حل یک راز بزرگ کوانتومی توسط فیزیکدانان؛ اکنون نتایج قدیمی همخوانی ندارند
سالها پس از آنکه فیزیکدانان در آزمایشگاه ملی شتابدهنده فرمی (Fermilab) در ایلینوی از یک حلقه مغناطیسی غولپیکر برای اندازهگیری دقیق نوسان میون (muon) استفاده کردند، پژوهشگران همچنان سرگرم تحلیل این نتیجه هستند.
برای ۲۵ سال، فیزیکدانان با سردرگمی ناشی از یک مسئله «یک در میلیون» روبهرو بودند. انتظارات آنها از نحوه نوسان برخی ذرات در یک میدان مغناطیسی با آنچه در آزمایشها میدیدند ناهمخوان بود. این اختلاف، نشانهای هیجانانگیز از احتمال وجود ذرات ناشناخته تلقی میشد.
سپس در سال ۲۰۲۱، به نظر رسید که این نشانه ناپدید شده است. وقتی پژوهشگران روش محاسبات نظری خود را بهروزرسانی کردند، دریافتند که پیشبینیهایشان با دقت بسیار بیشتری نسبت به قبل — تا یک بخش در ۱۰۰ میلیارد — با نتایج تجربی مطابقت دارد.
اما این موضوع به نوبه خود معما و چالش دیگری ایجاد کرد: محاسبات قدیمی کاملاً معتبر به نظر میرسیدند. پس چرا با محاسبات جدید همخوانی ندارند؟ آن پیشبینیهای قدیمی صرفاً بر پایه نظریه نبودند؛ بلکه از آزمایشهای دیگر نیز استنتاج شده بودند. اگر محاسبات قدیمی با نتایج جدیدتر تناقض داشتند و بر اساس دادههای تجربی بودند، آیا در آن آزمایشهای قدیمی اتفاق عجیبی رخ داده بود؟
یک سرنخ امیدبخش از یک برخورددهنده ذره در سیبری به دست آمده است که اخیراً نتایج آزمایشهای آن به طور چشمگیری با آنچه خود و سایر برخورددهندهها در گذشته دیدهاند، زاویه پیدا کرده است. این نتایج موجی از فعالیتها را برانگیخته است، زیرا فیزیکدانان تلاش میکنند تعیین کنند آیا اندازهگیریهای متناقض ناشی از عوارض جانبی روشهای مختلف آزمایشگاهی است یا نشانهای از بروز ذرات جدید.
میون و عامل g
ذرهای که در مرکز این معما قرار دارد میون است، خویشاوند سنگینتر الکترون. یک میون تا حدی شبیه به یک آهنربای میلهای کوچک عمل میکند. اگر آن را در یک میدان مغناطیسی به چرخش درآورید، خاصیت مغناطیسی باعث نوسان و ایجاد دایرههای کوچکتر توسط آن میشود. اندازه این دایرهها با عددی به نام «عامل g» (g-factor) تعیین میشود.
اگر میون ایزوله و جدا از سایر ذرات باشد، عامل g آن دقیقاً برابر ۲ خواهد بود. اما نظریه کوانتوم حکم میکند که تمام ذرات دیگر بر عامل g تأثیر میگذارند. همانطور که میون مینوساند، ذراتی مانند فوتونها را آزاد میکند که عمرشان کوتاهتر از آن است که در آشکارسازها ظاهر شوند. این ذرات میتوانند ذرات دیگری آزاد کنند و آنها نیز ذرات بیشتری. میون به سرعت همه این ذرات زودگذر را دوباره جذب میکند و تنها اثری که به جا میگذارند این است که میون کمی بیشتر مینوساند. از طریق این زنجیرههای پیچیده گسیل و جذب مجدد، هر ذره موجود در جهان تأثیر کوچکی بر حرکت میون دارد.
این موضوع باعث میشود اندازه دقیق نوسان اضافی، یعنی «g–2» میون، به عنوان پنجرهای به دنیای کوانتوم بسیار ارزشمند باشد. الکس کشاورزی (Alex Keshavarzi)، پژوهشگر ارشد دانشگاه کالج لندن میگوید:
blockquote>
«اندازهگیری g–2 میون معیاری برای سنجش تعداد ذرات موجود در جهان است.»
blockquote>
بنابراین زمانی که یک آزمایش در آزمایشگاه ملی بروکهاون در لانگ آیلند در سال ۲۰۰۱ عامل g میون را اندازهگیری کرد، فیزیکدانان از اینکه بزرگتر از حد انتظار بود هیجانزده شدند. برای برخی، این امر نشاندهنده آن بود که ذرات جدیدی — شاید حتی ذراتی که میتوانند ماده تاریک را توضیح دهند — در کار هستند.
انتقال حلقه مغناطیسی و چالشهای محاسباتی
فیزیکدانان دست به کار شدند تا نتیجه را با اندازهگیری دقیقتر بررسی کنند. در سال ۲۰۱۳، حلقه مغناطیسی ۱۵ متری (۵۰ فوتی) بروکهاون از طریق مجموعه پیچیدهای از بارجها و کامیونها به آزمایشگاه ملی شتابدهنده فرمی (Fermilab) در ایلینوی منتقل شد، جایی که نسخه ارتقایافته آزمایش دادههای بیشتری را جمعآوری میکرد.
برای آمادهسازی آن آزمایش جدید، فیزیکدانان تلاش زیادی کردند تا پیشبینی نظری ناهمخوان با دادهها را درک کنند. چالش آنها درک جزئیات دقیق زنجیرههای گسیل و جذب میون بود؛ بهویژه اینکه ذرات مرتبط با هر یک از چهار نیروی بنیادی طبیعت تا چه حد در این زنجیرهها مشارکت دارند.
محاسبه برای سه نیروی از چهار نیروی طبیعت ساده است. گرانش آنقدر ضعیف است که فیزیکدانان میتوانند آن را نادیده بگیرند. نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هستهای ضعیف نیز با روشهای استاندارد استنتاج میشوند.
اما مواجهه با نیروی هستهای قوی به این بساطت نیست. این نیرو ذراتی به نام کوارکها (quarks) را به شدت پیوند میدهد تا ذرات مرکبی مانند پروتونها و نوترونها را تشکیل دهند. روشهای نظری استاندارد روی نیروی قوی کارساز نیستند، بنابراین فیزیکدانان مجبورند خلاقیت به خرج دهند.
روش مبتنی بر داده در برابر کرومودینامیک کوانتومی شبکهای
الکس کشاورزی در رساله دکتری خود در سال ۲۰۱۸ به بهبود روش جایگزینی برای درک نیروی قوی به نام «روش مبتنی بر داده» (data-driven method) کمک کرد. در این روش، فیزیکدانان سعی نمیکنند پیشبینی کنند میونها هر چند وقت یکبار گروههایی از کوارکها را گسیل و جذب میکنند، بلکه به میدان رفته و آن را اندازهگیری میکنند.
روش اصلی این کار، برخورد دادن الکترونها و پادذرههای آنها یعنی پوزیترونها است. ماده و پادماده یکدیگر را نابود کرده و ذرات دیگری از جمله بستههای کوارکی ایجاد میکنند. اگر کوارکهای زیادی ظاهر شوند، فیزیکدانان میدانند که آنها پیوند کوانتومی محکمی با ذراتی مانند الکترونها و پوزیترونها دارند. خلاصه اینکه، هرچه کوارکهای بیشتری در برخوردهای الکترون-پوزیترون ظاهر شوند، تأثیر قویتری بر میون خواهند گذاشت.
با استفاده از روش مبتنی بر داده، فیزیکدانان اندازه مورد انتظار نوسان مغناطیسی میون را محاسبه کردند. این پیشبینی که در ژوئن ۲۰۲۰ منتشر شد، با اندازهگیری دقیق تجربی فرمیلب در آوریل ۲۰۲۱ تفاوت شدیدی داشت. این اختلاف آنقدر قوی بود که تقریباً از آستانه سختگیرانهای که فیزیکدانان برای ادعای کشف ذرات جدید نیاز دارند عبور کرد.
اما یک محاسبه نظری دیگر داستانی متفاوت را روایت میکند.
همه فیزیکدانان از روش مبتنی بر داده برای محاسبه نوسان میون استفاده نکردند. برخی روی یک تکنیک خالصتر نظری کار میکردند. این رویکرد شباهت زیادی به پیشبینی هواشناسی دارد؛ در حالی که از نظر تئوری بررسی لغزش هر باد در جو ممکن است، اما در عمل کاری ناممکن است. در عوض، هواشناسان جو را به شبکهای از جعبههای بزرگ سهبعدی تقسیم کرده و تغییرات میانگین را محاسبه میکنند.
به همین ترتیب، برای فیزیکدانان نیز پیگیری هر تعامل نیروی قوی بین هر جفت کوارک بسیار دشوار است. بنابراین آنها از تکنیکی به نام «کرومودینامیک کوانتومی شبکهای» (Lattice QCD) استفاده میکنند تا رفتار کلی کوارکها را روی یک شبکه بزرگ شبیهسازی کنند.
در سال ۲۰۱۴، یک همکاری بین پژوهشگران بوداپست مجارستان، مارسی فرانسه و ووپرتال آلمان (گروه BMW) پروژهای را برای استفاده از Lattice QCD جهت محاسبه عامل g میون آغاز کرد.
در ابتدا، پیشبینیهای آنها ۱۰ برابر نامشخصتر از استنتاجات مبتنی بر داده بود. با این حال، پس از یک دهه توسعه تکنیکهای محاسباتی و افزایش قدرت پردازش، گروه BMW موفق شد شبکههایی دقیق ایجاد کند. در سال ۲۰۲۱، همزمان با انتشار نتایج فرمیلب، نتیجه گروه BMW در مجله Nature منتشر شد.
طبق محاسبات شبکهای گروه BMW، میونهای فرمیلب دقیقاً همانطور که باید مینوسیدند، مینوسیدند. از آن زمان، گروههای مستقل دیگر نیز محاسبات مشابهی را منتشر کردهاند.
امروزه بسیاری از فیزیکدانان بر این باورند که راز میون حل شده است: بر اساس شبیهسازیهای شبکهای، نوسان اضافی میون به طور کامل با گسیل و جذب ذرات شناختهشده تحت قوانین شناختهشده نیروها قابل توضیح است.
تناقض جدید در برخورددهنده سیبری
پس چرا روش مبتنی بر داده نتیجه متفاوتی نشان میدهد؟ برای درک این مسئله، فیزیکدانان در حال بررسی دقیق برخوردهای الکترون-پوزیترون هستند که مبنای این روش است. این برخوردها قرار است پنجرهای مستقیم به رفتار کوارکها باشند، اما محاسبات بر اساس این دادهها هم با جدیدترین نتایج تجربی و هم با پیشبینی BMW ناهمخوان است.
در شهر نووسیبیرسک در جنوب سیبری، برخورددهنده VEPP-2000 از آغاز هزاره جدید مشغول برخورد دادن الکترونها به پوزیترونها بوده است. این یک برخورددهنده نسبتاً آرام است که با انرژی ۶۰۰۰ بار کمتر از برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سرن کار میکند.
دستگاه VEPP-2000 دارای دو آشکارساز است که به دقت تعداد بستههای کوارکی به نام پیون (pion) را شمارش میکنند. در سال ۲۰۱۰، آشکارساز جدیدی نصب شد و در سال ۲۰۲۳ نرخ جدید تولید پیون منتشر شد که نشاندهنده تغییر قابل توجهی بود.
فدور ایگناتوف (Fedor Ignatov)، فیزیکدان دانشگاه لیورپول و عضو این تیم گفت:
blockquote>
«این یک غافلگیری بود. هیچکس انتظار چنین چیزی را نداشت.»
blockquote>
شبیهسازیهای اخیر مبتنی بر شبکه با نرخ تازه اندازهگیریشده همخوانی دارند و دادههای اولیه از آشکارساز دیگر VEPP-2000 نیز با آن مطابقت دارد. در همین حال، تحلیل سال ۲۰۲۳ از دادههای قبلی برخورددهنده BABAR در کالیفرنیا، با نرخهای قدیمیتر مطابقت کامل دارد.
همه اینها فیزیکدانان را با این پرسش مواجه کرده است که واقعاً در این آزمایشهای برخورددهنده چه میگذرد. این اختلافات یا به ذرات ناشناخته اشاره دارند یا به جزئیات غفلتشدهای که جلب توجه کردهاند. در هر صورت، فیزیکدانان ذرات تا زمانی که این معما را حل نکنند، آرام نخواهند گرفت.
کشاورزی میگوید:
blockquote>
«چهار دهه اندازهگیری قبل از آن وجود دارد که همگی به روشهای مختلف، توسط افراد مختلف و آزمایشهای مختلف انجام شدهاند و تصاویری کاملاً متفاوت ارائه میدهند. هنوز کار زیادی برای انجام دادن باقی مانده است.»
blockquote>