فیزیکدانان سرن ذره‌ای جدید یافته‌اند که معمایی ۲۰ ساله را حل می‌کند

فیزیک‌دانان سازمان پژوهش‌های هسته‌ای اروپا (سرن) که روی آزمایش LHCb کار می‌کنند، ذره‌ای مرموز و ناپایدار را شناسایی کرده‌اند که می‌تواند دریچه‌ای نو به سوی درک بهتر جهان هستی بگشاید. این ذره شبیه پروتون با جرم بیشتر و کارکرد اندکی متفاوت است که پژوهشگران برای دهه‌ها در جستجوی آن بوده‌اند.

برای درک اهمیت کشف جدید سرن، باید با دو مفهوم اصلی آشنا شویم: پروتون‌ها و باریون‌ها. پروتون‌ها یکی از اجزای تشکیل‌دهنده هسته اتم‌ها هستند و به همراه نوترون‌ها، بخش عمده جرم اتم را تشکیل می‌دهند. پروتون‌ها و نوترون‌ها نمونه‌هایی از کلاسی از ذرات به نام باریون هستند که هر کدام شامل سه زیرذره‌ی بنیادی به نام کوارک می‌باشند.

کوارک‌ها انواع مختلفی دارند که به آن‌ها «طعم» گفته می‌شود. رایج‌ترین طعم‌ها عبارت‌اند از بالا (Up)، پایین (Down) و افسون (Charm). پروتون‌ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده‌اند. اما باریون‌ها می‌توانند از ترکیب‌های دیگری از این کوارک‌ها نیز ساخته شوند، به خصوص کوارک‌های سنگین‌تر مانند کوارک‌های افسون.

باریون‌هایی که از کوارک‌های سنگین‌تر تشکیل شده‌اند، بسیار ناپایدار هستند و عمر کوتاهی دارند. به همین دلیل، شناسایی آن‌ها بسیار دشوار است. در سال ۲۰۱۷، فیزیک‌دانان موفق به شناسایی ذره‌ای به نام Xicc++ شدند که از دو کوارک افسون و یک کوارک بالا تشکیل شده بود. این ذره فقط یک تریلیونم ثانیه عمر کرد!

به گزارش نیوساینتیست، اکنون فیزیک‌دانان مشغول به‌کار روی آزمایش LHCb در سرن، توانسته‌اند ذره خواهر Xicc++ به نام Xicc+ را شناسایی کنند که به جای یک کوارک بالا، حاوی یک کوارک پایین است؛ بدین معنی که ذره‌ای شبیه به پروتون با جرم کمی بیشتر محسوب می‌شود.

پیش‌بینی می‌شد ذره جدید عمری ۶ برابر کوتاه‌تر از Xicc++ داشته باشد و از همین‌رو، تشخیص آن به‌مراتب دشوارتر بود. تنها پس از ارتقاء آزمایش LHCb برای انجام جستجوهای حساس‌تر ذرات بود که امکان شناسایی آن فراهم شد. این یافته اهمیت آماری بیش از ۷ سیگما دارد؛ معیاری که فیزیک‌دانان برای بیان میزان اطمینانشان از تصادفی‌نبودن نتایج خود استفاده می‌کنند. این مقدار از آستانه ۵ سیگمای مورد نیاز برای ادعای یک کشف جدید، فراتر است.

کریس پارکس، پژوهشگر فیزیک از دانشگاه منچستر انگلستان می‌گوید: «کشف این ذره که از مدت‌ها پیش تحت جستجو قرار داشت، نه‌تنها به خودی خود جالب است، بلکه واقعاً قدرت ارتقاءهای برخورددهنده هادرونی بزرگ را نشان می‌دهد. ما توانستیم چیزی را در یک سال نمونه داده ببینیم که با ۱۰ سال داده از نسل قبلی نمی‌توانستیم ببینیم.»

پارکس افزود شناسایی ذره Xicc+ می‌تواند به ما بیاموزد که نیروی هسته‌ای قوی که نحوه اتصال کوارک‌ها را توصیف می‌کند، چگونه کوارک‌های سنگین‌تر از نمونه‌های موجود در پروتون‌ها و نوترون‌ها را به هم متصل می‌کند. اما این کشف درعین‌حال یک معمای ۲۰ ساله را نیز حل می‌کند.

در سال ۲۰۰۲، فیزیک‌دانانی که در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی در ایلینوی آمریکا روی آزمایش SELEX کار می‌کردند، ادعای کشف ذره‌ای تازه را مطرح کردند که شباهت زیادی به Xicc+ دارد؛ اما جرم آن بسیار کمتر از حد پیش‌بینی‌شده بود و با سطح اطمینان فقط ۴٫۷ سیگما شناسایی شد.

اکنون، با کشف دقیق‌تر Xicc+ در آزمایش LHCb، مشخص شده است که جرم این ذره با اندازه‌گیری‌های آزمایش SEREX متفاوت است و با جرم ذره خواهرش، یعنی (Xicc++) مطابقت دارد. سطح اطمینان بالا در مورد کشف جدید، به بحث دیرینه پیرامون جرم این ذره به‌طور کامل پایان می‌دهد.

خوان روخو از دانشگاه آزاد آمستردام در هلند می‌گوید: «این یک اندازه‌گیری بسیار جالب است، اما مشخص نیست چه چیزی از آن یاد می‌گیریم.» او می‌افزاید: «هیچ قانونی در کرومودینامیک کوانتومی وجود ندارد که مانع از وجود این هادرون شود؛ اما اکنون که وجودش را اندازه گرفته‌ایم، هنوز به طور خاص چیز زیادی درباره‌اش نیاموخته‌ایم.»

روخو توضیح می‌دهد که بخشی از این موضوع بدین خاطر است که تئوری‌های فعلی ما نمی‌توانند به‌خوبی پیش‌بینی کنند کوارک‌های سنگین‌تر داخل باریون‌ها چگونه با هم تعامل می‌کنند یا جرم آن‌ها چقدر باید باشد. او می‌گوید: «داده‌ها در حال حاضر از تئوری برای این نوع ذرات جلوتر است؛ اما ممکن است در پنج سال آینده این اندازه‌گیری بتواند به برخی سوالات نظری مهم پاسخ دهد»، مثلاً اینکه ترکیبات مختلف کوارک چه معنایی برای جرم ذرات دارند.