کشف شواهدی از "ذرات ایکس" از لحظه تولد جهان هستی

به گزارش مجله خبری نگار، به نقل از سایتک دیلی، تنها یک میلیونم ثانیه پس از انفجار بزرگ یا مه‌بانگ (Big Bang)، همه چیز در جهانِ فیزیکیِ شناخته شده به حرکت درآمد. قبل از آن، کیهان مملو از پلاسمای تریلیون درجه‌ای متشکل از کوارک‌ها و گلوئون‌ها بود که ذرات بنیادی هستند که فقط برای دوره‌های نسبتاً کوتاهی قبل از سرد شدن و تبدیل شدن به ذرات پایدارتر وجود داشتند.

نوترون‌ها و پروتون‌هایی که ماده متعارف امروزی ما را تشکیل می‌دهند، از این ذرات به وجود آمدند. اما قبل از سرد شدن، بخش کوچکی از این گلوئون‌ها و کوارک‌ها به طور تصادفی با هم برخورد کردند و ذرات "ایکس" (X) را تشکیل دادند که دوام زیادی نداشتند.

"کوارک" (Quark) یک ذره بنیادی و یکی از اجزای پایه‌ای تشکیل‌دهنده ماده است. کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام "هادرون" را پدید آورند که پایدارترین آن‌ها پروتون و نوترون، اجزای تشکیل‌دهنده هسته اتم هستند. به دلیل پدیده‌ای که به "حبس رنگ" معروف است، کوارک‌ها هیچ‌گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند و مستقیماً قابل مشاهده نیستند، آن‌ها را فقط می‌توان درون هادرون‌هایی مانند باریون‌ها که نمونه‌های آن‌ها پروتون و نوترون هستند و مزون‌ها یافت. به همین دلیل بیشتر دانش ما از کوارک‌ها از مشاهدات خود هادرون‌ها نتیجه‌گیری شده است.

کوارک‌ها ویژگی‌های ذاتی گوناگونی دارند که بار الکتریکی، بار رنگ، اسپین و جرم از جمله این ویژگی‌ها هستند. کوارک تنها ذره بنیادی از مدل استاندارد فیزیک ذرات است که هر چهار برهمکنش بنیادی را تجربه می‌کند. به این برهمکنش‌ها نیرو‌های بنیادی (الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف، گرانش) نیز گفته می‌شود. همچنین کوارک تنها ذره‌ای است که بار الکتریکی آن مضرب صحیحی از بار بنیادی نیست. شش گونه مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به هر یک از آن‌ها یک مزه یا چاشنی می‌گویند.

"گلوئون" (Gluon) نیز ذره‌ای است که بین کوارک‌ها مبادله می‌شود تا آن‌ها را به هم پیوند دهد. به این ترتیب گلوئون‌ها به طور غیرمستقیم مسئولیت جاذبه بین پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته اتم را به عهده می‌گیرند. گلوئون از کلمه "glue " به معنای چسب گرفته شده است. به عنوان مثال اگر یک پروتون متحرک باشد، نیمی از تکانه آن توسط سه کوارک آن تأمین می‌شود و نیمی دیگر از آن توسط تعداد زیادی گلوئون تأمین می‌شود.

طبق مطالعه تازه منتشر شده در مجله Physical Review Letters، دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) که با "سرن" همکاری می‌کنند، با وجود نادر بودن ساختار‌های این ذرات مرموز و ناشناخته، شواهدی از ذرات X در پلاسمای کوارک-گلوئون تولید شده توسط برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) پیدا کرده‌اند.

"پلاسمای کوارک-گلوئون" (quark–gluon plasma) یا سوپ کوارک یک فاز در کرومودینامیک کوانتومی است که در دما یا چگالی‌های بسیار بالا رخ می‌دهد. در این فاز، ماده تقریباً فقط کوارک و گلوئون آزاد است که هر دو از بنیادی‌ترین ذرات سازنده ماده هستند. دانشمندان فیزیک ذرات بر این عقیده‌اند که این پلاسما در اولین میکروثانیه‌های پس از مه‌بانگ وجود داشته است و بررسی خواص این پلاسما کمک بزرگی به درک چگونگی آغاز جهان می‌کند.

"ین-جی لی" نویسنده اصلی این مطالعه از MIT در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: این فقط شروع ماجرا است. مهم‌تر از همه اینکه می‌تواند اولین فرصتی باشد که دانشمندان برای بررسی دقیق ذرات X با جزئیات دقیق دارند که تصویر بهتری از انفجار بزرگ ایجاد می‌کند.

ذرات X نادر هستند، زیرا ما هر روز با یک مه‌بانگ مواجه نیستیم. اما فیزیکدانان گمان می‌کنند که آن‌ها درون شتاب‌دهنده‌های ذرات از طریق فرآیندی به نام ادغام کوارک که برخورد‌های پرانرژی منجر به جرقه‌هایی از پلاسما می‌شود که ممکن است شرایط آشفته و خام جهان جوان را شبیه‌سازی کند، ظاهر می‌شوند.

اکنون فیزیکدانان MIT در آزمایشگاه علوم هسته‌ای این موسسه و آزمایشگاه‌های دیگر، شواهدی را کشف کرده‌اند که نشان می‌دهد ذرات X می‌توانند در برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن واقع در ژنو سوئیس تولید شوند.

این کشف از طریق تکنیک‌های وابسته به یادگیری ماشینی انجام شد که فیزیکدانان را قادر ساخت تا بیش از ۱۳ میلیارد برخورد یون سنگین را تجزیه و تحلیل کنند که همه آن‌ها ده‌ها هزار ذره باردار را ایجاد کردند و محققان با بررسی این ترکیب فوق متراکم و پرانرژی، تقریباً ۱۰۰ ذره X به ویژه نوع ۳۸۷۲ را که بر اساس جرم تخمینی ذره نام‌گذاری شده‌اند، شناسایی کردند.

این اولین باری است که دانشمندان با موفقیت ذرات X را در این پلاسمای کوارک-گلوئون به روشی شناسایی کردند که دانشمندان فکر می‌کنند ممکن است ساختار مرموز آن‌ها را آشکار کند.

"لی" می‌گوید: ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم یک نشانه پیدا کنیم. در چند سال آینده می‌خواهیم از پلاسمای کوارک-گلوئون برای بررسی ساختار درونی ذره X استفاده کنیم که می‌تواند دیدگاه ما را در مورد نوع ماده‌ای که جهان می‌بایست تولید کرده باشد، تغییر دهد.

بشر مدت‌هاست که می‌داند نوترون‌ها و پروتون‌ها بلوک‌های ساختمانی اصلی اتم‌ها و ماده هستند، اما این‌ها به نوبه خود از سه کوارک تشکیل شده‌اند که بسیار محکم به هم چسبیده‌اند. "لی" می‌گوید: سال‌ها فکر می‌کردیم که طبیعت بنا به دلایلی، انتخاب کرده است تا ذرات ساخته شده از دو یا سه کوارک را تولید کند. از آنجایی که ذره X از نوع ۳۸۷۲ در سال ۲۰۰۳ طی یک آزمایش در ژاپن کشف شد، دانشمندان حدس می‌زنند که این ذره یک تتراکوارک فشرده یا یک نوع کاملاً جدید از مولکول است که به جای اتم‌ها از مزون‌ها به وجود می‌آید که از دو کوارک تشکیل شده است.

وی افزود: در حال حاضر داده‌های ما با هر دو سازگار است و چند سال مطالعه بیشتر برای تمایز بین هر دو سناریو و گسترش دیدگاه ما در مورد انواع ذراتی که در کیهان اولیه به وفور تولید شده‌اند، مورد نیاز است.

نظریه مه‌بانگ یا بیگ‌بنگ معتبرترین مدل میان مدل‌های کنونی کیهان‌شناسی شامل دریای سیاه‌چاله، جهان‌های متناوب و جهان از هم گسسته است که وجود جهان قابل مشاهده را از ابتدایی‌ترین دوران شناخته شده در سراسر دوره تکامل آن توضیح می‌دهد. این مدل توصیف می‌کند که چگونه جهان از یک وضعیت نخستین با دما و چگالی بسیار زیاد در گذر زمان انبساط یافته است و برای طیف گسترده‌ای از پدیده‌های مشاهده شده از جمله فراوانی عناصر سبک، تابش زمینه کیهانی و ساختار بزرگ مقیاس، توضیح جامعی ارائه می‌دهد.

مهم‌تر از همه این پدیده‌ها، سازگاری این نظریه با "قانون هابل-لومتر" است که می‌گوید هرچه کهکشان‌ها از زمین دورتر باشند، سرعت دور شدن آن‌ها از زمین نیز بیشتر است. با برون‌یابی انبساط جهان به سمت عقب در طول زمان و با استفاده از قوانین شناخته شده فیزیک، جهان متراکم‌تر و متراکم‌تر می‌شود تا به یک نقطه تکینگی می‌رسیم که در آن زمان و فضا معنی خود را از دست می‌دهند. این نقطه با نام "تکینگی مه‌بانگ" شناخته می‌شود. اندازه‌گیری‌های جزئی نرخ انبساط جهان، این نقطه تکینگی را حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش نشان می‌دهد که می‌توان این رقم را سن جهان در نظر گرفت.

پس از انبساط اولیه، جهان به اندازه کافی سرد شد که امکان پیدایش ذرات زیراتمی و بعد‌ها اتم‌های ساده پدید آید. به هم پیوستن ابر‌های غول‌پیکر از عناصر اولیه (بیشتر از همه هیدروژن به همراه مقداری هلیم و لیتیم) بر اثر نیروی گرانش، باعث پیدایش ستارگان و کهکشان‌ها شد. در کنار این عناصر سازنده نخستین، اخترشناسان آثار گرانشی مربوط به یک ماده تاریک ناشناخته که کهکشان‌ها را احاطه کرده را نیز مشاهده نموده‌اند. به نظر می‌رسد که بیشتر پتانسیل گرانشی جهان در این شکل باشد و نظریه مه‌بانگ و سایر مشاهدات مختلف دلالت بر این دارند که این پتانسیل گرانشی اضافی از ماده باریونی (مثل اتم‌های عادی) ناشی نمی‌شود. اندازه‌گیری پدیده انتقال به سرخ نشان داد که انبساط جهان، شتاب‌دار است و شتاب‌دار بودن آن نیز به وجود انرژی تاریک مربوط می‌شود.

سرن (CERN) یا سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای (بزرگ‌ترین آزمایشگاه فیزیک ذره‌ای جهان است که در سال ۱۹۵۴ در بخش شمال‌شرقی شهر ژنو در کشور سوییس در مجاورت مرز فرانسه ایجاد شد. اکنون بیست کشور اروپایی عضو این سازمان بوده و بیش از ۲٬۶۰۰ کارمند به طور تمام وقت و همچنین در حدود ۷٬۹۳۱ دانشمند و مهندس (به نمایندگی از ۵۸۰ دانشگاه و مؤسسهٔ پژوهشی از ۸۰ کشور جهان) در آن مشغول به کار هستند.

فعالیت اصلی "سرن" تهیه و ارائه شتاب‌دهنده ذرات و دیگر زیربنا‌ها و ابزار‌هایی است که برای پژوهش‌های فیزیکی در انرژی‌های بالا استفاده می‌شوند. چهار آشکار ساز بزرگِ سرن، حاصل همکاری‌های بین‌المللی هستند. مقر اصلی این سازمان واقع در "میرن" یکی از شهر‌های تابع ژنو، شامل یک مرکز رایانه‌ای نیز هست. این مرکز دارای امکانات پردازشی قدرتمندی است و به شکل ویژه‌ای برای بررسی داده‌های حاصل از آزمایش‌ها ساخته شده است.

سرن به عنوان یک تأسیسات جهانی، نه تحت حوزه قضایی و حکومتی دولت سوییس و نه تحت نظارت دولت فرانسه اداره می‌شود.

این آزمایشگاه به شکل دایره است و قطر این دایره حدود ۶۰ کیلومتر است.

برخورددهنده هادرونی بزرگ یک شتاب‌دهنده ذره‌ای و برخورددهنده مستقر در سازمان تحقیقاتی سرن است. این پروژه در تاریخ ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ میلادی (۲۰ شهریور ۱۳۸) پس از ۲۰ سال آماده‌سازی، آغاز به کار کرد. هدف از ساختن آن شناخت اجرام ماده در حد فاصل ۱۰ به توان منفی ۲۳ سانتی‌متر، آزمون مدل استاندارد ذرات، کشف اجزای یافت‌نشده مدل استاندارد، آزمون نظریه ابرتقارن و نظریه وحدت بزرگ است. از دیگر اهداف مهم این پروژه، کشف و بررسی ذره بنیادی "هیگز" است. ذره هیگز یا بوزون-هیگز در ایجاد جرم در ذرات بنیادی دخیل است. در این آزمایشگاه، پروتون‌ها در یک تونل ۲۷ کیلومتری شتاب گرفته و به اندازه ۱۴ تریلیون الکترون‌ولت انرژی می‌گیرند و با هم برخورد می‌کنند تا این برخورد، ردی از بوزون-هیگز را نشان دهد.

این شتاب‌دهنده در تاریخ ۱۰ سپتامبر ۲۰۰۸ راه‌اندازی شد، ولی ۹ روز بعد به علت نقص فنی و بالا رفتن دمای آهن‌ربا‌های ابر رسانا که باید در دما‌های پایین کار کنند، متوقّف شد. این شتاب‌دهنده بعد از ۱۴ ماه وقفه در تاریخ ۲۱ نوامبر ۲۰۰۹ مجددا راه‌اندازی شد.

مرکز کنترل سرن هرگونه کنترل و سازماندهی اساسی را بر روی این شتاب‌دهنده انجام می‌دهد. در برخورد دهنده بزرگ هادرونی تونل‌ها طوری طراحی و برنامه‌ریزی شده‌اند که در سراسر مسیرِ حلقه‌ای شکل، چهار برخورد برای پروتون‌ها صورت می‌گیرد که این نقاط، محل قرارگیری آزمایش‌ها هستند.