مشاهده ذراتی عجیب با رفتار اسپینی دور از انتظار

 آیا همیشه توضیحی برای پدیده‌های عجیب فیزیکی وجود دارد؟ فیزیک‌دان‌ها به‌تازگی در برخورد‌ها‌ی اتمی به مسئله‌ی عجیبی برخورد کردند. آن‌ها مشاهده کردند که جهت حرکت ذرات پراکنده شده پس از برخورد با پیش‌بینی‌ها‌ی علمی مطابقت ندارد. اما پژوهش‌ها‌ی جدید، راهی برای حل این مشکل و توضیحی برای این رفتار پیچیده‌ی ذرات ارائه می‌کنند.

پژوهش جدید در مورد برخورد یک پروتون چرخان و نوع دیگری از ذرات توضیح می‌دهد. زمانی که این دو ذره با یک‌دیگر برخورد می‌کنند، بسته به جرم پروتون و ذرات دیگر شرکت کننده در برخورد، تعدادی نوترون به‌وجود می‌آیند.

از نظر تیم پژوهشی بین‌المللی، این بر‌هم‌کنش‌ها می‌توانند به ما در فهم دیگر برخورد‌ها‌‌ی ذرات در انرژی‌ها‌ی بالا کمک کنند. از جمله‌ی این برخورد‌ها، برخورد ذرات پرتو‌ها‌ی کیهانی با ذرات جو زمین است.

یک از اعضا‌ی تیم به نام الکساندر بازیلوسکی، فیزیک‌دان آزمایشگاه ملی بروکهاون در نیویورک، گفت:

پدیده‌ای که مشاهده کردیم بسیار شگفت‌انگیز بود. مشاهدات ما از ذرات حاصل از برخورد پروتون‌ با پروتون، بسیار با مشاهدات ما از ذرات حاصل از برخورد پروتون و هسته متفاوت است.

پژوهشگران از برخورددهنده‌ی هادرونی نسبیتی (RHIC) در آزمایشگاه بروکهاون انجام این قبیل پژوهش‌ها استفاده کردند. این برخورددهنده، تنها برخورددهنده در جهان است که به‌وسیله‌ی آن می‌توان جهت اسپین پروتون‌ها‌ی برخوردکننده را کنترل کرد.

 اولین بار در سال ۲۰۰۱ در RHIC در برخورد پروتون‌پروتون، مشاهده شد که جهت چرخش (اسپین) نوترون‌ها‌ی حاصل از این برخورد، خلاف انتظار دانشمندان بود.  پژوهشگران در پژوهش جدید انجام‌شده، تفاوت بین نوترون‌ها‌ی خروجی زمانی که هسته‌ی اتمی برخورد کننده با پروتون متفاوت شود را بررسی می‌کنند.

زمانی که پروتون در حال چرخش به هسته‌ی سنگین طلا برخورد می‌کند، نه‌تنها نوترون‌ها‌ی حاصل با زاویه‌ی کوچکی پراکنده نمی‌شوند، بلکه طبق گزارش پژوهش‌گران، کاملا در جهت خلاف انتظار آن‌ها حرکت می‌کنند.

این پدیده شبیه این است که زمانی که یک توپ بیلیارد در حال چرخش، به یک توپ بیلیارد هم‌اندازه‌ی خودش برخورد کند، در همان جهت قبلی به عقب برگردد ولی هنگامی که همین توپ با یک توپ بزرگ‌تر برخورد کند، جهت حرکتش کاملا عوض شود. یکی از پژوهشگران به نام ایتارو ناکاگاوا، فیزیک‌دان آزمایشگاه RIKEN ژاپن گفت:

ما رفتاری شبیه به برخورد پروتون‌پروتون را انتظار داشتیم. چرا که از نظر ما هیچ دلیلی برای عدم تقارن بین این دو فرایند وجود نداشت. 

به نظر می‌رسد که این اختلاف بین پیش‌بینی و مشاهده، می‌تواند ناشی از اختلاف بار الکتریکی بین هسته‌ها‌ی مورد استفاده در فرایند‌ها‌ی مختلف باشد. پیشنهاد پژوهش‌گران برای توضیح این پدیده این است که: بر‌هم‌کنش الکترومغناطیسی بین پروتون و هسته، در نتیجه‌ی نهایی فرایند تفاوت ایجاد می‌کند.

بازیلوسکی توضیح داد:

در جهان ذرات، همه چیز بسیار پیچیده‌تر از رفتار دو توپ بیلیارد در جهان کلاسیک است. چندین فرایند مختلف در پراکندگی ذرات درگیر هستند و هر کدام از این فرایند‌ها می‌تواند بر دیگری تاثیر‌گذار باشد.

برای دست‌یابی به توضیح دلیل متفاوت شدن نتیجه‌ی این برخورد‌ها، تحقیق و جمع‌آوری داده و تحلیل بیش‌تری نیاز است. همچنین در آینده باید پراکندگی‌ها‌ی دیگری به غیر از پراکندگی‌ها‌یی که حاصل آن‌ها نوترون‌ها باشند نیز بررسی شوند. دانشمندان امیدوارند که بتوانند معما‌ی این عدم تقارن اسپینی را حل کنند. این معمایی است که دانشمندان از دهه‌ی ۱۹۷۰ درگیر آن بوده‌اند.

در صورتی که تیم پژوهشی مورد نظر بتواند آزمایش‌ها‌یی با شرایط متفاوت انجام دهد، برای مثال با استفاده از هسته‌ی اتم‌ها‌ی متفاوت، با اندازه‌ها‌ی متفاوت، می‌توان از مقایسه‌ی نتایج به‌دست آمده، با نتایج اولیه، قدم بزرگی در راه فهم بازی بیلیارد ذرات برداشته خواهد‌شد. ناکاگاوا گفت:

اگر مشاهده شود که عدم تقارن مشاهده شده ناشی از بر‌هم‌کنش الکترومغناطیسی بین ذرات است، دست‌آورد بسیار بزرگ برای اثبات فرضیه‌ی ما خواهد بود. 

پژوهشگران این حوزه، مقاله‌ی خود را در Physical Review Letters منتشر کردند.