دو تیمی که در آزمایشگاه بین المللی شتاب دهنده ذرات Tevatron واقع در باتیویا کار می کردند٬ نشانه هایی از نسل جدید ذرات بنیادی پیدا کرده اند که می تواند به سه نسل قبلی که تاکنون می شناختیم اضافه شود. اما این ذرات جدید چه چیز خاصی میتوانند داشته باشند؟
اگر این ذرات واقعا وجود دارند باید درباره معمای چندین ساله ای که چگونه جهان در نخستین لحظات خود بعد از انفجار بزرگ از خودویرانگری اجتناب کرد توضیحی داشته باشند. در ابتدا گزارشی از آنچه تاکنون میدانیم به این شرح داریم. هر یک از سه نسل معلوم ماده دربرگیرنده دو نوع ذره بنیادی به نامهای کوارک و لپتون است. لپتونهای نسل اول شامل الکترون و نیوترینو (نوترون خودی یا مانوس) هستند.
اولین نسل ماده میتواند هرچیزی را که ما در زندگی روزمره مان با آن مواجه می شویم شرح دهد. به عنوان مثال هسته های اتمی از پروتون و نوترون ساخته شده اند که هر کدام به تنهایی از کوارکهای صعودی و نزولی تشکیل یافته اند.
دومین و سومین نسل معرفی شدند تا دوجین های متنوع ذرات بی دوام درون اتمی را توضیح دهند که در آثار مخرب برخورد ذرات تشخیص داده شده بودند.
هر یک از این دو نسل شامل یک جفت کوارک (که بسیار سنگین تر از نسل اول بوده ) و نیز muon و tau ، گونه های سنگین الکترون می باشند. علاوه بر این هر یک دارای نیوترینوی مربوط به خود هستند.
The Collider Detector at Fermilab -CDF
نسلهای جدید ماده تمایل داشتند تا هر 30 یا 40 سال یکبار ظاهر شوند که آخرین بار این اتفاق در سال 1975 رخ داد یعنی زمانیکه tau کشف شد . Amarjit Soni از لابراتوار ملی Brookhaven در Upton, New York چنین می گوید: پیش از این ما سه نسل دیده ایم و سوال اینجاست که چرا چهار تا ندیده ایم؟
او می گوید: نسل چهارم باید دنباله ساده ای از این روند باشد که تاکنون دیده ایم.
اکنون نشانه های این نسل چهارم در سوابقی از شتاب دهنده Tevatron ظاهر شده است که پروتون ها و آنتی پروتون ها را با هم خرد میکند.
محققان بخش ردیابی CDF در Tevatron در ماه مارس آثار باقیمانده از تصادمات را بخوبی جستجو کردند که در آنجا بین ماه مارس 2002 و 2009 ایجاد شده بود. آنها در جستجوی نشانه هایی از کوارک نسل چهارم بودند که سنگین تر از کوارک های سه نسل دیگر باشد.
دلیل اینکه چرا این کوارک در آزمایشات پیشین دیده نشده بود چنین شرح داده می شود که هر چقدر ذره سنگین تر و غلیظ تر باشد انرژی بیشتری برای ساخت آن مورد نیاز است و برخوردها در آزمایشات قبلی مستلزم انرژی خیلی کمتری برای تولید چنین موجود بزرگ و عظیمی بود.
مرکز تحقیقات و کنترل شتاب دهنده
یک کوارک سنگین نسل چهارم هنگامی که تنزل می کند انرژی بسیار زیادی رها می سازد و در بین سایر ذرات muon های بسیار فعالی تولید می کند. سه نسل دیگر ماده هم این فراورده های پوسیده را تولید می کنند و برآوردها اشاره بر این دارند که این سه نسل باید برای دو رویداد تنزل در بالاترین انرژی محاسبه شوند که در آزمایش مورد سنجش قرار گرفته است. اما تیم CDF هشت رویداد را مشاهده کردند یعنی مازادی که اشاره به کوارک نسل چهارم دارد.
نشانه های کوارک جدید در فراورده های پوسیده شتاب دهنده برخورد ذرات Tevatronظاهر شده اند. اما این فزونی بقدری جزئی است که نمی تواند ضربه موفقیت آمیز آماری باشد٬ از اینرو تیم نمیتواند ادعا کند که علائمی از نسل چهارم دیده است. John Conway یکی از بانیان این تحقیق و بررسی از دانشگاه کالیفرنیا در Davis اظهار می کند که ادعاهای خاص و غیر عادی نیاز به مدارک و شواهد غیر عادی نیز دارد.
نمایی از ساختمان درونی شتاب دهنده
با این وجود هیچکس حاضر به منفصل کردن این فزونی نیست.Stephen Martin از دانشگاه Northern Illinois در Dekalb که عضوی از این تحقیق و بررسی نبود چنین می گوید: این بقدری جالب است که ما به چشم داشت و تجزیه و تحلیلات آتی توجه خواهیم کرد چون اگر کوارک [نسل چهارم] براستی وجود داشه باشد همه چیز بسیار مهیج خواهد شد.
اگر چه اهمیت فزونی CDF مورد بحث قرار می گیرد اما DZero٬ گواه تازه ای از دیگر ردیاب اصلی Tevaron٬ اثر و نشانه ممکن متفاوتی از نسل چهارم نشان می دهد که منفصل کردن آن دشوارتر است.
تجزیه و تحلیل جدید برخوردهای پروتون-آنتی پروتون در DZero فراورده های پوسیده ای را بنیان نهاد که بطور غیرمنتظره ای نامتوازن بودند. تا حدودی اکثر muon ها نسبت به antimuon ها نقطه مقابل ضدماده هایشان را ایجاد می کنند.
Soni می گوید: اگر این تائید شود٬تبدیل به اکتشاف بینهایت مهمی می شود و انعکاس بسیار مهمی برای کل فیزیک ذرات خواهد داشت. این نتیجه با مدل استاندارد فیزیک ذرات یعنی بهترین تئوری که ما تاکنون دنیای درون اتمی را با آن شرح داده ایم مغایرت دارد.
این مدل تفاوت بسیار جزئی را بین تعداد ذرات ماده و ضدماده پیش بینی می کندکه در برخوردها حدود 40/1 ام برابر آنچه که DZero واقعا مشاهده می کند تولید میکند. بنظر می رسد که عامل جدید و نامعلومی در اینجا نقش داشته باشد.
برخی از فیزیکدانان قبلا خاطر نشان کردند که چهارمین نسل ذرات می تواند تعادل ماده- ضدماده را در نوع فرایند مشاهده شده در DZero متوازن کند.
این عمل چگونه اتفاق می افتد؟ قوانین خارق العاده مکانیک کوانتوم به ذرات مجازی اجازه میدهند تا مختصرا به وجود آیند و اگر کوارک های نسل چهارم در DZero از این طریق رخ دهند ٬می توانند با ترتیب طبیعی وقایع مداخله کنند که این ذرات در آزمایش تنزل کرده اند. برای مثال جفت های کوارک که دربرگیرنده پایه های نسل سوم است معمولا با مجمو عه ای از واکنشهایی که moun ها و antimuon ها را تولید می کند مورد بحث قرار می گیرد. کوارک نسل چهارم می تواند با این فرایند مداخله کند و تعادل معمول بین تولید ماده و ضدماده را به هم بریزد و نتایج را به نفع ماده تحریف کند.
اگر بی نظمی در DZero بر اثر ذرات نسل چهارم باشد ٬ استنباط ها عمیق و بنیادی خواهند بود. فیزیکدانان برای چندین دهه در این حقیقت متحیر مانده اند که دنیائی که ما آنرا می شناسیم اصلا وجود ندارد.
بر اساس مدل استاندارد٬ ماده و ضدماده٬ تقریبا باید به میزان مساوی از انرژی فراهم شده در اوایل جهان متراکم می شدند. از آنجاییکه ماده و ضدماده در تماس با هم یکدیگر را خنثی می کنند٬ بسیاری از هر دو نوع ماده سریعاً نابود می شوند و دریای سترونی از تشعشعات باقی می گذارند که تقریباً بطور کامل تهی از ماده ای است که مورد نیاز برای ساخت ستاره ها٬ کهکشان ها و سیارات می باشد. آگر این اتفاق به وضوح نیافتاد ٬ بنابراین باید چیزی میزان تولید برای ماده را بالا برد و مازادی را باقی گذارد تا وضعیت شدید نابودی را سپری کند و باعث بوجود آمدن جهان شود.
چهارمین نسل ذرات می تواند توضیح دهد که چگونه ماده برای بوجود آوردن ستاره ها و کهکشان ها باقی می ماند.
اگر کوارک های چهارمین نسل مسئول برهم زدن این تعادل باشند٬ پس ما بدون آنها نمی توانیم وجود داشته باشیم. George Hou از دانشگاه ملی تایوان در تایپه می گوید: برای من این نشانه ای از تنها انگیزه مهم برای موجودیت [چهارمین نسل] می باشد. وی افزود: ما شاید با یک بسط انحصاری از نسل سوم تا چهارم ٬ عدم تقارن کافی برای توضیح اینکه چگونه ماده در اوایل جهان از نابودی زنده مانده است را داشته باشیم.
اگر چه عدم تقارن Dzero با موجودیت چهارمین نسل تناسب دارد اما آنرا ثابت نمی کند. همچنین امکان تولید عدم تقارن ماده وضدماده در تئوری هایی است که سعی دارند فیزیک ذرات را با مطرح کردن ابعاد زائد پنهان شرح دهند٬ همینطور در فراتقارن یعنی تئوری ای که در هر کدام ذره در هر سه نسل شناخته شده ماده است و آنهایی که حامل نیرو هستند شریک پرزورتری دارند.
ذرات چهارمین نسل نیز می توانند به توضیح مبداء ماده تاریک کمک کنند که بنظر می آید بیشترین حجم جهان را تشکیل می دهد. راه حل برای این اندیشه نیوترینو غلیظ می باشد. مانند نیوترینوها در همه نسلهای دیگر ذرات٬ این یکی با نیروی الکترومغناطیسی فعل و انفعال داخلی ندارد تا آنرا شفاف و آشکار سازد و ازاینرو نامرئی می باشد.
درحالیکه سه نیوترینو شناخته شده دیگر برای محاسبه کسر مفاد ماده تاریک بسیار کم وزن هستند ٬ نیوترینوهای غلیظتر چهارمین نسل باید قادر به انبوه شدن با همدیگر باشند و بذرهای کهکشان ها را تشکیل دهند.
با اینحال این اندیشه همچنان با دشواری هایی روبه رو می بود چراکه اولاً نیوترینوی غلیظ معمولاً در کسر ثانیه ای به ورژنی سبک تراز نسل دیگر تنزل کرده٬ بنابراین هیچیک از نیوترینوهای غلیظ از جهان اولیه نباید باقی می ماندند تا ماده تاریک را تشکیل دهند که ما فکر می کنیم امروزه موجود می باشد. فیزیکدانان باید روشی مطرح می کردند تا توضیح دهند که چگونه یک نیوترینو غلیظ برای بیلیون ها سال پس از انفجار بزرگ پایدار مانده است.
خوشبختانه Large Hadron Collider در CERN قادر به توضیح این چیزها بود. اکنون ذرات بهم خورنده با انرژی ترکیب شده 7 تراالکترون ولت وجود دارد که برخورد های Tev Tevatron2 را از حرکت بازمی دارد.
با قدرت اضافی داده شده برای LHC کشف کوارک چهارمین نسل با حجمی بالغ بر 450 GeV نباید زیاد طول بکشد. مارتین می گوید: آزمایشات LHC قادر به حل قطعی این معما خواهد بود.
ترجمه نعیمه افشار از CDF / newscientist