دانشمندان سرن سنگین‌ترین ذره بنیادی را با بیشترین دقت اندازه‌گیری کردند

محققان مرکز سرن با استفاده از برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) توانسته‌اند سنگین‌ترین ذره بنیادی را که نوعی کوارک است، با دقتی بی‌بدیل اندازه‌گیری کنند. این دستاورد به دانشمندان کمک می‌کند تا صحت مدل استاندارد فیزیک ذرات را تایید کنند.

ذره‌ای که پژوهشگران جرم آن را اندازه‌گیری کرده‌اند، «کوارک سر» یا «کوارک تی» نام دارد و سنگین‌ترین ذره بنیادی شناخته‌شده در دنیاست که بخش مهمی از درک ما از جهان را تشکیل می‌دهد. این ذره جرم خود را از ترکیب شدن با بوزون هیگز می‌گیرد و این ترکیب قوی‌ترین ترکیبی است که در مدل استاندارد آن را می‌شناسیم.

نکته مهم بعدی این است که کوارک سر پس از متلاشی شدن در اثر نیروی ضعیف به بوزون W تبدیل می‌شود. پیش‌تر گروهی از محققان شواهدی را منتشر کرده بودند که نشان می‌داد اندازه‌گیری جرم بوزون W احتمالا اشتباه است. اما حالا با اندازه‌گیری جرم کوارک سر می‌توانیم پیش‌بینی‌هایی درباره بوزون هیگز و بوزون W داشته باشیم.

مرکز سرن در بیانیه‌ای در این باره گفت: «شایان ذکر است که آگاهی ما نسبت به پایداری جهان وابسته به درکی است که از جرم بوزون هیگز و کوارک سر داریم. حالا تنها با کمک اندازه‌گیری دقیق جرم کوارک سر می‌توانیم بگوییم که جهان در حالتی بسیار نزدیک به شبه‌پایداری قرار دارد. اگر جرم کوارک سر تنها اندکی متفاوت بود، جهان در بلندمدت پایداری کمتری پیدا می‌کرد و احتمالا در نهایت از طریق یک رویداد پرتنش شبیه مه‌بانگ نابود می‌شد.»

اندازه‌گیری سنگین‌ترین ذره بنیادی چگونه انجام شد؟

فیزیکدانان برای اندازه‌گیری جرم ذرات بنیادی از جمله کوارک سر، ذرات زیراتمی مثل پروتون‌ها را در دستگاه‌هایی مثل LHC به هم می‌کوبند. هر برخورد منجر به تولید مجموعه‌ای از ذرات می‌شوند که دانشمندان می‌توانند آن‌ها را در یک محیط کنترل‌شده مطالعه کنند.

ولی وقتی درباره چنین ذرات کوچکی حرف می‌زنیم، وارد قلمرو کوانتوم می‌شویم که اندازه‌گیری جرم در آن دشوار است. دانشمندان در این مطالعه جرم کوارک سر را به‌طور مستقیم اندازه‌گیری کردند و در عین حال از سایر اشکال داده در ترکیب با تئوری‌های دیگر بهره گرفتند. پژوهشگران می‌گویند اندازه‌گیری آن‌ها 0.12 GeV دقیق‌تر از محاسبات قبلی است. بر این اساس، کوارک سر 172.76 گیگاالکترون ولت انرژی دارد. این نتیجه با تئوری‌هایی که با توجه به مدل استاندارد انتظار داریم، همخوانی دارد.

این محاسبات با تکیه بر داده‌های به دست آمده از برخوردهای LHC در سال 2016 ارائه شده است. محققان سرن در این مطالعه پنج خصوصیت متفاوت برخوردها را مشاهده کردند. تحقیقات قبلی حداکثر سه خصوصیت این رویدادها را بررسی کرده بودند. دانشمندان سپس این داده‌ها را با دقت بالا بهینه‌سازی کردند تا تردیدها کنار گذاشته شود و عدد جرم نهایی کوارک سر به دست آید.

اگرچه این تحقیق گامی مهم برای فیزیک ذرات و یک پیروزی برای مدل استاندارد محسوب می‌شود، ولی سرن انتظار دارد که با بررسی داده‌های LHC در سال‌های 2017 و 2018 اندازه‌گیری جرم این ذره را با دقت بیشتری انجام دهد.