شناسایی احتمالی کوچکترین ذره جهان با بزرگترین شکافنده اتم جهان

 برخورد دهنده بزرگ هادرونی(LHC) از زمان پیدایش در سال ۲۰۰۸ در سِرن(CERN)، نقشی کلیدی در پیشبرد مرزهای تحقیقات فیزیک ذرات داشته است. این تاسیسات برای درنوردیدن مرزهای فیزیک ذرات ساخته شده است.

اکنون یکی از چهار آزمایش کلیدی در LHC از کشف احتمالی کوچکترین هادرونی که تاکنون دیده شده، خبر داده است. این ذره که به عنوان توپونیوم(toponium) شناخته می‌شود، یک ذره مرکب است که از جفت‌های کوارک-آنتی‌کوارک «کوارک سر» تشکیل شده است.

«کوارک سر» که با نام کوارک تی یا کوارک حقیقت نیز شناخته می‌شود، یکی از ذرات بنیادی و از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده ماده است.

کوارک‌ها نوعی ذره بنیادی هستند که پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند که اجزای هسته‌های اتمی هستند. توپونیوم نمونه‌ای از کوارکونیوم(quarkonium) است که یک حالت کوارک-آنتی‌کوارک ناپایدار است که از جفت کوارک‌های سنگین، مانند کوارک سر تشکیل شده است.

توپونیوم جدیدترین کوارکونیوم کشف شده برای کوارک‌های سنگین را نشان می‌دهد. تشخیص آن از دانشمندان دور مانده است، زیرا عمر بسیار کوتاهی دارد و دانشمندان را به این باور رسانده بود که در LHC قابل مشاهده نیست.

با این حال، یافته‌ها نشان می‌دهد که احتمال بالایی وجود دارد که این ذره تازه کشف شده «توپونیوم» باشد.

همه چیز با جستجو برای انواع جدیدی از ذره بوزون-هیگز آغاز شد که اولین بار در سال ۲۰۱۲ در LHC شناسایی شد. بوزون-هیگز برای درک چگونگی بدست آوردن جرم ذرات بنیادی در جهان کلیدی است.

ذرات هیگز اضافی

مدل استاندارد فیزیک ذرات بهترین درک ما از ذرات و نیروهای اساسی در جهان است. با این حال، این یک نظریه کامل نیست، زیرا چندین پدیده از جمله ماده تاریک، انرژی تاریک و نبود گرانش از مدل را در نظر نمی‌گیرد.

انتظار می‌رود که این ذرات هیگز اضافی تئوری، بیشترین تعامل را با «کوارک سر» داشته باشند. این امر محققان را به دنبال تئوری‌های دیگری که می‌توانند شکاف‌ها را پر کنند، سوق داده است. تعدادی از این تئوری‌های اضافی وجود انواع جدیدی از ذرات بوزون-هیگز را نشان می‌دهد که محققان در LHC به دنبال آن بوده‌اند.

در حین انجام این جستجو، جفت «کوارک سر-آنتی‌کوارک» بیش از حد انتظار حداقل انرژی مورد نیاز برای ایجاد آنها را شناسایی کرد. این باعث شد که محققان این احتمال را در نظر بگیرند که رویداد مشاهده شده می‌تواند نشانه‌ای از توپونیوم کوتاه‌مدت باشد.

این تلاش حاصل دو سال تجزیه و تحلیل داده‌های جمع‌آوری‌شده بین سال‌های ۲۰۱۶ و ۲۰۱۸ از برخورد پروتون-پروتون با انرژی‌های ۱۳ الکترون‌ولتی است.

محققان برای درک ماهیت این برخوردها چگونگی فروپاشی برخورد و نحوه پراکندگی ذرات در فضا را بررسی کردند. این کار، اطلاعاتی در مورد وضعیت کوانتومی ذرات قبل از برخورد می‌دهد.

آنها علاوه بر این از یک مدل توپونیوم ساده شده برای مقایسه نتایج تجربی با نتایج حاصل از مدل استفاده کردند تا آن را توضیح دهند و اشاره کنند که این ذره واقعاً «توپونیوم» است.

کوچکترین هادرون

محققان احتمال تولید توپونیوم در برخوردهای پرانرژی مانند آنچه در CERN انجام شد را تخمین زدند. آنها دریافتند که این برخوردها ۸.۸ بار به ازای هر تریلیون برخورد رخ می‌دهد که به ۸.۸ پیکوبارن نیز معروف است.

این نتیجه ۱۵ درصد عدم قطعیت مرتبط با آن دارد که به اندازه کافی قوی است تا آستانه پنج سیگما در فیزیک ذرات را برآورده کند که یک استاندارد طلایی برای ادعای یک مشاهده واقعی است.

در حالی که نتایج، این فرضیه را تایید می‌کنند که ذره مشاهده شده در واقع «توپونیوم» است، محققان در مورد ادعای آن محتاط هستند، زیرا می‌تواند یک ذره هیگز اضافی نیز باشد.

محققان برای تأیید فرضیه خود قصد دارند یک مدل توپونیوم دقیق‌تر بسازند و همچنین از آزمایش اطلس(ATLAS) برای تأیید داده‌های خود استفاده کنند.

در صورت تایید، توپونیوم کوچکترین هادرون کشف شده تاکنون خواهد بود.

یافته‌های این مطالعه در پایگاه arXiv منتشر شده است.