کشف جدید محققان سرن (CERN) در آزمایشگاه برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) پرده از رمز بقای ماده در جهان برداشت و به پاسخ یکی از بنیادینترین پرسشهای فیزیک نزدیکتر شد: چرا جهان از ماده تشکیل شده است و نه ضد ماده؟ مطالعات اخیر، شواهد قابل توجهی از تفاوت بنیادی در رفتار ماده و ضد ماده را به نمایش گذاشتند؛ تفاوتی که دانشمندان سالها در انتظار کشف آن بودند.
زمینه علمی: اصل تقارن بار-پاریته و نقش آن در کیهان
بار-پاریته (Charge-Parity یا CP) در فیزیک ذرات، یک تقارن بنیادین است که مدتها فرض میشد قوانین طبیعت فارغ از تبدیل ذره به ضدذره و معکوسسازی فضایی، تغییری نمیکنند. اگر این فرض کاملاً برقرار بود، ماده و ضد ماده باید دقیقاً یکسان رفتار میکردند. اما واقعیت کیهان، دنیایی غرق در ماده است: از کهکشانها گرفته تا کوچکترین دانههای شن، همگی از ماده ساخته شدهاند، در حالیکه ضد ماده بسیار نادر است. این پرسش مطرح شد که چه چیزی باعث عدم تقارن شده است؟
پاسخ احتمالی این معما، نقض CP بود. این پدیده قبلاً تنها در دستهای از ذرات موسوم به مزونها دیده شده بود. اما اکنون، برای نخستین بار، شواهد مستقیمی از CP نقض در باریونها—ذراتی مانند پروتون و نوترون که بخش اعظم ماده جهان را تشکیل میدهند—به دست آمده است.
جزئیات آزمایش سرن و دستاوردهای کلیدی
تیم پژوهشی سرن با بررسی دادههای جمعآوریشده بین سالهای ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۸ در آشکارساز LHCb، نزدیک به ۸۰ هزار رویداد واپاشی ذره را بررسی کرد. تمرکز آنان بر باریونهای لامبدا-بیوتی (Λb) و ضدذرههای متناظرشان بود. هدف: یافتن کوچکترین تفاوت در نحوه واپاشی آنها.
در یک جهان با تقارن کامل CP، ذره و ضدذره باید—اگرچه بهصورت آینهای—در فرآیند واپاشی محصولات یکسانی تولید کنند. اما یافتهها حکایت از تفاوت ۲.۵ درصدی در نرخ واپاشی باریون و ضدباریون داشت. دکتر شوتینگ یانگ، فیزیکدان سرن و نویسنده اول مقاله، تاکید میکند: «این اختلاف اگرچه اندک به نظر میرسد، اما از نظر آماری بسیار معنیدار است.»
نتیجهی به دست آمده دارای سطح اطمینان ۵.۲ سیگما است؛ یعنی احتمال اینکه این اثر صرفاً ناشی از نوسانات تصادفی داده باشد، تنها یک در ده میلیون تخمین زده میشود. این یافته برجسته نه تنها تأییدی بر پیشبینی مدل استاندارد فیزیک ذرات است، بلکه افقهای جدیدی در جستجوی قوانین فراتر از مدل استاندارد میگشاید.
اهمیت کشف و تاثیر آن بر آینده پژوهش فیزیک بنیادی
توضیح منشأ عدم تقارن میان ماده و ضد ماده، نقشی حیاتی در درک ما از تکامل کیهان ایفا میکند. طبق نظریه انفجار بزرگ (Big Bang)، در آغاز به میزان برابر ماده و ضد ماده تولید شد. اگر قاعدهای وجود نمیداشت تا این دو را به یک اندازه ایجاد یا نگهداری کند، نخستین لحظات جهان با انفجاری فراگیر از بین میرفت و عرصهای خالی باقی میماند.
پیدا شدن نشانههای قابل توجه از CP نقض در باریونها، گام بسیار مهمی است، اما کافی نیست. دکتر یانگ در این زمینه توضیح میدهد: «میزان نقض CP در طبیعت باید بسیار بیشتر از آنچه مدل استاندارد پیشبینی میکند، باشد تا بتواند این عدم تقارن چشمگیر را توجیه کند. این موضوع قویاً به وجود فیزیکی فراتر از مدل استاندارد اشاره دارد.»
تستهای گرانشی و مطالعات مرتبط
از آنجا که یکی از فرضیات مطرح، تفاوت رفتار ضد ماده نسبت به ماده در میدان گرانشی بود، دانشمندان پیشتر آزمایش «سقوط» ضد ماده را انجام دادند و تأیید کردند که ضد ماده نیز مانند ماده به سمت زمین جذب میشود و نه اینکه برخلاف آن بالا رود. اما حالا کشف تازه در زمینه واپاشی، جنبهای دیگر از تفاوتهای پنهان را آشکار ساخته است.
هرچند این کشف پاسخ نهایی به راز برتری ماده نیست، اما دریچهای نو برای مطالعه رفتار مغایر CP در باریونها میگشاید—شاخهای که پیشتر تا حد زیادی کشفنشده باقی مانده بود. فیزیکدانان همچنان در جستجوی منابع جدید نقض CP هستند تا شاید سرنخی از «فیزیک نو» یا قوانین بنیادی ناشناخته به دست آورند.
آینده پژوهش و سوالات باز
این کشف جدید، چشمانداز علوم بنیادی را دگرگون میکند و ابزار قدرتمند تازهای به دست جامعه علمی میدهد تا به ریشههای شکلگیری هستی پی ببرند. هماکنون برنامههای پژوهشی متعددی در دستور کار است تا نقض CP در ذرات مختلف با دقتهای بالاتر مطالعه شود. با پیشرفتهای فناوری شتابدهندههای ذرات و سامانههای آشکارسازی، امید میرود کشف منابع ناشناخته نقض CP راه را برای بازنگری بنیادین در مدل استاندارد باز کند.
در نهایت تلاشها برای حل «معمای ماده و ضد ماده» ادامه دارد؛ معمایی که پاسخش بر ساختار کل کیهان و فهم ما از جایگاه انسان در آن تاثیرگذار خواهد بود.
نتیجهگیری
کشف اخیر نقض CP در باریونها توسط تیم سرن، گامی تعیینکننده است که نه تنها مدلهای کنونی فیزیک را محک میزند، بلکه جستجوی قوانین جدید طبیعت را نیز تسهیل خواهد کرد. این مطالعه، اهمیت کاوشهای بنیادی درباره ماده، ضد ماده و نیروهای بنیادین جهان را برجسته ساخته و چشمانداز آینده پژوهش در فیزیک ذرات را روشنی میبخشد. ادامه کاوشها شاید روزی پاسخ نهایی را به ما بدهد: چرا «هستی» هست؟