یافته‌های جدید T2K به درک ما از ماده کمک می‌کنند

دهه‌ها است که مدل استاندارد فیزیک ذرات، ابزار اصلی توضیح ماهیت واحدهای سازنده‌ی ماده و نحوه‌ی برهم‌کنش آن‌ها با هم بوده است. این مدل نخستین بار در دهه‌ی ۷۰ قرن بیستم پیشنهاد شد و بیان می‌کند که برای هر ذره، پادذره‌ای وجود دارد. یکی از سؤالاتی که این مدل ایجاد کرد این بود که اگر جهان به‌صورت نظری از مقدارهای برابر ماده و پادماده تشکیل شده است، پس چگونه پابرجا می‌ماند؟

این تناقض با نام تناقض توازن بار (CP) شناخته می‌شود و سال‌ها است که موضوع پژوهش‌های بسیاری بوده است. اما تاکنون هیچ اثباتی برای این تناقض یا پاسخ به این سؤال که چگونه این همه ماده در جهان بدون حضور پادماده حضور دارد، ارائه نشده است. اما اکنون یک قدم به یافتن پاسخ این پرسش و چرایی وجود این تناقض نزدیک‌تر شده‌ایم؛ چرا که همکاری بین‌المللی توکای-تو-کامیوکا (T2K) یافته‌های جدیدی به دست آورده است.

تناقض توازن بار بیان می‌کند که در شرایط ویژه، قانون همبستگی شار و همبستگی تقارن قابل اعمال نیستند. این قانون‌ها بیان می‌کنند که اگر ذره‌ای با پادذره‌ی خود عوض شود، فیزیک حاکم بر آن نباید تغییر کند؛ اما مختصات فضایی آن معکوس خواهد شد. این مورد نخستین بار در سال ۱۹۶۴ رؤیت و به یکی از بزرگ‌ترین رازهای کیهانی تبدیل شد.

همکاری بین‌المللی T2K در ژوئن ۲۰۱۱ ایجاد شد. این آزمایش در تلاش است با مطالعه‌ی نوسان نوترینو و پادنوترینو، پاسخی برای این راز بیابد. در این آزمایش، پرتوهای شدید میون نوترینو (یا میون پادنوترینو) در مجتمع پژوهشی شتاب‌دهنده‌ی پروتون ژاپن (J-PARC) تولید و سپس به سمت آشکارساز سوپر-کامیکانده در فاصله‌ی ۲۹۵ کیلومتری پرتاب می‌شوند.

این آشکارساز یکی از بزرگ‌ترین و بهترین آشکارسازهای حال حاضر جهان است که به تشخیص و مطالعه‌ی نوترینوهای خورشیدی و جوی اختصاص داده شده است. وقتی نوترینوها فاصله‌ی بین این دو مرکز تحقیقاتی را طی می‌کنند، «مزه» آن‌ها عوض می‌شود؛ یعنی میون نوترینوها یا پادنوترینوها به الکترون نوترینو یا حالت پاد آن تبدیل می‌شوند. آزمایش با نظارت بر پرتوهای نوترینو و پادنوترینو، به دنبال سرعت‌های متفاوت نوسان می‌گردد.

تفاوت نوسان نشان می‌دهد که عدم توازنی بین ذرات و پادذرات وجود دارد و بنابراین نخستین شاهد قطعی بر تناقض توازن بار محسوب می‌شود. این آزمایش نشان می‌دهد که دانشمندان هنوز باید روابط فیزیکی واقع در پس مدل استاندارد را مطالعه کنند. در ماه آوریل، نخستین مجموعه دیتای تولیدشده توسط T2K منتشر شد و نتایج خوبی داشت.

مارک هارتز، همکار پروژه‌ی  T2K و استادیار پروژه‌ی IPMU است. او می‌گوید:

این مجموعه‌ی دیتا کوچک‌تر از آن است که بر اساس آن بخواهیم بیانیه‌ای قطعی صادر کنیم. ما برتری ضعیف تناقض توازن بار را دیدیم. ما برای جمع‌آوری داده‌های بیشتر و پژوهشی دقیق‌تر در مورد این تناقض هیجان‌زده هستیم.

این نتایج به همراه دیتاهای ژانویه ۲۰۱۰ تا مه ۲۰۱۶ در فیزیکال ریویو لترز منتشر شده است. این دیتا شامل ۱۰۲۰ ×‌ ۷.۴۸۲ پروتون (در حالت نوترینو) و ۱۰۲۰ ×‌ ۷.۴۷۱ پروتون (در حالت آنتی نوترینو) می‌شود. پروتون‌های حالت نوترینو، ۳۲ الکترون نوترینو و ۱۳۵ میون نوترینو و پروتون‌های حالت پادنوترینو، ۴ الکترون نوترینو و ۶۶ میون نوترینو تولید کرده‌اند.

به عبارت دیگر، نخستین مجموعه‌ی این دیتا، شواهدی با سطح اطمینان ۹۰ درصد برای تناقض توازن بار فراهم کرده است. این تنها آغاز راه است و این آزمایش، پیش از نتیجه‌گیری کلی، باید برای مدت ۱۰ سال دیگر تکرار شود.‌ هارتز می‌گوید:

اگر خوش‌شانس باشیم و تأثیر تناقض توازن بار بزرگ باشد، انتظار داریم تا سال ۲۰۲۶ به سطح اطمینان ۹۹.۷ درصد دست پیدا کنیم.

اگر این آزمایش با موفقیت انجام شود، فیزیک‌دان‌ها قادر خواهند بود پاسخ دهند چرا جهان در لحظات اولیه، خود را خنثی و نابود نکرده است. فیزیک‌دان‌های متخصص ذرات، وارد برخی مسائل مربوط به جهان نمی‌شوند و این آزمایش می‌تواند کمکی بزرگ برای آن‌ها باشد. به هر شکل پاسخ عمیق‌ترین رازهای جهان هستی، مانند این‌که چگونه تمام نیروهای بنیادی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند، پیدا خواهد شد.