سیگنالی آنقدر عجیب که نمی‌توان آن را نادیده گرفت؛ احتمال شناسایی نوع جدیدی از ماده!

نشانه‌های شگفت‌انگیز از سرن، از نوعی ماده‌ی دیده نشده خبر می‌دهند، ماده‌ای که می‌تواند کوچک‌ترین خوشه از ذرات باشد که تاکنون شناسایی شده است. به نظر می‌رسد کوارک‌های تاپ، که معمولاً عمر بسیار کوتاهی برای جفت شدن دارند، ممکن است به‌طور موقت به یک شیء مرموز به نام توپونیوم پیوند خورده باشند. این مشاهده‌ی غیرمنتظره، فرضیات مربوط به رفتار ذرات در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) را به چالش می‌کشد و می‌تواند نحوه‌ی کاوش فیزیکدانان در مرزهای کوانتومی را تغییر دهد!

مشاهده رفتار غیرمنتظره ذرات!

پژوهشگران همکاری CMS در سرن، یک ویژگی غیرمنتظره در داده‌های به دست آمده از برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) شناسایی کرده‌اند که می‌تواند به نوع جدیدی از ذرات اشاره داشته باشد – احتمالاً کوچک‌ترین ذره مرکبی که تاکنون مشاهده شده است.

این یافته که هفته گذشته در کنفرانس رنکونتر دو موریوند در ایتالیا ارائه شد، نشان می‌دهد که کوارک‌های تاپ – سنگین‌ترین و کوتاه‌عمرترین ذرات بنیادی شناخته شده – ممکن است به طور موقت یک حالت پیوندی با پادذرات خود تشکیل داده باشند. این جفت‌شدگی کوتاه مدت، معروف به توپونیوم، مدت‌هاست که مشاهده آن در LHC بسیار دشوار تلقی می‌شده است. در حالی‌که داده‌ها به وجود احتمالی آن اشاره می‌کنند، توضیحات دیگری نیز مطرح است و تأیید آن نیازمند تجزیه و تحلیل بیشتر از سوی آزمایش بزرگ دیگر LHC، یعنی ATLAS، خواهد بود.

جستجو برای فیزیک جدید در داده‌های کوارک تاپ

در LHC، برخورد پروتون‌های پرانرژی به‌طور منظم جفت‌های کوارک تاپ و پادذرات آن‌ها (به اصطلاح جفت‌های tt-بار) تولید می‌کند. اندازه‌گیری میزان وقوع این اتفاق – کمیتی که به عنوان سطح مقطع شناخته می‌شود – یک آزمایش حیاتی برای مدل استاندارد، نظریه جاافتاده اما ناقص فیزیک ذرات، است. این اندازه‌گیری‌ها همچنین دریچه‌ای به جستجو برای ذرات ناشناخته‌ای ارائه می‌دهند که ممکن است فراتر از مدل استاندارد قرار داشته باشند. بسیاری از سؤالات باز در فیزیک، از جمله معمای ماده تاریک، انگیزه‌ای برای جستجوی ذرات جدید هستند که ممکن است برای ظاهر شدن در آزمایش‌های گذشته بیش از حد سنگین بوده باشند.

یک سیگنال شگفت‌انگیز در حین جستجو برای بوزون هیگز

پژوهشگران CMS در حال تجزیه و تحلیل نمونه بزرگی از داده‌های تولید tt-بار جمع‌آوری شده در سال‌های 2016-2018 برای جستجوی انواع جدیدی از بوزون‌های هیگز بودند که با چیز غیرمعمولی روبه‌رو شدند. ذرات شبه-هیگز اضافی در بسیاری از گسترش‌های مدل استاندارد پیش‌بینی شده‌اند. اگر چنین ذراتی وجود داشته باشند، انتظار می‌رود که قوی‌ترین برهمکنش را با کوارک تاپ منحصربه‌فرد سنگین داشته باشند، که وزن آن 184 برابر جرم پروتون است. و اگر آن‌ها به اندازه‌ای سنگین باشند که به یک جفت کوارک-پادکوارک تاپ واپاشی کنند، این باید روش غالب واپاشی آن‌ها در داخل آشکارسازها باشد، به طوری که دو کوارک سنگین به “جت”هایی از ذرات شکسته می‌شوند.

یک مازاد مرموز در آستانه انرژی

بنابراین، مشاهده تعداد بیشتری از جفت‌های تاپ-پادتاپ نسبت به انتظار، اغلب به عنوان نشانه‌ای قوی برای وجود بوزون‌های شبه-هیگز اضافی در نظر گرفته می‌شود. داده‌های CMS چنین مازادی را نشان داد. با این حال، به‌طور شگفت‌انگیز، این همکاری، مازاد جفت‌های کوارک تاپ را در حداقل انرژی مورد نیاز برای تولید یک جفت کوارک تاپ مشاهده کرد. این امر تیم را به در نظر گرفتن یک فرضیه جایگزین سوق داد که مدت‌هاست تشخیص آن دشوار تلقی می‌شد: یک اتحاد کوتاه مدت بین یک کوارک تاپ و یک پادکوارک تاپ، یا توپونیوم.

محاسبات کوانتومی امکان وجود توپونیوم را تأیید می‌کنند

در حالی‌که جفت‌های tt-بار حالت‌های پیوندی پایدار تشکیل نمی‌دهند، محاسبات در کرومودینامیک کوانتومی – که چگونگی پیوند خوردن کوارک‌ها به هادرون‌ها توسط نیروی هسته‌ای قوی را توصیف می‌کند – افزایش حالت پیوندی را در آستانه تولید tt-بار پیش‌بینی می‌کنند. اگرچه توضیحات دیگر – از جمله یک بوزون بنیادی مانند آنچه در مدل‌های دارای بوزون‌های هیگز اضافی ظاهر می‌شود – قابل رد نیستند، اما سطح مقطعی که CMS برای یک فرضیه ساده‌شده تولید توپونیوم به دست می‌آورد، 8.8 پیکوبارن با عدم قطعیت حدود 15٪ است. این مقدار از سطح اطمینان “پنج سیگما” مورد نیاز برای ادعای یک مشاهده در فیزیک ذرات می‌گذرد و احتمال اینکه این مازاد صرفاً یک نوسان آماری باشد را بسیار کم می‌کند.

آیا توپونیوم می‌تواند معمای کوارکونیوم را کامل کند؟

اگر این نتیجه تأیید شود، توپونیوم آخرین نمونه از کوارکونیوم خواهد بود – اصطلاحی برای حالت‌های ناپایدار کوارک-پادکوارک که از جفت شدن کوارک‌های سنگین‌تر چارم، باتم و شاید تاپ تشکیل شده‌اند. چارمونیوم (چارم-پادچارم) به طور همزمان در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده استنفورد در کالیفرنیا و آزمایشگاه ملی بروکهیون در نیویورک در انقلاب نوامبر فیزیک ذرات در سال 1974 کشف شد. باتمونیوم (باتم-پادباتم) در آزمایشگاه ملی فرمی در ایلینوی در سال 1977 کشف شد. اندازه چارمونیوم و باتمونیوم به ترتیب تقریباً 0.6 و 0.4 فمتومتر است، جایی که یک فمتومتر یک میلیونیم نانومتر است. تصور می‌شود که باتمونیوم کوچک‌ترین هادرون کشف شده تاکنون باشد. با توجه به جرم بیشتر آن، انتظار می‌رود توپونیوم بسیار کوچکتر باشد – و آن را به عنوان کوچک‌ترین هادرون شناخته شده واجد شرایط می‌کند.

چرا تصور می‌شد تشخیص توپونیوم غیرممکن است؟

مدت‌ها تصور می‌شد که تشخیص حالت‌های پیوندی توپونیوم در برخوردهای هادرون-هادرون بعید است. کوارک تاپ در زمانی که نور فقط 0.1 فمتومتر را طی می‌کند – کسری از اندازه خود ذره – به یک کوارک باتم و یک بوزون W واپاشی می‌کند. بنابراین، توپونیوم در میان کوارکونیا منحصر به فرد خواهد بود زیرا واپاشی آن ناشی از تجزیه خود به خودی یکی از کوارک‌های سازنده آن خواهد بود، نه از نابودی متقابل اجزای ماده و پادماده آن.

اقدامات بعدی: تحقیقات CMS و ATLAS ادامه دارد!

CMS و ATLAS اکنون با همکاری نزدیک در حال مطالعه این اثر هستند که همچنان یک سوال علمی باز باقی مانده است.

منبع: Scitechdaily