برخورددهنده بزرگ ذرات برای شکار جهان تاریک بازسازی می شود

یکی از فیزیکدانان نظری در مقاله‌ی جدیدی گفته است که ایده‌ی تازه‌ای برای گشتن به‌دنبال ذراتی دارد که در حد تئوری آن‌ها را می‌شناسیم و تا‌کنون مشاهده‌ نشده‌اند. این ذرات به‌نام LLP (long lived particles) می‌توانند پنجره‌ای به‌روی شناخت ماده تاریک و انرژی تاریک باشند. ماده تاریک و انرژی تاریک، ۹۵٪ عالم ما را تشکیل می‌دهند. ماده تاریک روی ماده‌ی معمولی اثرات گرانشی دارد و تصور دانشمندان بر این است که انرژی تاریک، عامل انبساط شتاب‌دار جهان است. اما هر دو این‌ها تاکنون قابل آشکار‌سازی نیستند چرا که بر‌هم‌کنش هر‌کدام از آن‌ها با نور، بسیار ضعیف است. زن لو، پژوهشگر پسا‌دکتری دانشگاه مریلند در مصاحبه‌ی زنده گفت:

ماده تاریک و انرژی تاریک با ما حرفی نمی‌زنند.

اما ذرات LLP می‌توانند راهی برای برای ارتباط پیدا‌کردن جهان تاریک و جهان روشن‌تر پیدا‌ کنند. تصور لو و همکارانش بر این است که با دستکاری‌کردن بعضی از آشکار‌ساز‌ها در بزرگ‌ترین برخورد‌دهنده‌ی جهان، یعنی LHC در نزدیکی ژنو، می‌توان این ذرات را پیدا‌کرد.

جهان‌های موازی

جهان تاریک که به‌نام بخش پنهان نیز شناخته می‌شود، از گروهی از ذرات فرضی تشکیل‌شده‌ است که جایی در مدل استاندارد فیزیک ذرات ندارند (مدل استاندارد فیزیک ذرات، همه‌ی پروتون‌ها، نوترون‌ها، الکترون‌ها و دیگر ذرات بنیادی عجیب مانند کوارک‌ها، میون‌ها، نوترینو‌ها و بوزون هیگز را توصیف می‌کند).

اگر ماده‌ی معمولی در یک دره قرار‌داشته‌ باشد،‌ جهان تاریک در یک دره‌ی موازی آن در ناحیه‌ی دیگری قرار‌ دارد. برای بیرون آمدن از این دره انرژی بسیار بسیار زیادی لازم است. بنابر‌این ذرات موجود در دره‌ی جهان تاریک به‌شدت با یکدیگر بر‌هم‌کنش می‌کنند اما به‌سختی با ذرات دیگر دره ارتباط برقرار می‌کنند. اما ممکن است بعضی از ذرات بتوانند به‌وسیله‌ی فرایندی به‌نام تونل‌زنی کوانتومی، مانع بین این دو دره را پشت سر بگذراند و از آن عبور‌ کنند. این ذرات احتمالا نمی‌توانند ذرات پایداری مانند پروتون و نوترون باشند اما می‌توانند شبیه به ذرات ناپایدار مدل استاندارد باشند.

دانشمندان به پیدا‌کردن همین ذرات تونل‌زننده علاقه‌مند هستند. فیزیکدان نظری دانشگاه شیکاگو، لیانتائو ونگ گفت:

اگر این ذرات وجود‌ داشته‌ باشند، بسیار نادر هستند.

در LHC، پروتون‌ها را با سرعت گیج‌کننده‌ای به‌سمت یکدیگر پرتاب می‌کنند. در هر ثانیه یک میلیارد برخورد اتفاق می‌افتد. در این برخورد‌ها، پروتون‌ها به میزان زیادی از ذرات شناخته‌شده‌ی مدل استاندارد تبدیل می‌شوند. برای دانشمندانی که به‌دنبال ذرات جهان تاریک می‌گردند، همه‌ی این ذرات تولید‌شده اضافه‌ هستند. ونگ گفت:

ذراتی که این دانشمندان به‌دنبال آن‌ها می‌گردند ممکن است در هر دهه چند بار تولید‌شوند.

یک راه تازه

ونگ، لو و همکارشان جیا لو، در مقاله‌ای که در تاریخ ۳ آوریل در نشریه‌ی Physical Review Letters منتشر‌ شد، راهی برای دیدن این ذرات کمیاب و نادر به‌صورت اجمالی پیدا کرده‌اند.

ونگ گفت:

همه‌ی مسئله‌ی ما، زمان عمر ذرات LLP است. این ذرات در مقایسه با ذرات مدل استاندارد که در LHC تولید می‌شوند، بسیار پر‌جرم و سنگین هستند به‌حدی که بلافاصله پس از تولید‌شدن، واپاشی می‌کنند.

لو گفت:

کندی این ذرات به این دلیل است که آن‌ها باید مانع انرژی بسیار بزرگی را پشت‌سر بگذارند تا بتوانند تاثیری بر ماده‌ی معمولی داشته‌ باشند. اما حرکت آهسته و کند این ذرات، یک ویژگی مثبت برای فیزیکدان‌ها است. بیشتر ذرات بنیادی LHC با سرعت نور حرکت می‌کنند و به‌سرعت واپاشی می‌کنند. برای مثال، ذره‌ی هیگز در ۱۰ به توان منفی ۲۲ ثانیه به ذرات پایدار‌تری واپاشی‌کرد.

ونگ گفت:

اما LIP ها باید تا بیشتر از یک دهم ثانیه عمر‌ کنند. آن‌ها همچنین با سرعتی کم‌تر از سرعت نور حرکت می‌کنند. بنابر‌این، کلید دیدن این ذرات در نوع تنظیم آشکار‌ساز‌ها است. این آشکار‌ساز‌ها باید به‌صورتی تنظیم‌شوند که ذراتی را که دیر‌تر دریافت می‌کنند آشکار‌سازی‌ کنند. این ایده‌ی بسیار ساده‌ای است ولی بسیار تاثیر‌گذار است.

لو در ادامه گفت:

برخی از تنظیمات مورد‌نظر، در زمان به‌روز‌رسانی LHC انجام خواهند‌ شد. برخورد‌دهنده‌ی ذرات در سال ۲۰۲۱ دوباره راه‌اندازی خواهد‌ شد و این بار دقت اندازه‌گیری زمانی آن ۱۰ برابر بهتر از قبل خواهد‌ شد. باید در نرم‌افزار‌ها‌ی مورد استفاده نیز تغییرات جزئی داده‌ شود تا بتوان از همه‌ی توانایی LHC بهتر استفاده‌کرد. و باید از درستی و نحوه‌ی الویت‌بندی کاری فیزیکدانان تجربی نیز اطمینان حاصل‌ کرد.

در این راستا ونگ و لو و همکاران تجربی‌کارشان در سری جلساتی شرکت می‌کنند تا از هماهنگی کار همه اطمینان حاصل‌ کنند.

• آنچه باید در مورد شتاب‌دهنده‌های ذرات بدانید