اولین علامت «تکینگی مثلث» نادر نشان می‌دهد که ذرات در میانه پرواز هویت خود را عوض می‌کنند

منتشر شده در livescience به تاریخ ۸ سپتامبر ۲۰۲۱
لینک منبع 1st sign of elusive 'triangle singularity' shows particles swapping identities in mid-flight

فیزیک‌دانان با جستجوی داده‌های قدیمی شتاب دهنده ذرات، شواهدی از یک فرایند بسیار مبهم و هرگز دیده نشده را پیدا کرده‌اند: به اصطلاح تکینگی مثلث (triangle singularity).

برای اولین بار توسط فیزیکدان روسی لو لاندو در دهه 1950 مطرح شد، تکینگی مثلث به یک فرایند زیر اتمی نادر اشاره می‌کند که در آن ذرات قبل از دور شدن از یکدیگر هویت خود را مبادله می‌کنند. در این حالت، دو ذره-به نام کائون-دو گوشه مثلث را تشکیل می‌دهند، در حالی که ذراتی که مبادله می‌کنند نقطه سوم مثلث را تشکیل می‌دهند.

برنهارد کتزر، یکی از نویسندگان موسسه هلمهولتز برای تشعشع و فیزیک هسته‌ای در دانشگاه بن، در بیانیه‌ای گفت: « این ذرات شامل تبادل کوارک‌ها و تغییر هویت آن‌ها در این فرآیند بودند.»

و آن را تکینه می‌نامند زیرا روش‌های ریاضی برای توصیف برهم کنش‌های ذرات زیر اتمی تجزیه می‌شوند.

اگر این مبادله هویت ذرات عجیب و غریب واقعاً اتفاق بیفتد، می‌تواند به فیزیک‌دانان در درک نیروی قوی، که هسته را به هم متصل می‌کند، کمک کند.

اشاره به COMPASS

در سال ۲۰۱۵، فیزیکدانی که به مطالعه برخورد ذرات در سرن در سوئیس پرداخت، بر این باور بود که آن‌ها نگاه کوتاهی به مجموعه‌ای عجیب و غریب از ذرات شناخته‌شده به عنوان یک تتراکوارک داشته‌اند. اما تحقیقات جدید یک تفسیر متفاوت را ترجیح می‌دهند-چیزی حتی عجیب‌تر. به جای تشکیل یک گروه جدید، یک جفت از ذرات، پیش از پرواز، هویت خود را مبادله می‌کردند. این مبادله هویت به عنوان تکینگی مثلث شناخته می‌شود، و این آزمایش ممکن است به طور غیر منتظره اولین شواهد از آن فرآیند را تحویل داده باشد.

آزمایش COMPASS (دستگاه معمول میون و پروتون برای ساختار و طیف سنجی) در CERN نیروی قوی را مطالعه می‌کند. در حالی که این نیرو کار بسیار ساده‌ای دارد (نگه داشتن پروتون‌ها و نوترون‌ها به یکدیگر)، خود نیرو به طرز گیج‌کننده‌ای پیچیده است، و فیزیکدانان زمان سختی برای توصیف کامل رفتار آن در تمام تعاملات داشته‌اند.

بنابراین برای درک نیروی قوی، دانشمندان COMPASS ذرات را با انرژی فوق‌العاده بالا در داخل یک شتاب دهنده به نام Super Proton Synchrotron خرد می‌کنند. سپس، آن‌ها تماشا می‌کنند تا ببینند چه اتفاقی می‌افتد.

آن‌ها با یک پیون شروع می‌کنند، که از دو بلوک سازنده بنیادی تشکیل شده‌است، یک کوارک و یک آنتی کوارک. نیروی قوی کوارک و آنتی کوارک را در داخل پیون چسبیده نگه می‌دارد. بر خلاف دیگر نیروهای بنیادی طبیعت که با فاصله ضعیف‌تر می‌شوند، نیروی قوی با فاصله دورتر قوی‌تر می‌شود (کوارک‌ها را در یک نقطه اتصال با یک نوار لاستیکی تصور کنید-هر چه بیشتر آن‌ها را از هم جدا کنید، سخت‌تر می‌شود).

سپس، دانشمندان این پیون را تا سرعت نور تسریع می‌کنند و آن را به یک اتم هیدروژن می‌کوبند. این برخورد، پیوند نیروی قوی بین کوارک‌ها را می‌شکند و تمام انرژی محصور شده را آزاد می‌کند. کتزر گفت: « این به ماده تبدیل می‌شود، که ذرات جدیدی ایجاد می‌کند.» بنابراین آزمایش‌هایی مانند این اطلاعات مهمی را در مورد تعامل قوی در اختیار ما می‌گذارند.

چهار نیروی بنیادی طبیعت وجود دارد، از جمله جاذبه، ضعیف‌ترین مورد دسته (نشان‌داده‌شده در گوشه سمت چپ بالا) ؛ الکترومغناطیس، که در مقیاس‌های بسیار کوچک‌تر کار می‌کند؛ نیروی هسته‌ای ضعیف، که مسئول هسته‌ها در تبدیل اتم‌ها از پروتون‌ها به نوترون‌ها و نشر تابش بتا در این فرآیند است؛ و نیروی قوی، که هسته‌ها را در یک هسته اتمی و همچنین کوارک‌ها را در داخل هسته‌ها نگه می‌دارد.

چهار کوارکی یا یک مثلث؟

در سال 2015، COMPASS رکورد 50 میلیون برخورد را تجزیه و تحلیل کرد و سیگنال جالبی پیدا کرد. در پی این برخوردها، کمتر از 1 درصد مواقع یک ذره جدید ظاهر شد. آن‌ها ذره را «a1 (۱۴۲۰) » نامگذاری کردند و در ابتدا فکر کردند که آن یک گروه جدید از چهار کوارکی است-یک تتراکوارک. با این حال، آن تتراکوارک ناپایدار بود، بنابراین به چیزهای دیگر تجزیه شد.

کوارک‌ها معمولاً در گروه‌های سه تایی (که پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند) یا جفت (مانند پیون‌ها) می‌آیند، بنابراین این یک موضوع مهم و جدی بود. در واقع یک گروه چهارتایی از کوارک‌ها یافته نادری بودند.

اما این تحلیل جدید، که در ماه آگوست در مجله «Physical Review Letters» منتشر شد، تفسیر حتی عجیب‌تری را ارائه می‌دهد.

به جای ایجاد خلاصه یک تتراکوارک جدید، تمام آن برخوردهای پیونی چیزی غیر منتظره ایجاد کرد: تکینگی مثلث افسانه‌ای.

در اینجا مثلث‌ها می‌آیند

این چیزی است محققان پشت تجزیه و تحلیل جدید فکر می‌کنند در حال انجام است. پیون به اتم هیدروژن برخورد می‌کند و با تمام انرژی نیروی قوی که سیلی از ذرات جدید را تولید می‌کند، تجزیه می‌شود. برخی از این ذرات کائون هستند که نوع دیگری از جفت کوارک-آنتی کوارک هستند. به ندرت، هنگامی که دو کائون تولید می‌شود، آنها راه‌های جداگانه خود را شروع می‌کنند. در نهایت این کائون‌ها به ذرات پایدارتر دیگر تجزیه می‌شوند. اما قبل از اینکه این کار را بکنند، یکی از کوارک‌های خود را با یکدیگر مبادله می‌کنند و خود را در این فرآیند تغییر می‌دهند.

این تبادل کوتاه کوارک‌ها بین دو کوارکی است که از سیگنال یک کوارکی تتراکوارک تقلید می‌کند.

کیتزر، که همچنین عضو منطقه تحقیقات فرارشته‌ای "بلوک‌های سازنده مواد و تعاملات اساسی" (TRA Matter) است، می‌گوید: "ذرات درگیر کوارک مبادله کردند و هویت خود را در این روند تغییر دادند." « سپس سیگنال حاصل دقیقا شبیه به سیگنال حاصل از یک تتراکوارک است.»

اگر شما مسیرهای تک‌تک ذرات را بعد از برخورد اولیه ترسیم کنید، جفت کائون دو پا را تشکیل می‌دهند و ذرات مبادله‌شده یک سوم بین آن‌ها را تشکیل می‌دهند، که باعث می‌شود یک مثلث در نمودار ظاهر شود، و از این رو نام‌گذاری می‌شود.

در حالی که فیزیکدانان تکینگی‌های مثلثی را برای بیش از نیم‌قرن پیش‌بینی کرده‌اند، این نزدیک‌ترین آزمایشی است که واقعا یک مورد را مشاهده کرده‌است. با این حال، هنوز هم یک مسئله بی چون و چرا نیست. مدل جدید فرآیند شامل تکینگی‌های مثلثی، پارامترهای کمتری نسبت به مدل تتراکوارک دارد و برازش بهتری با داده‌ها دارد. اما قطعی نیست، زیرا مدل اولیه تتراکوارک هنوز می‌تواند داده‌ها را توضیح دهد.

با این حال، این ایده جذابی است. اگر ادامه یابد، یک کاوشگر قدرتمند از نیروی هسته‌ای قوی خواهد بود، زیرا ظهور تکینگی های مثلثی، پیش‌بینی درک ما از آن نیرو است که هنوز به طور کامل مورد بررسی قرار نگرفته است.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقالات علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است. در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.