حقیقت کوارک تاپ: نظریه انیشتین از آزمایش پرقدرت‌ترین شتاب‌دهنده جهان سربلند بیرون آمد
انیشتین ۱۲۰ سال پیش نظریه نسبیت خاص خود را پیشنهاد کرد و با وجود تلاش‌های مکرر برای چالش آن، این نظریه هنوز دست نخورده و معتبر باقی مانده است. این یک مفهوم ساده اما قدرتمند است که نحوه حرکت ذرات با سرعت‌های نزدیک به سرعت نور و ارتباط زمان، فضا و انرژی را مشخص می‌کند.
به‌کارگیری برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC)، تیمی از محققان اخیراً بررسی کردند که آیا کوارک‌های تاپ نیز از نظریه نسبیت خاص پیروی می‌کنند یا خیر.
کوارک تاپ سنگین‌ترین ذره بنیادی شناخته شده است که حدود ۳۴۰۰۰۰ برابر سنگین‌تر از یک الکترون است. دانشمندان معتقدند این ذره می‌تواند اصولی فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات (که بر مبنای نظریه نسبیت خاص است) را آشکار کند.
در اینجا نتایج این تحقیق آمده است:
تلاش برای شکستن تقارن لورنتس
نویسندگان این مطالعه یک آزمایش طراحی کردند تا بررسی کنند که آیا جفت‌های کوارک تاپ می‌توانند تقارن لورنتس را بشکنند، که یک ویژگی شاخص از نظریه نسبیت خاص است.
تقارن لورنتس مفهومی است که پیشنهاد می‌کند قوانین فیزیک تحت تحولات لورنتس ثابت هستند (بدون تغییر می‌مانند). این تحولات مجموعه‌ای از معادلات ریاضی هستند که تغییرات مختصات فضا و زمان را هنگام حرکت از یک چارچوب مرجع به چارچوبی دیگر توصیف می‌کنند.
هرگونه نقض تقارن لورنتس به عنوان انحرافی از مدل استاندارد فیزیک در نظر گرفته می‌شود. نویسندگان مطالعه به دنبال چنین نقض‌هایی بودند و آزمایشی انجام دادند که در آن بررسی کردند آیا نرخ تولید جفت‌های کوارک تاپ در برخوردهای پروتونی با زمان روز تغییر می‌کند یا خیر. چرا؟ زیرا زمین به طور مداوم بر محور خود می‌چرخد.
در حالی که زمین می‌چرخد، جهت پرتوهای پروتون در LHC و جهتی که کوارک‌های تاپ در برخوردها تولید می‌شوند نیز تغییر می‌کند. این اتفاق به این دلیل می‌افتد که پرتوهای پروتون LHC در یک جهت ثابت در فضا هدف‌گیری شده‌اند، اما با چرخش زمین، جهت آن پرتوها (و ذرات تولید شده) نسبت به یک ناظر روی زمین تغییر می‌کند.
حال، اگر در فضا-زمان یک جهت ویژه‌ای وجود داشت که طبیعت آن را برمی‌گزید (که توسط نسبیت خاص پیش‌بینی نمی‌شود)، نرخ تولید جفت کوارک تاپ باید در طول روز متغیر باشد، همان‌طور که موقعیت زمین نسبت به آزمایش هیچ تغییر می‌کند.
این تغییرات نشانی از شکستن تقارن لورنتس را نشان می‌داد، که نیاز به فیزیکی جدید فراتر از نظریه انیشتین را مطرح می‌کرد.
آیا کوارک‌های تاپ نسبیت خاص را شکستند؟
هنگامی که نویسندگان مطالعه داده‌های جمع‌آوری شده در طول دومین دوره LHC را بررسی کردند، هیچ تغییری مشاهده نشد. نرخ تولید جفت‌های کوارک تاپ بدون تغییر باقی ماند، بدون توجه به زمان روز.
این بدان معنی است که هیچ جهت ویژه‌ای در فضا-زمان یافت نشد و تقارن لورنتس دست نخورده باقی ماند. نویسندگان مطالعه نشان می‌دهند که نتیجه جدید CMS با نرخ ثابت مطابقت دارد، به این معنی که تقارن لورنتس شکسته نشده و نظریه نسبیت خاص انیشتین معتبر باقی مانده است.
محققان همچنین از یافته‌های خود برای تعیین میزان اختلافات احتمالی برخی ارزش‌ها از صفر در صورت حفظ تقارن لورنتس استفاده کردند. بر اساس نتایج آنها، این مقادیر می‌تواند بسیار کمتر از حداکثرهای قبلی باشد. در واقع، حدود جدید تا ۱۰۰ برابر دقیق‌تر از محدودیت‌های تعریف شده در آزمایش‌های قبلی هستند.
این یافته‌ها به دانشمندان در بهبود دقت آزمایشات آینده که بر روی شکستن تقارن لورنتس تمرکز دارند کمک خواهد کرد.
این مطالعه در مجله Physics Letters B منتشر شده است.
