شواهد وجود کوارک افسون در ساختار پروتون، فیزیکدانان را شگفت زده کرد! - مجله پیامک مسعود

کوارک افسون چیست و چه چیزی در خصوص آن عجیب است؟

در چارچوب مدل استاندارد، 6 نوع کوارک با نام های بالا (u)، پایین (d)، افسون (c)، شگفت (s)، سر (t) و ته (b) وجود دارد! در این میان کوارک افسون یا چارم کوارک Charm Quark سومین کوارک سنگین در بین این ذرات است. به طور کلی تا به امروز فیزیکدانان تصور می کردند که پروتون شامل ترکیبی از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین است ولی احتمال وجود کوارک افسون در ساختار این ذره، داستان را خیلی متفاوت کرد! کوارک های افسون نسبت به کوارک های بالا یا پایین بسیار سنگین تر هستند، آنقدر سنگین که به طرز شگفت انگیزی می توانند ترکیبی سنگین تر از خود پروتون را ایجاد نمایند! از طرفی فیزیکدانان در هر شاخه ای به خوبی می دانند که هرچه به کندوکاو عمیق تر در هر چیز از جمله پروتون بپردازند، درک ساختارها پیچیده تر به نظر می رسد. این موضوع به ویژه در انرژی های بسیار بالا و برخوردهایی در شتاب دهنده های ذرات مانند برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) مشاهده می گردد.

بنابراین با عمیق تر شدن و ورود به مقیاس های بسیار کوچک تر (با وجود انرژی های بالاتر) می توان پروتون ها را متشکل از گروهی پیچیده (به معنی واقعی کلمه درهم وبرهم) و ناپایدار از کوارک ها به همراه همتایان پادماده آن ها یعنی آنتی کوارک ها Antimatter Counterparts در نظر گرفت. جالب است بدانید در چنین موقعیتی این ذراتی به نام گلوئن ها gluons هستند که در پروتون به جفت های کوارک-آنتی کوارک (کوارک های بیرونی) extrinsic quarks تقسیم می شوند!

شاید تا به اینجای متن با خود فکر نموده باشید که بالاخره چی شد! پروتون از ترکیب دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است یا جفت های کوارک-آنتی کوارک (که کوارک های بیرونی هم نامیده می شوند)؟ در پاسخ و به منظور واضح شدن موضوع باید بدانید که کوارک های بیرونی ذرات بنیادی ای در ساختار پروتون نیستند، درواقع این جفت های کوارک و آنتی کوارک صرفاً نتیجه رفتار (واپاشی) گلوئون ها در انرژی های بالا است. اما در عین حال مطالعات نو نشان می دهد که در کنار کوارک های بالا و پایین، کوارک های چارم یا افسون هم ممکن است در داخل پروتون ها حتی در انرژی های کم به شکلی پایدارتر و عمیق تر وجود داشته باشند.

همانطور که می دانید در فیزیک کوانتومی، ذرات تا زمانی که اندازه گیری نشوند، حالت مشخصی ندارند و تنها با احتمالات توصیف می شوند. با توجه به همین اصل هم فیزیکدانان اذعان دارند که اگر پروتون ها در ساختار خود، کوارک افسون داشته باشند، یک احتمال کم به منظور وجود یک جفت کوارک - آنتی کوارک افسون در کنار دو کوارک بالا و یک پایین در ساختار این ذره ها وجود دارد. البته از آنجایی که پروتون ها مجموعه ای از ذرات منفرد نیستند و جرم آن ها از جمع ساده جرم ذرات درون آن به دست نمی آید، جرم کوارک افسون و آنتی کوارک آن به وزن پروتون اضافه نمی گردد؛ بنابراین می توان درکی از چگونگی وجود ذراتی سنگین تر از پروتون در درون خود پروتون داشت!

چگونه وجود یکسری ذرات در دل دیگر ذرات اثبات می گردد؟

به همین دلیل فیزیکدانان با استفاده از هزاران اندازه گیری مختلف در آزمایشگاه LHC و سایر شتاب دهنده های ذرات همراه با محاسبات نظری به این نتیجه رسیدند که کوارک افسون در درون پروتون با عدم قطعیتی برابر با 3 سیگما وجود دارد، بعلاوه گزارش ها نشان می دهد که کوارک های افسون حدود 0.6 درصد از تکانه پروتون را حمل می نماید. البته باید در نظر داشته باشید که معمولا به دست آوردن عدم قطعیت 5 سیگما برای ارائه یک نتیجه به شکل قطعی مورد احتیاج است. و تا به اینجا این اندازه در عدم قطعیت دیده نشده است!

به منظور درک بهتر بررسی آماری مطرح شده در این بخش، بهتر است بدانید که از آنجایی که در دنیای فیزیک ذرات، فرآیندهای مختلف ذاتا احتمالاتی هستند و از طرفی تنها می توان به تعدادی متناهی از داده ها نگاه کرد، طبیعی است که از اندازه ایدئال انحراف داشته باشیم. در دنیای علم و آمار این انحراف را با حرف یونانی سیگما نشان می دهند و نشان دهنده احتمال به دست آوردن نتیجه واقعی است.

به طور کلی سیگمای بزرگتر برابر با نتایجی هر چه بیشتر نامحتمل است که برای ما شگفت آور خواهد بود! چراکه اگر سکه ای با انصاف را یکصد بار بالا بیاندازید، انتظار ما این است که احتمال شیر یا خط آمدن حدودا 50 درصد باشد و اگر در بین 45 تا 55 مورد خط بیایید، می توان انحراف حدودا 1 سیگما را نتیجه گرفت که چندان عجیب نیست! اما اگر در 75 بار پرتاب، خط بیایید، متوجه خواهیم شد که سکه با انصاف نیست و احتمالا دست غیبی در این قضیه دخیل است؛ در چنین حالتی با نتیجه 5 سیگما رو به رو می شویم!

سخن آخر

در کنار این شواهد لازم به تاکید است که داده ها و تحلیل ها هنوز به اندازه کافی برای ادعای وجود کوارک های افسون در پروتون ها کافی نیست؛ هر چند اندازه آماری 3 سیگما بسیار قابل توجه است! علاوه بر این، تعریف کوارک های افسون چندان سَر راست نیست و مقایسه یافته های نو با نتایج قبلی گروه های مختلف را مختل می نماید. به این معنی که طی مطالعات قبلی، محدودیت های مختلفی برای کوارک افسون با توجه به تعریف آن ارائه شده است که با نتایج حاصل چندان در توافق نیست! بنابراین احتیاج است تا دانشمندان با کوشش های بیشتری پروتون ها را به هم بکوبند تا راز این ذره آشنا و در عین حال مرموز را کشف نمایند!

منابع اصلی:

The NNPDF Collaboration. Evidence for intrinsic charm quarks in the proton. Nature. Vol. 608, August 18, 2022, p. 483. doi: 10.1038/s41586-022-04998-2.

LHCb Collaboration. Study of Z bosons produced in association with charm in the forward region. Physical Review Letters. Vol. 128, February 25, 2022, p. 082001. doi: 10.1103/PhysRevLett.128.082001.

منبع: Science News