تحقیقات نشان می‌دهد تتراکوارک‌ها باید وجود داشته باشند

[آیدا.ف]

تاجایی که ما می‌دانیم، کوارکها ذرات بنیادین کیهان محسوب می‌شوند. نمی‌توان یک کوارک را به ذره کوچکتری تبدیل کرد. گرچه تصور اینکه این ذرات بصورت یکسانی کوچک باشند چندان هم صحیح نیست. با اینکه کوارک‌ها ذرات کوچکی هستند اما اندازه یکسانی ندارند. برخی کوارک‌ها بزرگتر از انواع دیگر خود بوده و می‌توانند تشکیل مزون(۱ کوارک + ۱ پادکوارک) یا باریون(۳ کوارک مختلف) بدهند. ما ۶ نوع کوارک را بر اساس موقعیت آنها شناسایی کردیم: بالا، پایین، بالاترین، پایین‌ترین، افسون و عجیب. همانطور که گفته شد، کوارک‌ها به صورت کوارک-پادکوارک یا سه گانۀ کوارکی به یکدیگر ملحق می‌شوند تا مجموع بار آنها به مثبت ۱ برسد.

از دیرباز فرایند جفت شدن تتراکوارک مذکور ذهن دانشمندان را دچار سردرگمی کرده است. یک هادرون به ۲ جفت کوارک-پادکوارک نیاز دارد که توسط نیروی هسته‌ای قوی در کنار یکدیگر قرار گرفته باشند. حال، این نیرو برای جفت شدن و واکنش دادن با جفت دیگر کافی نیست. برای اینکه یک تتراکوارک واقعی داشته باشیم، باید هر ۴ کوارک با یکدیگر واکنش دهند و به شکل یک نوسانگر کوانتومی(quantum swingers) عمل کنند.

نوسانگر “کوارکی”

شاید مفهوم راست و پوست کنده‌ای به نظر برسد. چهار کوارک را با یکدیگر پرتاب کنیم و آنها واکنش می‌دهند، نه؟ باید گفت لزوما اینطور نیست. نمی‌توان با اطمینان گفت این ذرات با یکدیگر حتما واکنش می‌دهند. مارک کارلینر از دانشگاه تلآویو در گفتگو با مجلۀ Live Science اظهار داشت که درست مثل اینکه دو نفر را به داخل یک خانه هدایت کنیم و اطمینانی از جفت شدن آنها نداشته باشیم، از جفت شدن کوارک‌ها نیز مطمئن نیستیم. نزدیکی مکانی میان دو انسان و دو کوارک تضمین کنندۀ جفت شدن آنها نیست.

کارلینر اظهار داشت: «سوال بزرگ ما این است که چنین ترکیباتی پایدار هستند یا به سرعت به دو مسون کوارک-پادکوارک تجزیه می‌شوند. سالها تحقیقات آزمایشگاهی بی نتیجه ماند و هیچکس از وجود تتراکوارک‌های پایدار مطمئن نیست.» تتراکوارک “اد-هوک” در اغلب بحث‌های اخیر شنیده می‌شد. تتراکوارک‌هایی که در آن ۴ کوارک جفت شده اما واکنش نمی‌دهند. سالهاست یافتن کوارک واجد شرایط به “جام مقدس” علم فیزیک تبدیل شده است و ما بصورت دردناکی به آن نزدیک شده‌ایم.

این کوارک‌ها را نمی‌توان به آسانی مشاهده نمود و لازم به ذکر نیست که پیش‌بینی وجود چنین آرایشی میان کوارک‌ها بسیار دشوار است. طبق قوانین پایه فیزیک، به هم پیوستن ۴ کوارک و تشکیل یک هادرون پایدار غیرممکن است. اما دو فیزیکدان راهی برای ساده‌سازی روشی برای یافتن تتراکوارک‌ها یافتند. درست مثل اینکه بخواهیم مکانیک کوانتوم را ساده‌سازی کنیم!

چندسال پیش، کارلینر و همکار او، جاناتان روزنر از دانشگاه شیکاگو، در صدد پایه‌گذاری نظریه‌ای برآمدند. در این نظریه، اگر شما جرم و انرژی پیوند هادرون‌های نادر را بدانید، می‌توانید آنها را با هادرون‌های معمولی مقایسه کنید. آنها در تحقیقات خود به بررسی کوارک‌های افسون پرداختند(کوراک‌هایی که حداقل در فیزیک کوانتوم شناخته و درک شده‌اند). طبق بررسی‌های انجام شده، آنها باریون‌هایی با بار ۲ برابر پیشنهاد دادند که جرم آنها باید چیزی حدود ۳۶۲۷ MeV, +/- 12 MeV باشد. قدم بعدی این است که مرکز تحقیقاتی سرن را راضی کرد تا با استفاده از محاسبات موجود، به دنبال تتراکوارک‌ها برود.

خردکردن اتمها

برخورد دهنده هادرونی بزرگ دقیقا همان چیزی است که از نام آن پیدا است و چشم انسان نمی‌تواند فرایندهای بسیاری که در آن به وقوع می‌پیوندند را رصد کند. این دستگاه یک شتاب دهندۀ بزرگ ذرات است که اتمها را به یکدیگر برخورد می‌دهد و کوارک درونی آنها را به نمایش می‌گذارد. اگر قصد اثبات وجود یک ذرۀ بسیار کوچک نظری را دارید، برخورد دهنده هادرونی بزرگ، راه حل شماست. گرچه راهی برای پیش‌بینی زمانی که ذره مورد نظر شما پدیدار می‌شود، وجود ندارد.

پس از چند سال، بالاخره در تابستان سال ۲۰۱۷ میلادی، برخورد دهنده موفق به رصد یک باریون جدید شد؛ باریونی با یک کوارک بالا و ۲ کوارک افسون سنگین. درست همان کوارکی که کارلینر و روزنر انتظارش را می کشیدند. جرم این باریون ۳۶۲۱ MeV بود. این عدد به محاسبات کارلینر و روزنر بسیار نزدیک بود. پیشتر فیزیکدانان وجود حداقل یک کوارک سنگین را در باریون پیش‌بینی کرده بودند. این یافته قدمی مهم محسوب می‌شد. تنها یک کوارک پایین‌ترین نیاز بود تا یک تتراکوارک پایدار تشکیل شود.

ناامیدی در مطالعات ذرات آنجاست که میدانیم آنها عمر زیادی ندارند. به خصوص باریون ها در کمتر از یک چشم به هم زدن ناپدید می‌شوند(۱ تریلیونیم ثانیه). البته به لطف برخورد دهنده هادرونی بزرگ، این مقدار در دنیای فیزیک کوانتوم، زمان زیادی محسوب می‌شود. مشکل بزرگی در این برخورددهنده وجود دارد؛ احتمال پدیدار شدن ذرات سنگین‌تر بسیار پایین است و از آنجایی که این وقایع در اندازه‌های بسیار کوچکی صورت می‌گیرند، کوارک‌های پایین‌ترین اندازۀ بسیار بزرگی دارند.

پرسش بعدی برای کرلینر و روزنر این بود که آیا تلاش برای ساخت یک تتراکوارک، از انتظار برای تشکیل خود به خودی آن، کار عقلانی‌تری بود؟ شما باید ۲ کوارک پایین‌ترین را به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک کنید تا متصل شوند و سپس آنها را در یک جفت پادکوارک سبک‌تر بیاندازید و آنقدر این کار را تکرار کنید تا یک تتراکوارک تشکیل شود. کارلینر گفت: «در مقاله ما از داده‌های اکتشاف بزرگ باریون با ۲ کوارک افسون استفاده شده است. تتراکوارک‌ها باید وجود داشته باشند. احتمال آن زیاد است که برخورد دهنده هادرونی بزرگ مرکز تحقیقاتی سرن بتواند این پدیده را بصورت تجربی آزمایش و رصد کند.»

البته هنوز این موضوع در حد فرضیه باقی است اما هر کس بخواهد این آزمایش را انجام دهد برخورد دهنده قادر به انجام این کار است. شاید هم ترکیب مورد نظر به خودی خود شکل بگیرد. همانطور که کارلینر متذکر شد، سالها تصور بر این بود که تتراکوارک‌ها غیرممکن هستند. حداقل موضوع این است که این ذرات در تضاد با مدل استاندارد فیزیک هستند. اما تصورات قبلی ما اکنون به چالش کشیده شده‌اند. کارلینر اضافه کرد: «تتراکوارک شکل جدیدی از ماده با واکنش‌های بسیار قوی است؛ همچنین باریون‌ها و مزون‌های معمولی نیز اینطور هستند.»

اگر تتراکوارک‌ها ممکن باشند، یا حتی محتمل، به لطف محاسبات کارلینر و روزنر، حداقل ما می‌توانیم درک بهتری از آن چیزی که به دنبال آن هستیم و مکان احتمالی آن، داشته باشیم. به قولی، دود نشانه آتش است. شاید مکانیک کوانتوم همانند دود به نظر بیاید اما فیزیکدانان نظری هنوز تسلیم نشدند. جایی که ۲ کوارک پایین‌ترین وجود دارد، شاید تتراکوارک هم وجود داشته باشد.