مشاهده کوچک‌ترین ذرات بنیادی از دریچه بزرگ‌ترین ساختار جهان با روش کیهان‌شناس ایرانی

ميزان/ فيزيکدانان مؤسسه تحقيقاتي «پريميتر» (Perimeter) چگونگي استفاده از بزرگترين ساختارِ ممکن - انحنايِ کلي جهان – به عنوان يک عدسي براي بررسي کوچک‌ترين ذرات بنيادي قابل مشاهده در جهان امروز را نشان مي‌دهند. دکتر نيايش افشردي، عضو هيات علمي دانشگاه واترلو و موسسه‌ فيزيک نظري پريميتر و دکتر اليوت نلسون، محقق پسادکتري موسسه به تازگي موفق به کسب مقام سوم جايزه‌ کيهان‌شناسي «بوکاتر» براي کشف روش کاملا جديد و متفاوتي در کيهان شناسي شده‌اند. اين روش قادر است دريچه‌اي را به آينده‌ فيزيک ذرات بنيادي بگشايد. مشاهده کوچک‌ترين ذرات بنيادي از دريچه بزرگ‌ترين ساختار جهان با روش کيهان‌شناس ايراني دکتر افشردي از فارغ‌التحصيلان دبيرستان استعدادهاي درخشان (تيزهوشان) علامه حلي تهران و برنده مدال نقره المپياد جهاني فيزيک سال 1996 (1375) نروژ است که تحصيلات کارشناسي خود را در رشته فيزيک در دانشگاه صنعتي شريف به پايان برده و دکتري خود را از دانشگاه پرينستون آمريکا اخذ کرده است. اين اخترفيزيکدان جوان ايراني، پيش از اين نيز جوايز علمي متعددي از جمله مدال طلاي پروفسور M. K. Vainu Bappu انجمن نجوم هند در سال 2008، جايزه وزارت تحقيقات و نوآوري اونتاريوي کانادا و تسهيلات شتاب‌دهنده اکتشافات شوراي تحقيقات علوم طبيعي و مهندسي کانادا (NSERC) را کسب کرده است. کار تحقيقاتي آن‌ها از جايي شروع شد که فضا را همانند سطح صاف و همواري در نظر مي‌گيرند که در اين فضاي صاف و هموار چين خوردگي‌هاي موضعي‌ وجود دارند و نکته‌ جالب آن است که جهان به طور کلي يک درصد از اين سطح هموار را شامل مي‌شود. مشکل آنجاست که در واقع نبايد اين طور باشد. خلاء موجود در فضا تهي نيست بلکه در آن ميدان‌هايي وجود دارد که اگرچه ممکن است ضعيف باشند اما مقدارشان صفر نيست. در کوانتوم هيچ چيزي نمي‌تواند صفر باشد به اين علت که پارامتر‌هاي کوانتومي دائما در حال حرکت و تغيير هستند. طبق نظريه نسبيت عام، اين نوسانات باعث خميدگي فضا - زمان مي‌شوند. در حقيقت تمام اين توضيحات براي آن است که بدانيم يک محاسبه‌ ساده از ميزان خميدگي فضا نشان مي‌دهد که جهان درهم پيچيده‌اي خواهيم داشت که ماه در آن نمي‌گنجيد. کيهان شناسان همچنين براي حل اين مساله تحقيقاتي انجام داده‌اند: جهان بايد خميده باشد، اما صاف و هموار به نظر بيايد. اگر فرض کنيم ضد جاذبه‌اي وجود دارد که قادر است به طور دقيق تمايل به خميدگي فضا را خنثي کند، مشکل قابل حل خواهد بود. چنين پيش‌بيني‌ها و تصحيحات نامحتملي از مشکلات هميشگي کيهان‌شناسان به شمار مي‌رود که بيش از نيم قرن است که با آن دست و پنجه نرم مي‌کنند. در اين مقاله، نلسون و افشردي تلاشي براي حل اين مساله انجام ندادند. هنگامي که کيهان‌شناسانِ ديگر به دنبالِ ثابتِ خنثي کننده مي‌گشتند، نلسون و افشردي در پي طرح پرسش ديگري بودند: "آيا اضافه کردن چنين ثابتي براي خنثي کردنِ انرژيِ خلا وجودِ فضا زمانِ مسطح را تضمين مي‌کند؟". پاسخ آن‌ها اين بود: "مسلما خير !" در اين صورت در فضايِ خلاء هنوز ميدان‌هاي کوانتومي وجود دارد و نوسانات ميدان‌هاي کوانتومي طبيعت آنها است. حتي اگر آن‌ها به صورت دقيق و کاملي خنثي شوند به طوري که مقدار ميانگين آن صفر باشد، ميدان‌هاي کوانتومي کماکان حول نقطه صفر نوسان خواهند کرد و نوسانات (دوباره) موجب خميدگي فضا مي‌شود. در اين طرح، مقدار خميدگي‌ که توسط ميدان‌هاي معلوم (ميدان الکترومغناطيسي يا ميدان ناشي از هيگز) ايجاد مي‌شود، آنقدر کوچک است که قابل اندازه‌گيري نيست و بنابراين مجاز خواهد بود اما مقدار هر ميدان ناشناخته‌اي بايد به اندازه‌ کافي کم باشد تا نوسانات آن خميدگيِ قابل مشاهده در جهان ايجاد نکند اين يعني در نظر گرفتنِ ماکزيمم انرژي براي ميدان‌هاي نامعلوم. يک حداکثر نظري براي يک ميدان نظري ممکن است پيشگامانه به نظر نرسد، اما پنجره‌ جديدي به مکان غيرمنتظره فيزيک ذرات خواهد گشود. همان‌طور که مکانيک کوانتومي به ما مي‌آموزد، ذره، حاصلِ برانگيختگيِ ميدان است. به عنوان مثال، فوتون، حاصل برانگيختگيِ ميدانِ الکتريکي است. همچنين، بوزون هيگز، ذره‌اي که به تازگي کشف شده حاصل برانگيختگيِ ميدانِ هيگز است. تقريبا شبيه موج که نتيجه‌ برآشفتگيِ اقيانوس است. همانطور که مي‌توان از رويِ ارتفاعِ موج، اطلاعاتي راجع به عمق آب به دست آورد، جرم يک ذره نيز به ميزان قدرتِ ميدانِ متناظر با آن بستگي دارد. انواعِ جديدِ ميدان‌هاي کوانتومي، اغلب پيشنهاد‌هايي براي گسترشِ مدلِ استانداردِ فيزيک ذرات مطرح مي‌کنند. اگر افشردي و نلسون درست گفته باشند و چنين ميدان‌هايي که نوسانات آن‌ها انرژيِ کافي براي ايجادِ خميدگي قابل توجه را داشته باشد، وجود نداشته باشند، احتمال وجود ذرات ناشناخته با جرم بيشتر از 35 ترا الکترون ولت بسيار کم خواهد بود. به نوشته سايت انجمن فيزيک، نويسندگان مقاله پيش‌بيني مي‌کنند که اگر ذرات و ميدان‌هاي جديدي در ارتباط با گسترشِ مدل استاندارد وجود داشته باشند در زير محدوده‌ ذکر شده قرار خواهند گرفت. در طول نسل‌ها، فيزيک ذرات پيشرفت بسيار زيادي داشته است: ساختن برخورددهنده‌هاي قدرتمند و قدرتمند تر براي توليد، سپس ضربه زدن و مطالعه و بررسيِ ذرات سنگين و سنگين‌تر. درست مانند آن است که از طبقه‌ همکف شروع به ساختن کرده‌ايم و هر چه که به طبقات بالاتر مي‌رسيم، ذرات بيشتري را کشف مي‌کنيم. آنچه که نلسون و افشردي انجام داده‌اند، تنها ابري کردن آسمان است. در فيزيک ذرات بحث گسترده‌اي پيرامون اين موضوع که آيا به توليد شتابدهنده‌هاي بسيار قدرتمندتر براي جست وجو و بررسي ذراتِ ناشناخته‌ سنگين‌تر نيازمند هستيم يا خير وجود دارد. در حال حاضر، قدرتمند‌ترين شتابدهنده‌ جهان، شتابدهنده‌ بزرگ هادروني با انرژي‌اي از مرتبه‌ 14 ترا الکترون ولت عمل مي‌کند و اين در حالي است که شتابدهنده‌ فوق سريعِ چين تا پيشنهادِ 100 ترا الکترون ولت نيز پيش رفته است. از آنجايي که ادامه‌ اين بحث ناتمام است، نتايج بررسي‌هاي تحقيقِ جديد مي‌تواند به تجربي‌کاران در انتخاب انرژي مطلوب کمک کند که ارتفاع کدام آسمانخراشِ انرژي مناسب‌تر است! موسسه‌ پريميتر، بزرگترين موسسه‌ تحقيقاتي فيزيک نظري در جهان به شمار مي‌رود که در سال 1999 براي گسترش اکتشافات در فهم بنيادي جهان از کوچکترين ذرات تا کل کيهان تاسيس شد. با کانال تلگرامي آخرين خبر همراه شويد telegram.me/akharinkhabar