ماده دربرابر پادماده؛ کشف جدید دانشمندان میتواند راز بقای جهان را فاش کند
قاعدتا ماده و پادماده باید میلیاردها سال پیش یکدیگر را کاملاً نابود میکردند و جهان را به مکانی بسیار خالی تبدیل میکردند؛ اما این اتفاق رخ نداد. سرنخهای جدید در آزمایشهای برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) نشان میدهند چگونه این آخرالزمان رخ نداده است و به تفاوت شگفتانگیزی در واپاشی ذراتی به نام باریونها و همزاد پادمادهای آنها اشاره دارند.
پادماده در اصل باید با ماده عادی یکسان باشد، با این استثناء که پادذرات دارای بار الکتریکی مخالف نسبت به ذرات متناظر خود هستند. همین تفاوت ظاهراً کوچک، پیامدهای بزرگی دارد، چرا که اگر ماده و پادماده با هم برخورد کنند، در یک فوران انرژی یکدیگر را نابود خواهند کرد.
مدلها نشان میدهند که بیگبنگ باید ماده و پادماده را به مقدار مساوی تولید کرده باشد، اما این فرض به آن معناست که مجموع تمام ذرات شکلگرفته در آن لحظات اولیه باید بسیار بیشتر از آنکه ستارهها، سیارات و حیات را شکل بدهد، آنها را خنثی و نابود کرده باشند. با اینحال به نظر میرسد طی سازوکاری ناشناخته، مقدار ماده بیشتر از پادماده بود و از این نابودی جلوگیری شده است.
فیزیکدانان سرن (CERN) با تجزیه و تحلیل دادههای LHC، شواهد قانعکنندهای از تفاوتهای بیشتر در رفتار ماده و پادماده پیدا کردند که به ایجاد این عدم تعادل و در نهایت وجود ما منجر شدند. از نظر تئوری، تمام ذرات باید تابع وضعیتی به نام تقارن بار-پاریته (CP) باشند. بهبیان ساده، اگر بار همه ذرات جهان و مختصات فضایی آنها را نیز وارونه کنیم، این جهانِ آینهای باید همچنان از همان قوانین فیزیکی جهان ما پیروی کند.
بااینحال مشخص شده که برخی از برهمکنشها این تقارن را نقض میکنند. براساس آزمایشی در سال ۱۹۶۴، ذراتی به نام مزون K2 گاهی اوقات به محصولاتی واپاشی میکنند که در حالت عادی و بدون نقض تقارن CP نمیتوانستند به آنها تبدیل شوند. این پدیده بسیار نادر بود (حدود ۲ مورد از هر هزار رویداد واپاشی)؛ اما همین مقدار کافی بود تا بسیاری از دیدگاههای پذیرفتهشدهی فیزیک به چالش کشیده شوند.
در دهههای بعد، آزمایشهای متعدد نقضهای مشابهی را در مجموعهای از ذرات مختلف نشان دادند، اما همه آنها تنها در انواع دیگر مزونها مشاهده شدند. این نتیجه برای توضیح کمیابی پادماده کافی نبود. هنوز هیچ نقض CP در باریونها (دستهی عمدهی دیگری از ذرات که بیشترین بخش از ماده مرئی جهان را تشکیل میدهند) مشاهده نشده بود.
حالا پژوهش جدید با استفاده از پیکربندی آزمایش مشابه پژوهش سال ۱۹۶۴، موفق به شناسایی نقض تقارن CP در باریونها در مقیاسی بزرگتر شده است؛ با این تفاوت که پژوهشگرها بهجای مزونهای K2، روی ذراتی به نام باریونهای بیوتی-لامبدا (Λb) و پادذرات آنها تمرکز کردند. اگر تقارن CP برقرار باشد، ذرات Λb و پاد Λb باید با نرخ یکسانی واپاشی کنند؛ اما اگر تفاوت قابلتوجهی بین آنها باشد، این نشانهای از نقض تقارن CP است.
- اثبات دوباره نظریه گرانش اینشتین؛ پادماده مثل ماده سقوط میکند09 07 02مطالعه '4
- ۱۰ راز کیهانی که برخورددهنده هادرونی بزرگ میتواند آشکار کند29 02 01مطالعه '12
پژوهشگران در پروژه همکاری LHCb، دهها هزار واپاشی ثبتشده در جریان دو اجرای نخست برخورددهنده بزرگ هادرونی (بین سالهای ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۸) را تجزیه و تحلیل کردند. به طرز جالبتوجهی، آنها تفاوتی در حدود ۲٫۴۵ درصد بین نرخ واپاشی ماده و پادماده یافتند. این مقدار دارای انحراف استاندارد ۵٫۲ از صفر است و بهاینترتیب آن را به اختلاف بزرگی تبدیل میکند که میتواند مشاهدات نقض CP را تأیید کند. وینچنزو واگنونی، سخنگوی پروژه LHCb میگوید:
دلیل اینکه مشاهده نقض CP در باریونها بیشتر از مزونها زمان برد، به اندازه اثر و مقدار دادههای در دسترس بازمیگردد. ما به ماشینی مانند LHC نیاز داشتیم که قادر باشد تعداد کافی از باریونهای بیوتی و پادذراتشان را تولید کند و همچنین به آزمایشی که بتواند محصولات واپاشی آنها را با دقت بالا شناسایی کند. بیش از ۸۰ هزار واپاشی باریون لازم بود تا بتوانیم برای اولین بار عدم تقارن ماده–پادماده را در این دسته از ذرات ببینیم.
دستاورد بزرگ اخیر میتواند سرنخهایی درباره نیروها و ذرات کاملاً جدید ارائه دهد که شاید بتوانند معمای بزرگ عدم نابودی کل جهان به دست پادماده را حل کنند. واگنونی میگوید:
هرچه تعداد سامانههایی که در آنها نقض CP را مشاهده میکنیم، بیشتر و هرچه اندازهگیریها دقیقتر باشد، فرصتهای بیشتری برای آزمایش مدل استاندارد فیزیک و رسیدن به فیزیکی فراتر از آن خواهیم داشت.
پژوهش به نشریه نیچر ارسال شده و نسخه پیشانتشار آن هماکنون در سایت آرکایو در دسترس است.