نقطه شروع انقلابی در علم فیزیک؛ فیزیکدان‌ها به کشف یک نیروی تازه در طبیعت «نزدیک‌تر شدند»

دانشمندان در یک آزمایشگاه ذرات در نزدیکی شیکاگو می‌گویند ممکن است به کشف یک نیروی پنجم در طبیعت نزدیک‌تر شده باشند.

آنها شواهد بیشتری یافته‌اند که ذرات زیراتمی به نام میونها (muons) براساس آنچه نظریه کنونی فیزیک ذرات می‌گوید رفتار نمی‌کنند.

دانشمندان می‌گویند ممکن است یک نیروی ناشناخته وجود داشته باشد که بر میون‌ها عمل می‌کند.

برای تایید این نتایج به اطلاعات بیشتری نیاز است، اما اگر تایید شود می‌تواند نقطه شروع انقلابی در علم فیزیک باشد.

همه نیروهایی که روزانه تجربه می‌کنیم را می‌توان به چهار دسته تقلیل داد: گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف. این چهار نیروی بنیادی چگونگی برهم‌کنش اشیا و ذرات در جهان را توضیح می‌دهند.

یافته‌های تازه در شتاب‌دهنده ذرات آمریکا به نام «فِرمیلَب» به دست آمده است. اینها بر نتایجی استوار است که در سال ۲۰۲۱ اعلام شد، زمانی که تیم فرمیلب ابتدا از امکان یک نیروی پنجم در طبیعت صحبت کرد.

به گفته دکتر برِندان کِیسی، دانشمندان ارشد این آزمایشگاه، از آن زمان تاکنون تیم تحقیق داده‌های بیشتری جمع‌آوری کرده و میزان عدم قطعیت نتایج به نصف کاهش یافته است.

او گفت: «ما واقعا درحال کاوش در حیطه‌ای تازه هستیم. ما (نتایج) خود را با دقتی بیش از هر زمان دیگر در گذشته تعیین می‌کنیم.»

محققان در آزمایشی به نام «جی منهای ۲» (g-۲) ذرات میون را در حلقه‌ای به قطر حدودا ۱۵ متر شتاب می‌دهند، جایی که ذرات با سرعت نزدیک به نور می‌گردند. محققان دریافتند این ذرات ممکن است به دلیل نفوذ یک نیروی ناشناخته در طبیعت به شکلی که «مدل استاندارد» پیش‌بینی می‌کند رفتار نکنند.

فرمیلب در یک زمین ۲۷۰۰ هیکتاری در نزدیکی شیکاگو مهمترین آزمایشگاه ذرات در آمریکاست

هرچند شواهد قوی است، فرمیلب هنوز به اثبات قطعی نرسیده است.

آنها امیدوار بودند تا این مقطع به اثباب مورد نظر رسیده باشند، اما عدم قطعیت در مورد آنچه مدل استاندارد می‌گوید باید تکان‌هایی در میون‌ها باشد، به دلیل تحولات در فیزیک نظری، بیشتر شده است.

به عبارت دیگر هدفی که فیزیکدان‌های تجربی می‌خواستند به آن برسند جابجا شده است.

محققان بر این باورند که داده‌های لازم را به دست خواهند آورد و عدم قطعیت نظری ظرف دو سال آنقدر کاهش خواهد یافت که به هدف خود برسند. با این حال تیمی رقیب در کوبنده بزرگ هادرون در اروپا امیدوار است زودتر به این نتیجه برسد.

اما مدل استاندارد چیست و چرا رسیدن به نتایجی تجربی که با پیش‌بینی‌های آن سازگار نیست یک مساله بزرگ است؟

همه چیز در جهان اطراف ما از اتم‌ها ساخته شده و اتم‌ها به نوبه خود از ذرات حتی کوچک‌تر تشکیل شده‌اند. برهم کنش این ذرات به ایجاد چهار نیروی طبیعی منجر می‌شود: الکتریسیته و مغناطیس (الکترومغناطیس)، دو نیروی هسته‌ای و نیروی جاذبه.

رفتار این ذرات با مدل استاندارد پیشبینی می‌شود و این مدل برای پنجاه سال این کار را بدون هیچ خطایی انجام داده است.

میون‌ها شبیه الکترون‌ها هستند اما حدود ۲۰۰ برابر سنگین‌ترند.

آنها در جریان آزمایش‌هایی با کمک مغناطیس‌های قدرتمند ابررسانا به تکان واداشته شدند.

کهکشان‌ها با سرعتی بیش از پیش‌بینی‌های مدل استاندارد می‌چرخند و از هم دور می‌شوند

نتایج نشان داد که میون‌ها سریعتر از آنچه مدل استاندارد می‌گوید تکان خوردند. پروفسور گرازیانو ونانزونی، از دانشگاه لیورپول، که یکی از محققان ارشد این پروژه است به بی‌بی‌سی نیوز گفت که این ممکن است به دلیل یک نیروی ناشناخته تازه باشد.

او گفت: «به نظر ما ممکن است نیروی دیگری وجود داشته باشد، چیزی که ما الان از آن خبر نداریم. این یک چیز متفاوت است، که ما 'نیروی پنجم' می‌نامیم.»

اگر این موضوع تایید شود، می‌تواند مهمترین دستاورد علمی از زمان نظریه نسبیت اینشتین باشد. به این دلیل که نیروی پنجم و هر ذره مرتبط با آن بخشی از مدل استاندارد فیزیک ذرات نیستند.

محققان می‌دانند که چیزی «ورای فیزیک مدل استاندارد» وجود دارد، چون نظریه کنونی نمی‌تواند خیلی از چیزهایی که اخترشناسان در فضا می‌بینند را توضیح دهد.

از جمله این واقعیت که سرعت انبساط جهان - افزایش فاصله کهکشان‌ها - از زمان مهبانگ نه کمتر بلکه بیشتر شده است. دانشمندان می‌گویند این شتاب ناشی از نیرویی ناشناخته به نام انرژی تاریک است.

به علاوه کهکشان‌ها با توجه به درک ما از میزان ماده‌ای که در آنها وجود دارد، سریع‌تر از آنچه که باید می‌چرخند. محققان معتقدند دلیل آن ذرات نامرئی به نام ماده تاریک است که این هم جزو مدل استاندارد نیست.

نتایج این مطالعه در نشریه «نامه‌های نقد فیزیکی» (Physical Review Letters) منتشر شده است.

منبع:  بی بی سی