چرا پادماده باعث نابودی جهان نمی‌شود؟

zoomit.ir - بابک قهرمانی: ماده و پادماده به عنوان اجزای بنیادین شکل‌گیری جهان هستی در آغاز پیدایش آن بوده‌اند. یکی از پرسش‌های اصلی این است که آیا در آغاز جهان هستی ماده و پادماده به مقدار مساوی وجود داشته‌اند یا خیر. در این گزارش به تشریح آزمایشی در ژاپن پیرامون رفتار متقابل این ذرات می‌پردازیم.

شاید محققان با بررسی رفتار ذرات الکتریکی خنثی به نام نوترینو در نهایت توانسته‌ باشند پاسخ معمایی را بیابند که ذهن فیزیکدانان را برای چندین دهه به خود مشغول کرده است. نتایج جدید آزمایش T2K در ژاپن می‌تواند توضیح دهد که چرا مقدار مساوی از ماده و پادماده در آغاز تولد جهان شکل نگرفته‌اند؛ اتفاقی که در ادامه به نبود تعادل گسترده‌ای انجامیده که ما امروزه هم می‌توانیم آن را مشاهده کنیم.

با توجه به قوانین تعیین شده در مدل استاندارد فیزیک ذرات و همچنین نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین، در انفجار بزرگ باید مقدار مساوی از ماده و پادماده تولید شده باشد. اما از آنجا که ماده و پادماده در صورت تعامل، یکدیگر را خنثی می‌سازند و در پی آن چیزی جز انرژی باقی نمی‌گذارند، بنابر این می‌توان دریافت که این حالت نمی‌توانسته در واقعیت رخ دهد. چون ماده و پاماده‌ی برابر به منزله‌ی نبود جهان هستی است.

فیزیکدانان به نبود تعادل بین ماده و پادماده در جهان قابل مشاهده‌ی ما با عنوان «عدم تقارن باریون» اشاره می‌کنند. در اینجا است که نوترینوها وارد صورت مسئله می‌شوند. این ذرات همچنین به عنوان «ذرات شبح‌مانند» نیز شناخته شده‌اند. نوترینوها بسیار به سختی آشکار می‌شوند، چرا که آنها به سختی با سایر اجزای جهان می‌توانند برهم‌کنش داشته باشند. این بدان معنی است که آزمایش‌های طراحی شده برای اندازه‌گیری آنها نیازمند ابزار فوق‌العاده حساس و زمان مشاهده‌ی بسیار زیاد هستند.

علاوه بر نوترینو، همچنین یک پادماده‌ی همتای آن به نام پادنوترینو وجود دارد و هر دو آنها در سه نوع طبقه‌بندی می‌شوند؛ الکترون، میون و تاو. در سال ۲۰۱۳، دانشمندان فعال در پروژه‌ی T۲K در ژاپن برای نخستین بار به شواهدی دست یافتند که نشان می‌داد نوترینوها می‌توانند بین این سه فرم یاد شده تغییر یا نوسان داشته باشند.

آزمایش T2K گرد آورنده‌ی بیش از ۵۰۰ دانشمند از سراسر جهان بود و از دو سایت با فاصله‌ی ۳۰۰ کیلومتری از هم جدا برای آزمایش در دو سوی کشور بهره می‌برد. این دو سایت به نام‌های مرکز تحقیقات شتاب دهنده پروتون ژاپن یا جی‌پارک (J-PARC) و رصدخانه‌ی سوپرکامیوکاند (Super-Kamiokande observatory) شناخته می‌شوند که در تصویر بالا بخشی از آن نشان داده شده است.

در حال حاضر، آخرین نتایج آزمایش ادامه‌دار T۲K ارایه شده‌اند و این نتایج شواهدی را از تبدیل ۳۲ میون نوترینو به الکترون نوترینو را در خود دارند. این در حالی است که تنها ۴ میون نوترینو در این روند به همتایان پادالکترون خودشان تبدیل شده‌اند.

تیم پژوهشی که در این آزمایش فعالیت می‌کنند، خودشان نیز به طور کامل نمی‌دانند که چه رویدادی در جریان است. اما این نوع از نبود تعادل بین ماده و پادماده چیزی است که دانشمندان در تمام این مدت به دنبال پی بردن به دلیل آن بوده‌اند و این امکان وجود دارد که آنها شواهدی را از وجود نوعی تخطی موسوم به تقارن همسانی بارها (charge-parity (CP) symmetry) ارایه کنند.

بر پایه‌ی گزارش لیزا گراسمن (Lisa Grossman) از نیوساینتیست، تقارن CP تصوری است که بر مبنای آن اگر تمامی ذرات را با پادذره‌های متناظرشان جایگزین کنیم در آن صورت فیزیک کلی آنها تغییر نمی‌کند.

بر پایه‌ی این فرض باید مقدار یکسانی از ماده و پادماده در دوران آغازین جهان بوده باشد و از سویی ما می‌دانیم که چنین نبوده است؛ زیرا ما هم اکنون در این جهان وجود داریم. بنابراین هر چیزی که نشان‌دهنده‌ی هر نوع انحراف از تقارن CP باشد، می‌تواند برای توضیح اختلاف موجود مهم تلقی شود. از جمله‌ی این حدس‌ها می‌توان به عدم تعادل مشاهده شده در نوترینوها توسط پروژه T2K اشاره کرد. فیزیکدان پاتریشیا واله (Patricia Vahle) از آزمایشگاه نوترینو NOVA در ایالات متحده که با پروژه‌ی T2K همکاری نداشته است در گفتگو با گراسمن گفت: «ما می‌دانیم که برای ایجاد ماده‌ی بیشتر نسبت به پادماده در جهان، نیاز به فرایندی است که تقارن یاد شده را نقض کند.»

پیش از اینکه ما بیش از حد درباره‌ی این موضوع هیجان‌زده شویم، باید اشاره کنیم که T۲K تا کنون تنها در سطح دوم سیگما از ملاک شش سیگما به اثبات رسیده است. از این سطوح به منظور بررسی و صحه‌گذاری اکتشافات در فیزیک ذرات استفاده می‌شوند و یافته‌های آزمایش را مادامی که به سطح ۵ نرسیده‌اند، مورد تایید نهایی قرار نمی‌دهند. بنابراین هنوز در روزهای اولیه‌ی آزمایش‌ها قرار داریم. اما داده‌های اولیه نشان می‌دهد که این مطالعه‌ی جدید به خوبی با یافته‌های سه سال پیش سازگاری دارد.

آزمایش‌های پادنوترینوی بیشتری برای انجام در سال آینده برنامه‌ریزی شده است و تیم‌های پژوهشی مرتبط در حال برنامه‌ریزی برای جمع‌آوری اطلاعات بیشتر برای کمک به تایید فرضیه خود هستند.

حتی پس از تایید فرضیه‌ی اخیر نیز محققان دقیقا نمی‌دانند که نوترینوها و پادنوترینوها چگونه می‌توانند مشکل نبود تقارن باریون را توضیح دهند. اما به هر حال می‌دانند پژوهش‌هایشان را روی کدام زمینه باید متمرکز کنند.