نیروی پنجم طبیعت: دانشمندان یک قدم دیگر به کشف نیروی جدیدی در جهان نزدیک شدند

فیزیکدانان چندین سال است با هدف شناسایی نیروی ناشناخته جدیدی در طبیعت موسوم به نیروی پنجم، روی سیاه‌چاله‌ مرکزی کهکشان راه شیری کاوش می‌کنند. این کشف می‌‌تواند فهم ما را نسبت به جهان دستخوش تغییرات شگرفی کند.

آخرین بررسی‌ها نشان می‌دهد دانشمندان آزمایشگاه ذرات زیراتمی در نزدیکی شیکاگو به نقاط روشن و سرنخ‌های جدیدی در مورد نیروی پنجم طبیعت دست پیدا کرده‌اند. آنها می‌گویند ذرات زیراتمی به نام «میون‌ها» (muons) رفتاری متناسب با آنچه نظریه کنونی فیزیک ذرات می‌گوید از خود نشان نمی‌دهند. در نتیجه فیزیکدانان می‌گویند احتمالاً نیروی ناشناخته‌ای وجود دارد که بر میون‌ها تأثیرگذار است.

آزمایش‌ها روی جنبش‌های پسرعموی سنگین الکترون، میون، مکرراً چیزی را می‌یابند که با محاسبات جور در نمی‌آید. این می‌تواند سرنخی برای فیزیکی ناشناخته باشد.

تقریباً ۲۰ سال از کشف ناهنجاری میون در شتاب‌دهنده ذره‌ای بروک‌هیون (Brookhaven) می‌گذرد. حالا صدها دانشمند شرکت‌کننده در همکاری میون g-2 (جی منهای ۲) آخرین اندازه‌گیری‌های حرکت این ذره در یک میدان الکترومغناطیسی را گزارش داده‌اند.

میون‌ها به‌طور میانگین کمی بیش از یکی دو میکروثانیه دوام دارند. اما در این حضور اندک، جرم سنگین آن‌ها مانند یک الکترون رفتار می‌کند. آن‌ها در حضور نیروی الکترومغناطیسی و تعامل آن با گشتاور مغناطیسی خود مانند الکترون‌ها جلو و عقب می‌شوند.

فیزیکدانان ایده نسبتاً خوبی دارند که میون‌ها در یک میدان الکترومغناطیسی چگونه باید حرکت کنند. آن‌ها حتی یک حرف برای توصیف این حرکت دارند: g یا نسبت چرخش مغناطیسی (gyromagnetic ratio).

در جایی که تنها یک ضربه الکترومغناطیسی و یک میون وجود داشته باشد، تمام چرخش‌ها را می‌توان به‌صورت نظری پیش‌بینی کرد. برای میون، g برابر ۲ است.

متأسفانه قلمرو کوانتومی بسیار آشفته است و ذرات بسیاری به‌وجود می‌آیند و از بین می‌روند. این ذرات به‌گونه‌ای روی میون اثر می‌گذارند که حرکتش مختل می‌شود. این آشفتگی به ما می‌گوید که g باید اندکی از ۲ بزرگتر باشد. به بیان ساده، اگر g را منهای ۲ کنیم، امضای تمام حرکات جنبش‌های کوانتومی اطراف میون را به‌دست خواهیم آورد.

خوشبختانه هر ذره موقت کوانتومی و حرکات مشخصه‌اش جایگاهی در مدل استاندارد دارد. ما می‌توانیم با استفاده از این نظریه حرکت واقعی میون را در قالب یک عدد واحد بیان کنیم.

با این حال، این عدد با نتیجه آزمایش‌های قبلی همخوانی ندارد. حالا نیز دانشمندان با دقتی بسیار بالا مقدار ۱۱۶٬۵۹۲٬۰۵۵e-۱۱ را برای g-2 به‌دست آورده‌اند. باز هم عددی که مدل استاندارد از پس توضیح آن برنمی‌آید.

چنین اختلافی بین نظریه و نتایج آزمایش در فیزیک ذرات می‌تواند سه دلیل داشته باشد. این یا ناشی از یک استثنای آماری است، یا یک نقض در آزمایش یا شکاف نظریه.

حالا به‌نظر می‌رسد با این آزمایش جدید باید بپذیریم که احتمال سوم بیشتر است. یعنی سوراخی در مدل استاندارد وجود دارد که باید پر شود. با مشکلاتی که انرژی تاریک و ماده تاریک برای مدل استاندارد ایجاد کرده بودند، دانشمندان پیش‌تر حدس می‌زدند که این نظریه ایراداتی دارد.

حالا عدد جدید g-2 دانشمندان را بیش از پیش مطمئن کرده که این ذره سرنخی است برای وجود یک فیزیک ناشناخته و می‌تواند ما را به سمت نیروی پنجم طبیعت راهنمایی کند که تا الان تصوری از چگونگی آن نداشته‌ایم.

در سال‌های آینده، فیزیکدانان با ترکیب نتایج آزمایش‌های گذشته و داده‌های جدید به تقویت این ایده می‌پردازند. در این صورت باید انتظار داشته باشیم که استانداردهای قطعیت بالاتری برای g-2 حاصل شوند و دنیای فیزیک برای همیشه تغییر کند.