کشف عدم تقارن بنیادی جهان: نقش نقض CP در باریون ها به روایت آزمایشگاه سرن

مقدمه: رمزگشایی از عدم تقارن اساسی جهان

دهه‌هاست که فیزیک‌دانان یکی از اساسی‌ترین پرسش‌های علم را دنبال می‌کنند: چرا جهان عمدتاً به شکلی که ما می‌شناسیم وجود دارد و در یک رویداد نابودی گستردهٔ ماده و پادماده از بین نرفته است؟ اکنون، یک پیشرفت کلیدی در سازمان پژوهش‌های هسته‌ای اروپا (سرن)، می‌تواند در این زمینه روشنایی بیشتری بیفکند. پژوهشگران برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) تفاوت‌های مهمی را در رفتار باریون‌های ماده و پادماده کشف کرده‌اند؛ موضوعی که شناخت ما از قوانین حاکم بر کیهان و سرچشمه‌های وجود را عمیق‌تر می‌کند.

زمینه علمی: معمای ماده و پادماده

پادماده که اغلب در فرهنگ عمومی به‌عنوان ماده‌ای عجیب یا خطرناک معرفی می‌شود، در واقع از ذرات زیراتمی‌ای تشکیل شده است که تصویر آینه‌ای همتایان مادی خود هستند و تنها در بار الکتریکی با آن‌ها تفاوت دارند. زمانی که ماده و پادماده به هم می‌رسند، یکدیگر را نابود کرده و انرژی آزاد می‌کنند. نظریه‌ها پیش‌بینی می‌کنند که پس از مهبانگ، مقادیر مساوی از ماده و پادماده پدید آمده است. اگر طبیعت کاملاً متقارن بود، این تعادل باید باعث نابودی کامل ذرات و آنتی‌ذرات و در نتیجه شکل‌گیری جهانی تقریباً تهی می‌شد.

اما جهان ما پر از ستاره‌ها، سیارات، کهکشان‌ها و حیات است و این نشان می‌دهد که ماده به طرز ظریفی بر پادماده غلبه کرده است. این عدم توازن، که تحت عنوان عدم تقارن ماده–پادماده شناخته می‌شود، یکی از رازهای بنیادین کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات است. دانشمندان مدتهاست حدس می‌زنند که اختلافات ظریفی در قوانین فیزیک—به‌ویژه پدیده‌ای به‌نام نقض تقارن بار-پاریته (CP) — عامل اصلی این برتری ماده بر پادماده هستند.

تازه‌ترین آزمایش‌های LHC: کشف نقض CP در باریون‌ها

نقض CP زمانی رخ می‌دهد که قوانین فیزیک، ماده و پادماده را از منظر بار الکتریکی و جهت فضایی به شکل متفاوتی رفتار می‌کنند. تا چندی پیش، نقض قابل سنجش CP فقط در دسته‌ای از ذرات به‌نام مزون‌ها مشاهده شده بود، اما مدل‌های نظری پیش‌بینی می‌کنند که این پدیده باید در باریون‌ها—خانواده‌ای شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها که بخش عمدهٔ ماده جهان را تشکیل می‌دهند—نیز وجود داشته باشد.

در مطالعه‌ای سرنوشت‌ساز، پژوهشگران سرن حدود ۸۰ هزار رویداد واپاشی ذره‌ای که بین سال‌های ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۸ در LHC ثبت شده بود را مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها یک باریون با نام لامبدا-بیوتی (Λb) و پادماده متناظر آن را تحلیل کردند تا ببینند آیا این ذرات دقیقاً به شکل آینه‌ای (مطابق تقارن CP) واپاشی می‌کنند یا خیر.

نتیجه چشمگیر بود: تیم پژوهشی تفاوتی ۲/۵ درصدی در الگوی واپاشی Λb و آنتی-Λb مشاهده کرد—نشانه‌ای مهم از نقض CP خارج از حوزه مزون‌ها. دکتر ژوتینگ یانگ، فیزیک‌دان سرن و نویسنده اصلی مقاله می‌گوید: «این شواهد نشان می‌دهد که تفاوت‌های بسیار ظریف بین ماده و پادماده در طیف گسترده‌تری از ذرات بروز می‌یابد و قوانین بنیادی طبیعت میان باریون‌ها و آنتی‌باریون‌ها فرق می‌گذارند.»

اهمیت آماری و تأثیر علمی

معناداری آماری این نتیجه به سطح ۵/۲ سیگما رسید—مرزی بسیار دقیق در فیزیک تجربی که احتمال بروز اتفاقی این نتایج را به یک در ده میلیون کاهش می‌دهد. چنین درجه‌ای از اطمینان برای معتبر دانستن این کشف در جامعه علمی جهانی ضروری است.

پیامدهای نظری: آزمون و گسترش مدل استاندارد

این کشف پیامدهای عمیقی برای پایه‌های فیزیک ذرات دارد. مدل استاندارد، که چارچوب غالب برای توصیف ذرات زیراتمی و برهم‌کنش‌های آن‌هاست، وجود مقداری نقض CP را پیش‌بینی می‌کند، اما این مقدار برای توضیح تسلط ماده در جهان کافی نیست. به گفته دکتر یانگ: «نقض CP برای توضیح اینکه چرا جهان سرشار از ماده است، ضروری است. اما مقدار فعلی که مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند کافی نیست؛ این تفاوت نشانگر وجود قوانین فیزیکی جدید و ناشناخته‌ای است که نقض CP بیشتری را ایجاد می‌کند.»

دانشمندان همچنین فرضیه‌های دیگری را آزموده‌اند؛ از جمله اینکه آیا پادماده در میدان گرانشی رفتار متفاوتی دارد یا نه. آزمایش‌های قبلی سرن نشان داده‌اند که پادماده، مانند ماده، تحت گرانش به سمت پایین سقوط می‌کند و شواهدی از نقض CP گرانشی وجود ندارد. با این حال، کشف اخیر نقض CP در واپاشی باریون‌ها افق جدیدی برای گسترش مرزهای نظری گشوده است.

اهمیت گسترده‌تر و چشم‌انداز آینده

اگرچه نقض CP کشف‌شده در باریون‌ها با انتظارات مدل استاندارد همخوانی دارد، اما همچنان این موضوع برای توضیح فراوانی قابل توجه ماده کافی نیست. با این‌ حال، کشف حاضر نقطه عطفی در فیزیک تجربی به‌شمار می‌رود، چراکه جستجو برای عدم تقارن را به قلمروی باریون‌ها گسترش داده است؛ حوزه‌ای که پیش‌تر کمتر مورد توجه قرار گرفته بود.

با پیشرفت‌های بیشتر در اندازه‌گیری‌ها و بررسی ذرات و فرآیندهای فروپاشی جدید در LHC، همچنان امکان کشف منابع بزرگتر نقض CP وجود دارد. شناسایی چنین پدیده‌هایی می‌تواند افق‌های مدل استاندارد را بگشاید و کلیدهایی حیاتی درباره نخستین لحظات جهان در اختیار فیزیک‌دانان قرار دهد.

به گفته دکتر یانگ: «نتیجه جدید پنجره‌ای نو بر نحوه ظهور نقض CP در باریون‌ها گشوده است. اکنون فیزیک‌دان‌ها با جدیت به دنبال منابع ناشناخته و غیرمنتظره این پدیده‌اند که شاید معمای ماده–پادماده را به طور کامل حل کنند و شکلی بنیادین‌تر به درک ما از قوانین طبیعت بدهند.»

جمع‌بندی

این کشف مهم در برخورددهنده بزرگ هادرونی سرن، جامعه علمی را یک گام به حل یکی از عمیق‌ترین رازهای کیهان—اینکه چرا به‌جای هیچ، چیزی وجود دارد—نزدیک‌تر می‌سازد. با ارائه شواهد قطعی از نقض تقارن بار-پاریته در باریون‌ها، پژوهشگران افق‌های تازه‌ای را برای فهم عدم تقارن بنیادی میان ماده و پادماده گشوده‌اند. گرچه این معما همچنان حل نشده باقی مانده است، هر دستاوردی همچون این یافته، درک ما را از سازه‌های بنیادی هستی ژرف‌تر کرده و به وجود قوانین فیزیکی وسیع‌تر و ناشناخته‌تر اشاره می‌کند.