داده‌های LHC رفتاری از ذرات را نشان می‌دهد که فراتر از مدل استاندارد فیزیک است

برای نیم قرن، مدل استاندارد فیزیک ذرات موفق‌ترین نظریه علمی بوده که تاکنون تدوین شده و اجزای بنیادی سازنده جهان را با دقتی شگفت‌آور پیش‌بینی کرده است. اما فیزیکدانان مدت‌هاست می‌دانند که این مدل ناقص است. این مدل ماده تاریک، انرژی تاریک یا گرانش را توضیح نمی‌دهد. اکنون، در اعماق زیر مرز سوئیس و فرانسه، برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) سرانجام شکافی را در این بنیاد پیدا کرده است که دانشمندان به دنبال آن بودند.[3]

داده‌های حاصل از آزمایش LHCb، یکی از چهار آشکارساز اصلی در سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای (CERN)، نشان داده است که ذرات زیراتمی به گونه‌ای رفتار می‌کنند که مستقیماً قوانین اصلی مدل استاندارد را نقض می‌کند. این ناهنجاری، که شامل واپاشی ذرات سنگینی به نام مزون‌های B است، رسماً از آستانه «پنج سیگما» عبور کرده است – معیار طلایی در فیزیک ذرات که نشان‌دهنده احتمال ۱ در ۳.۵ میلیون است که نتیجه صرفاً یک تصادف آماری باشد.

این همان لحظه‌ای است که جامعه فیزیک از زمان کشف بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ منتظر آن بود. محققان دیگر صرفاً نظریه‌های قدیمی را تأیید نمی‌کنند؛ آنها سرانجام در حال مشاهده شبح فیزیک جدید هستند. این یافته‌ها قویاً حاکی از وجود نیروهای بنیادی کشف‌نشده یا دسته‌های کاملاً جدیدی از ذرات است که با جهان شناخته‌شده ما در تعامل هستند.[3]

برای درک اهمیت این کشف، باید به اصلی به نام «جهان‌شمولی طعم لپتون» (lepton flavor universality) توجه کرد. طبق مدل استاندارد، الکترون‌ها و خویشاوندان سنگین‌تر آنها – میون‌ها و ذرات تاو – باید توسط نیروهای بنیادی طبیعت دقیقاً به یک شکل رفتار شوند و تنها در جرم با یکدیگر تفاوت داشته باشند. اگر ذره‌ای به الکترون واپاشی کند، باید با در نظر گرفتن تفاوت جرمی، با همان نرخ دقیق به میون نیز واپاشی کند.[1][2]

اما این چیزی نیست که آشکارساز LHCb مشاهده می‌کند. محققان با تجزیه و تحلیل میلیاردها برخورد پروتون-پروتون که در طول «اجرای ۳» (Run 3) LHC با انرژی رکوردشکن ۱۳.۶ ترا الکترون ولت (TeV) تولید شد، مشاهده کردند که مزون‌های B تقریباً ۱۵ درصد بیشتر به الکترون واپاشی می‌کنند تا به میون.[1]

مدل استاندارد به شدت این ترجیح را ممنوع می‌کند. اگر جهان واقعاً الکترون‌ها و میون‌ها را به طور مساوی در نظر بگیرد، نسبت این واپاشی‌ها باید دقیقاً یک باشد. انحراف مداوم از این نسبت، مدرک غیرقابل انکاری است که نشان می‌دهد یک نیروی ناشناخته در فرآیند واپاشی دخالت می‌کند و تعادل را بر هم می‌زند.[1][3]

سفر به این نقطه عطف پنج سیگما به طرز دردناکی کند و دقیق بوده است. اولین نشانه‌های این ناهنجاری در سال ۲۰۱۴ ظاهر شد، اما داده‌ها برای رد کردن نویز پس‌زمینه یا سوگیری آشکارساز بسیار کم بود. در طول دهه گذشته، همکاری LHCb الگوریتم‌های خود را به طور کامل بازنگری کرده، آشکارسازهای ردیابی خود را ارتقا داده و مجموعه داده عظیمی را برای از بین بردن هرگونه احتمال خطای سیستماتیک جمع‌آوری کرده است.

بررسی‌های متقابل سخت‌گیرانه شامل تحلیل‌های «کور» بود، جایی که فیزیکدانان نتیجه نهایی را از خود پنهان می‌کنند تا زمانی که تمام مراحل کالیبراسیون تثبیت شوند، و از هدایت ناخودآگاه داده‌ها به سمت نتیجه مطلوب جلوگیری می‌کنند. این واقعیت که ناهنجاری از این فرآیند بررسی بی‌رحمانه جان سالم به در برده است، چیزی است که جامعه جهانی فیزیک را به هیجان آورده است.[3]

بنابراین، چه چیزی باعث این عدم تعادل می‌شود؟ فیزیکدانان نظری در حال حاضر در مورد دو نامزد اصلی بحث می‌کنند. اولین مورد، ذره‌ای فرضی به نام «لپتوکوارک» است. همانطور که از نامش پیداست، لپتوکوارک به عنوان پلی بین کوارک‌ها (اجزای سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها) و لپتون‌ها (الکترون‌ها و میون‌ها) عمل می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد به روش‌هایی با هم تعامل کنند که مدل استاندارد در حال حاضر آن را ممنوع کرده است.[2]

نامزد دوم، «بوزون زد-پرایم (Z')» است. در مدل استاندارد، بوزون Z حامل نیروی هسته‌ای ضعیف است. بوزون زد-پرایم یک خویشاوند سنگین‌تر و کشف‌نشده خواهد بود که حامل یک نیروی بنیادی کاملاً جدید و پنجم طبیعت است. این نیروی جدید با الکترون‌ها متفاوت از میون‌ها تعامل خواهد کرد و نرخ‌های واپاشی کج‌شده مشاهده‌شده در CERN را به طور کامل توضیح می‌دهد.[3]

هر یک از این سناریوها مستلزم آن است که دانشمندان کتاب‌های درسی را بازنویسی کنند. وجود یک لپتوکوارک یا بوزون زد-پرایم نه تنها یک خط جدید به جدول عناصر اضافه می‌کند؛ بلکه درک ما از چگونگی شکل‌گیری جهان در لحظات پس از بیگ بنگ (انفجار بزرگ) را به طور اساسی تغییر خواهد داد.[2]

این کشف همچنین جان تازه‌ای به حوزه فیزیک انرژی بالا می‌بخشد. از زمان کشف عظیم بوزون هیگز، LHC عمدتاً در مرحله اندازه‌گیری دقیق بوده و آنچه را که قبلاً شناخته شده بود، تأیید می‌کرد. برخی منتقدان شروع به این پرسش کرده بودند که آیا دوران شتاب‌دهنده‌های عظیم ذرات به محدودیت‌های کاربرد خود رسیده است یا خیر.[3]

این ناهنجاری آن روایت را در هم می‌شکند. این ثابت می‌کند که جهان هنوز اسراری را در مقیاس‌های انرژی بالاتر پنهان کرده است و یک هدف روشن و واضح برای آزمایش‌های آینده فراهم می‌کند. این قوی‌ترین استدلال تاکنون برای ساخت ماشین‌های نسل بعدی، مانند برخورددهنده دایره‌ای آینده (FCC) پیشنهادی CERN است، حلقه‌ای ۱۰۰ کیلومتری که LHC فعلی را کوچک جلوه خواهد داد.

با این حال، روش علمی مستلزم تأیید مستقل است. در حالی که آشکارساز LHCb به طور خاص برای مطالعه مزون‌های B بهینه‌سازی شده است، آزمایش‌های دیگر باید این یافته‌ها را تأیید کنند تا مدل استاندارد به طور رسمی اصلاح شود. آشکارسازهای CMS و ATLAS در CERN در حال حاضر داده‌های خود را بررسی می‌کنند تا ببینند آیا می‌توانند همین عدم تعادل‌های واپاشی را مشاهده کنند یا خیر.[3]

در نیمه دیگر جهان، در ژاپن، آزمایش Belle II در شتاب‌دهنده SuperKEKB نیز برای تأیید نتایج در حال رقابت است. Belle II به جای پروتون‌ها، الکترون‌ها و پوزیترون‌ها را با هم برخورد می‌دهد و محیطی بسیار «تمیزتر» با آلودگی پس‌زمینه کمتر ایجاد می‌کند. اگر Belle II نیز همین نقض جهان‌شمولی طعم لپتون را مشاهده کند، بحث به طور کامل حل و فصل خواهد شد.[3]

تا آن زمان، فیزیکدانان نظری از رنسانس خلاقیت لذت می‌برند. مدل استاندارد برای دهه‌ها یک قفس زیبا و زراندود بوده که جهان مرئی را به خوبی توصیف می‌کند اما هیچ سرنخی از بخش تاریک که ۹۵ درصد کیهان را تشکیل می‌دهد، ارائه نمی‌دهد. با شکستن این مدل، داده‌های LHCb سرانجام در را گشوده است.[2]

ذرات و نیروهایی که ما می‌شناسیم صرفاً نوک کوه یخ هستند. واپاشی نامتوازن یک مزون B ناپایدار در یک تونل زیرزمینی در ژنو ممکن است همان رشته‌ای باشد که با کشیدن آن، یک نظریه همه‌چیز بسیار عمیق‌تر و ظریف‌تر آشکار شود.[3]