بررسی فرضیه ای جامع برای حل پنج معمای اصلی دنیای فیزیک

فیزیک‌دانان به یک مدل جدید رسیده‌اند و مدعی هستند که به کمک آن، موفق به حل پنج مورد از بزرگ‌ترین سوالات بی‌پاسخ در دنیای فیزیک مدرن شده‌اند. آنها با این مدل می‌توانند ماهیت شگفت‌انگیز ماده‌ی تاریک، نوسانات نوترینو، باریون‌زایی، انبساط کیهانی و مسئله‌ی CP قوی (strong CP problem) را به صورت یکجا و یک‌دفعه تشریح کنند.

در مدل جدید که با نام اسمش (SMASH) شناخته شده، پیشنهاد شده است که ما برای حل و پایان دادن به همه‌ی این شکاف‌ها در مدل استاندارد فیزیک تنها نیاز به شش ذره‌ی جدید داریم و گروهی که پشت این پژوهش هستند بر این باورند که آزمایش و سنجش چنین روندی چندان هم دشوار نخواهد بود و در واقع کاری شدنی است.

مدل اخیر توسط یک تیم علمی متشکل از فیزیک‌دانان فرانسوی و آلمانی توسعه داده شده است. آنها باور دارند که ما به هیچ نوع دستکاری یا اصلاح عمده‌ای روی مدل استاندارد نیاز نداریم و تنها با افزودن چند مورد جدید به مدل فعلی می‌توانیم به هدف خود برسیم.

مسلما این پژوهش هنوز در روزهای اولیه‌ی خود قرار دارد و برای هر گونه اظهار نظری زود است. اما مورد واضح این است که گزاره‌ی ارائه شده از سوی این گروه بسیار جالب و کنجکاوکننده است. مدل اخیر از آن جهت بسیار جالب است که مدل‌های دیگری که تا به امروز برای توضیح رمز و رازهای دنیای مکانیک کوانتومی طراحی شده‌اند (از جمله مدل ابرتقارن)، اغلب نیاز به لحاظ کردن صدها تعداد از ذرات جدیدی داشته‌اند که ما هرگز حتی اثری از آنها را نیز مشاهده نکرده‌ایم.

از سوی دیگر باید توجه داشت که مدل اسمش به تنها شش ذره نیاز دارد. این ذره‌ها شامل سه نوترینو، یک فرمیونو یک میدان شامل دو ذره هستند. گفتنی است که در فیزیک، میدان به یک نهاد فیزیکی یا ریاضی اطلاق می‌شود که دارای مقداری برای هر نقطه در فضا و زمان باشد. ذره را نیز به عنوان یک حالت برانگیخته از میدان تعریف می‌کنند. برای اینکه بتوانیم به شما یک ایده‌ی کلی از ماهیت این پنج مسئله‌ی اساسی در فیزیک بدهیم، به سراغ هر یک از آنها رفته و به بررسی کلی آن می‌پردازیم. از ماده‌ی تاریک شروع می‌کنیم:

 ۱. ماده‌ی تاریک

در حال حاضر شواهد قریب به اتفاقی وجود دارد که بر پایه‌ی آنها حدود ۲۶ تا ۲۷ درصد از جهان هستی از نوعی ناشناس از ماده ساخته شده است. در حالی که ما امروزه می‌توانیم نیروی گرانشی ناشی از آن را شناسایی کنیم، اما به نظر می‌رسد که این ماده‌ی ناشناخته هیچ نوع نور یا تابش دیگری از خود منتشر نمی‌کند تا ما از طریق آن بتوانیم رویتش کنیم. با وجود سالها جستجو، ما هنوز هیچ ایده‌ای درباره‌ی اینکه ماده‌ی تاریک واقعا از چه چیزی تشکیل شده در اختیار نداریم. ولی قطعا می‌دانیم که وجود این ماده برای پایداری کیهان بسیار حیاتی است.

 ۲. نوسانات نوترینو

سال گذشته، جایزه‌ی نوبل فیزیک به دو فیزیکدانی رسید که ثابت کرده بودند، نوترینوها می‌توانند بین مزه‌ها(flavor) نوسان داشته باشند. گفتنی است که مزه‌ها به هر یک از شش نوع کوارک شناخته شده در دنیای زیراتمی گفته می‌شود.

نوسان نوترینو یک پدیده‌ی مکانیک کوانتومی است که در آن یک نوترینوی ایجاد شده با لپتون فلیور (lepton flavour) خاص (مانند یک الکترون، یک موآن یا یک تاو) می‌تواند در ادامه دارای یک مزه متفاوت باشد.

از آنجا که تنها ذرات دارای جرم می‌توانند مزه‌ها را تغییر دهند (یا اینکه دچار نوسان کنند) بنابراین نوترینوها هم باید جرم داشته باشد و این امر برای مدل استاندارد مشکل ایجاد می‌کند، زیرا هیچکس به طور دقیق نمی‌داند که جرم نوترینوها از کجا سرچشمه گرفته است. این جرم ممکن است از ذره‌ی بوزون هیگز ناشی شده باشد. اما این امکان هم کاملا وجود دارد که جرم فوق مربوط به یک ذره‌ی کاملا جدیدی باشد که ما هنوز آن را کشف نکرده‌ایم.

 ۳. باریون‌زایی

یکی دیگر از مسئله‌های اصلی حل نشده در فیزیک را نیز در این بخش می‌توان به طور خلاصه و به طرز بسیار ساده‌ای این گونه مطرح کرد: چرا جهان قابل مشاهده‌ی ما دارای ماده‌ی بیشتری نسبت به ضد ماده است؟

با توجه به مدل استاندارد اینگونه برداشت می‌شود که انفجار بزرگ مقدار مساوی از ماده و پادماده را در جهان هستی تولید کرده است و از آنجا که هر یک از این دو در تماس با دیگری آن را نابود می‌کند، آنگاه می‌توان چنین استنباط کرد که روند فوق می‌توانسته به یک جهان خالی از ماده منجر شود؛ جهانی که در آن فقط تابش وجود داشته باشد.

اکنون برای همه‌ی ما بدیهی است که مقدار بسیار فراوانی ذره ماده در این جهان وجود دارد و در نتیجه می‌توان گفت که باید اشتباهی در سناریوی مطرح شده وجود داشته باشد. چون پرسشی که پیش می‌آید این است که چطور ممکن است در جهان ما مقدار فراوانی از ماده موجود باشد و در عین حال تقریبا هیچ پادماده‌ای وجود نداشته باشد؟

 ۴. تورم کیهانی

باور متداول این است که در طی کسری از ثانیه پس از وقوع انفجار بزرگ، جهان هستی آغاز به یک دوره‌ی گسترش با شتاب فزاینده کرده که این انبساط را اصطلاحا تورم کیهانی (inflation) می‌نامند. در حالی که بسیاری از فیزیکدانان واقعیت تورم کیهانی را قبول دارند، اما تا کنون هیچکس قادر به کشف مکانیسم دقیق مرتبط با واداشتن جهان هستی به انبساطی با سرعت بالاتر از سرعت نور نشده است.، رفتن از زیر اتمی به اندازه گلف توپ به اندازه تقریبا بلافاصله شده است.

برای توجیه این موضوع نیز یک میدان فرضی پیشنهاد شده و گفته می‌شود که این میدان عامل اصلی تورم کیهانی با چنان سرعتی است. انبساطی که بسیار سریع رخ داده و بلادرنگ آن را از یک اندازه‌ی زیراتمی به اندازه‌ی یک توپ گلف رسانده است! این میدان را با نام اینفلاتون (inflaton) می‌شناسند. اما واقعیت این است ما باید در ابتدا بتوانیم آن را به طور واقعی شناسایی و آشکارسازی کنیم.

۵. مسئله‌ی strong CP

این مسئله به عنوان یک «نقص جدی در مدل استاندارد» شناخته می‌شود. مسئله‌ی CP به ما کمک می‌کند تا بتوانیم دلیل اینکه چرا میزان ماده در جهان بیشتر از پادماده است را توضیح دهیم. اما این مسئله به همراه خود رازهای حل شده‌ی را نیز پیش روی ما می‌گذارد.

واقعیت این است که مسئله‌ی فوق دارای توضیحی بسیار مفصل است. اما اگر بخواهیم به طور خلاصه بیان کنیم، مسئله‌ی CP قوی توضیح می‌دهد که چرا و به چه شکلی در کرومودینامیک کوانتومی، تخطی از CP رخ نمی‌دهد. منظور از تخطی در اینجا در واقع ایجاد یک شکست در تقارن بنیادی جهان هستی است. دلیل این عدم تخطی به برهم‌کنش‌های بین کوارک‌ها و گلوان‌ها مربوط می‌شود. در حال حاضر هیچکس به طور دقیق به علت این ارتباط پی نبرده است. البته تا به امروز چنین بوده و ممکن است در آینده و با مدل جدیدی که به نظر می‌رسد صحیح باشد، بتوانیم برای این پرسش نیز پاسخی پیدا کنیم.

 راه حل چیست؟

مدل اسمش بر پایه‌ی ساختاری ایجاد شده است که چندین سال پیش مطرح شده بود. پیشتر در سال ۲۰۰۵، فیزیکدانی به نام میخاییل شاپوشنیکف (Mikhail Shaposhnikov) از انستیتوی فدارل فناوری در لوزان سوییس مدلی را ارایه داد که اکنون آن را با نام مدل استاندارد مینیمال نوترینو (vMSM) می‌شناسیم.

در آن زمان پیشنهاد شد که انبساط مدل استاندارد با سه نوترینو راست‌گرد (right-handed neutrino) با جرم‌های خاص می‌تواند به طور همزمان هم موضوع ماده‌ی تاریک و هم موضوع عدم تقارن باریون جهان هستی را توضیح دهد. این در حالی خواهد بود که مدل فوق با آزمایش‌های انجام شده بر روی نوسانات نوترینو نیز سازگار است.

در حال حاضر، تیمی که توسط فیزیکدان فرانسوی گیلرمو بالستروس (Guillermo Ballesteros) از دانشگاهParis-Saclay هدایت می‌شود، باور دارند که ما می‌توانیم این سه نوترینوی راستگرد را هم به سه نوترینوی موجود در مدل استاندارد اضافه کنیم. افزودن سه نوترنوی اخیر به علاوه‌ی یک ذره زیر اتمی به نام فرمیون رنگ سه‌گانه (colour triplet fermion) می‌تواند به حل شدن ۴ مسئله‌ی نخستی بیانجامد که در این گزارش به آن پرداخته شده است.

از سویی چنین به نظر می‌رسد که افزودن یک میدان جدید و شناسایی‌نشده نیز بتواند به حل مسئله‌ی پنجم فرست اخیر کمک کند. شانون هال (Shannon Hall) در توضیح برای نیوساینتیست در این باره چنین می‌گوید:

 مدل اسمش یک میدان جدید را برای توضیح برخی از مسئله‌های دنیای فیزیک به طور متفاوت اضافه می‌کند. میدان فوق شامل دو ذره است: اکسیون (axion) که به منزله‌ی یک گزینه‌ی مطرح برای ماده‌ی تاریک به یکباره مورد توجه قرار می‌گیرد؛ و دومی نیز اینفلیشن (inflation) که به عنوان ذره‌ی مرتبط با تورم کیهانی مورد توجه است.

مدل اسمش در مرحله‌ی آخر خود که شاید مهم‌ترین بخش آن هم باشد، از میدان فوق برای ارایه‌ی یک راه حل پیرامون مسئله‌ی پیچیده‌ی پنجم می‌کند: مسئله‌ی CP قوی.

البته این گروه اظهار کرده‌اند که آنها وقتی از قابل آزمایش بودن فرضیه‌ی خود سخن می‌گویند، به این مفهوم است که انجام این آزمایش با استفاده از نسل بعدی شتاب‌دهنده‌های ذرات خارج از توان نیست. همین امر باعث می‌شود که مدل اخیر نسبت به سایر مدل‌هایی که تا به حال برای این مسایل ارایه شده‌اند، قانع‌کننده‌تر باشند. آندریاس رینگوالد (Andreas Ringwald) یکی از اعضای تیم پژوهشی از سینکورتون الکترون آلمان در این باره در گفتگو با هال گفت:

بهترین نکته در مورد تئوری ما این است که می‌توان آن را در ۱۰ سال آینده مورد آزمون و بررسی قرار داد.

شاید شما همیشه بتوانید نظریه‌های جدیدی را ابداع کنید، اما اگر آنها از تئوری‌هایی باشند که تنها در ۱۰۰ سال آینده امکان آزمایششان فراهم شود یا اینکه هیچگاه نتوانیم آنها را آزمایش کنیم، در آن صورت چنین علمی در واقع علم به مفهومی که می‌شناسیم نخواهد بود؛ بلکه می‌توان آن را فراعلم نامید.

لازم به ذکر است که مدل اسمش هنوز باید در وهله‌ی نخست در یک مجله‌ی کارشناسی اولیه منتشر شود. پس هنوز نیاز است تا تحت بررسی‌های ریز و دقیق در دنیای ذرات فیزیکی قرار گیرد. اما نسخه‌ی اولیه‌ی پیش از انتشار آن در پایگاه arXiv.org در دسترس است و به این ترتیب فیزیکدانان مستقل می‌توانند برای آزمایش یا بررسی آن شانس خود را امتحان کنند.

احتمالا این یافته‌های جدید قرار نیست تا نقطه‌ی پایانی برای این پنج پرسش بزرگ باشد یا اینکه بتواند راه حلی نهایی را برای همه‌ی آنها در اختیار بگذارد. زیرا علم فیزیک به هیچ عنوان دارای نقطه‌ی پایانی نیست. اما این یافته‌ها می‌توانند آغازگر یک روند یا رویداد جالب و شگفت‌انگیز در آینده باشند. همانطوری که رینگوالد هم اشاره می‌کند:

نبرد همیشه ادامه دارد!