2) در آزمایشگاه فرمی و نتایج حاصل از آزمایش زیبایی برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHCb) برای آنالیز کوارک های زیبایی در سِرن بود.

ناهنجاری های کوچک بسیار زیاد هستند و اغلب نوسانات آماری ناشی از شمار واقعا زیاد رویدادهای زیراتمی فراوری و ثبت شده به وسیله آزمایش های معمولی فیزیک ذرات به شمار می فرایند. در چنین مواردی با جمع آوری حجم بیشتری از داده ها، این ناهنجاری ها از بین می فرایند. اگرچه این ناهنجاری اخیر امیدوارنماینده تر به نظر می رسد، زیرا هم اکنون اطلاعات باکیفیت بسیار زیادی درباره جرم بوزون W وجود دارد و پیش بینی نظری جرم ذره عدم قطعیت بسیار پایینی دارد. و شاید مهم تر 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 داده های آن را تجزیه وتحلیل می کردند تا زمانی که کارشان به انتها رسید، درباره نتایج آن اطلاعی نداشتند. آشوتوش کوتوال (Ashutosh Kotwal) نویسنده مسؤول این مطالعه گفت: زمانی که اندازه اندازه گیری شده CDF برای جرم بوزون W در نوامبر 2020 برای اعضای تیم فاش شد، همه شگفت زده شدند. این عدد واقعا ارزشمند است.

از آن موقع نتایج چندین دور دیگر از آنالیز همتا را پشت سر گذاشته اند اما این تنها تضمین می نماید که فیزیکدانان مأموریت خود را انجام داده اند، نه اینکه فیزیک تازهی شناسایی نموده اند.

استخراج داده ها

برای اندازه گیری جرم یک بوزون W ابتدا باید یک برخورددهنده ذرات بسازیم. تواترون (Tevatron) که از سال 1983 تا 2011 کار می گیرد، یک حلقه 6.3 کیلومتری بود که در آن پروتون هایی با حداکثر دو ترا الکترون ولت (TeV) یعنی تقریبا 25 برابر جرم یک بوزن W، به پادپروتون ها برخورد می کردند. آزمایش CDF قرار گرفته در امتداد حلقه، از سال 2002 تا زمان خاموش شدن تواترون در پی نشانه هایی از بوزون های W در این برخوردها بود.

اما نمی توان یک بوزون W را به سادگی مشاهده کرد. خیلی سریع به ذرات دیگر تجزیه می گردد و در هر آشکارساز ثبت نمی گردد. در عوض، فیزیکدانان باید حضور و خواص آن را با مطالعه آن محصولات فروپاشی، عمدتا الکترون ها و میون ها، استنتاج نمایند. با شمارش دقیق، تیم CDF حدود 4 میلیون رویداد را در داده های آزمایش یافتند که به واپاشی بوزون W نسبت داده می شد. با اندازه گیری انرژی ذخیره شده در آشکارساز CDF به وسیله الکترون ها و میون های آن رویدادها، فیزیکدانان داده ها را به عقب بازگرداندند تا دریابند که بوزون W در ابتدا چقدر انرژی یا جرم داشته است.

کوتوال می گوید که این کار به علت عدم قطعیت های متعدد در داده ها، یک دهه طول کشید. برای رسیدن به سطح بی سابقه ای از دقت، دو برابر دقیق تر از برترین اندازه گیری آزمایشی قبلی از جرم بوزون W، که به وسیله همکاری اطلس (ATLAS) انجام شد، تیم CDF مجموعه داده های خود را چهار برابر کرد و بعلاوه از تکنیک های تازهی استفاده کرد. این روش ها شامل مدل سازی برخوردهای پروتون و پادپروتون و اجرای یک آنالیز تازه و دقیق تر از ویژگی های عملیاتی آشکارساز از کار افتاده حتی با استفاده از داده های 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 نمی گذارد، اختلافات حداقل به بزرگی آنچه مشاهده شده است، همچنان از شانس محض برای هر 800 میلیارد بار انجام آزمایش ناشی می شوند.

حتی در دنیای فیزیک ذرات، که در آن اعداد نجومی معمول هستند، این تقریبا بیش از حد به نظر می رسد: آستانه استاندارد طلایی میدان برای اهمیت آماری، تنها پنج سیگما است، که مربوط به یک اثر معین است که به وسیله تصادف یک بار در هر 3.5 میلیون اجرا، دیده می گردد.

مهم تر از همه، ارزش هفت سیگمای اندازه گیری تازه تیم CDF به این معنی نیست که نتیجه 99.999999999 درصد محتمل است که فیزیک تازهی باشد. حتی به این معنا نیست که اندازه گیری های دیگر جرم W اشتباه است. بلکه یک نتیجه هفت سیگما به این معنی است که هر آنچه که همکاری CDF می بیند، تصادفی نیست. این آغازی برای پژوهش بیشتر است و یک نتیجه گیری محسوب نمی گردد.

کار تشخیصی

برای معین منبع ناهنجاری، تأیید در دیگر آزمایش ها هم احتیاج است. گیوم اونال (Guillaume Unal) هماهنگ نماینده فیزیک ATLAS که در مطالعه تازه شرکت نداشت، گفت: این یک نتیجه بسیار تماشایی و یک اندازه گیری بسیار پیچیده و چالش برانگیز است. البته همچنان بسیار مهم است که واقعا مدل استاندارد را با دقت بالایی آنالیز کنید.

ATLAS هم اکنون روی بهبود اندازه گیری جرم W کار می نماید، و به گفته اونال استفاده از داده های دومین اجرای LHC، که در سال 2018 به انتها رسید، ممکن است به آن ها امکان دهد تا به دقت CDF نزدیک شوند.

در این میان، نظریه پردازان به این نتیجه تازه می پردازند تا توضیحات احتمالی بی شماری را ارائه نمایند. اگرچه LHC بسیاری از جایگشت های اَبَرتقارن (SUSY) یعنی مجموعه ای از نظریه ها که معتقدند ذرات بنیادی همتایان اَبَر ذره دارند، را رد نموده است، یکی از عواملی که می تواند جرم بوزون W را تا این اندازه تغییر دهد، گروهی از ذرات ابر متقارن نسبتا سبک هستند.

مانیمالا چاکرابورتی (Manimala Chakraborti) فیزیکدان نظری مرکز نجوم نیکلاس کوپرنیک آموزشگاه علوم لهستان گفت: البته محدودیت های LHC سخت تر و سخت تر می شوند اما با این حال، می توانید مناطقی از فضای پارامتر مجاز برای وجود اَبَرتقارن پیدا کنید.

در دورانی که برخورددهنده های تازه مطرح شده اند و LHC در حال آماده شدن برای راه اندازی کمپین دیگری از برخوردها پس از تعمیرات اساسی است، اعلام یک ناهنجاری قدر هفت سیگما از یک آزمایش قدیمی که آشکارسازهای آن از بین رفته اند، ممکن است عجیب به نظر برسد. .

اما این همکاری برای ارزیابی و اصلاح نتایج اجرای آزمایش ادامه دارد. کوتوال گفت: کار تشخیصی به خودی خود چیزی است که ما را به حرکت وا می دارد. سرنخ ها 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