شرح خبر

آزمایش NA62، که در اینجا نشان داده شده است،‌ ۲۷۰ متر طول دارد و شامل یک مخزن خلأ به‌طول ۱۲۰ متر و دارای چندین آشکارساز ذره‌ای است. (نکته: محور این آزمایش خط مستقیم است؛ انحنای مخزن که در تصویر دیده می‌شود افکت نوری است.)

دانشمندان در سرن گزارشی از اولین شواهد قابلِ‌توجه خود درمورد فرایندی که در نظریه‌ها پیش‌بینی شده بود ارائه دادند که راه را برای جستجو به‌دنبال شواهدی از فیزیک جدید در پردازش ذراتی که می‌توانند ماده‌ی تاریک و دیگر رازهای جان را توصیف کنند، هموار می‌کند.

گروه همکاری CERN NA62 که بخشی از سرمایه‌ی آن را شورای تسهیلات علوم و فناوری انگلستان (STFC) تأمین می‌کند، و شامل تعدادی از دانشمندان انگلیسی است، در کنفرانس ICHEP 2020 در پراگ، اولین شاهد تجربی قابلِ‌توجه برای واپاشی فوق‌العاده کمیابِ کائون (مزون کا) باردار به پیون (مزون پی) باردار و دو نوترینو (K+ π+ νν) ارائه دادند.

فرایند واپاشی در تحقیقات فیزیک پیشرفته اهمیت دارد، زیرا نسبت به انحراف از پیش‌بینی‌های نظری بسیار حساس است؛ بدین معنا که فرایند واپاشی یکی از جالب‌ترین مواردی است که فیزیک‌دان‌ها، در جستجو به‌دنبال شواهدی برای تأیید مدل‌ نظری جایگزین در فیزیک ذرات، به آن توجه می کنند.

پروفسور مارک تامسون، فیزیک‌دان ذرات بنیادی و رئیس اجرایی STFC، گفت که این پیشرفتِ هیجان‌انگیزی بود زیرا نتایج نشان داد که چطور اندازه‌گیری‌های دقیق این فرایند توانسته به فیزیک جدید، فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات که در دهه ۱۹۷۰ توسعه یافته، منجر شود:

«مدل استانداردْ نیروهای بنیادی و بلوک‌های ساختار جهان را توصیف می‌کند. این یک نظریه بسیار موفق است، اما رازهای زیادی درباره‌ی جهان وجود دارد که مدل استاندارد توضیحی درباره‌ی آنها ندارد، مانند ماهیت ماده‌ی تاریک و منشاء عدم‌توازن میان ماده و پادماده در جهان.

فیزیک‌دان‌ها به‌دنبال توسعه‌ی نظری مدل استاندارد بوده‌اند. بررسی فرایندهای فوق‌العاده کمیاب راه هیجان‌انگیزی برای کاوشِ این احتمالات فراهم کرده است، با این امید که فیزیک جدیدی فراتر از مدل استاندارد کشف شود.»

مشارکت‌کنندگان انگلیسی در این پژوهش از دانشگاه‌های بیرمنگهام، بریستول، گلاسگو و لنکستراند و ازسوی STFC که بخشی از مرکز تحقیقات و نوآوری انگلیس است و نیز ازسوی انجمن سلطنتی و شورای تحقیقات اروپایی (ERC) حمایت مالی می‌شوند.


توسعه‌ی تاریخی پیش‌بینی‌های نظری (ناحیه قرمز) و محدودیت‌های تجربی (مثلث مشکی). سه اندازه‌گیری به رنگ آبی دیده می‌شود: اولی از یک آزمایش در آمریکا است. دو مورد بعدی از NA62 با داده‌های اولیه و این اندازه‌گیری است. دقتِ روبه‌افزایشِ اندازه‌گیری کنونی به‌وضوح دیده می‌شود. Credit: the NA62 Collaboration

آزمایش NA62 با مشارکت قابل‌توجه انگلیس، به‌خصوص برای اندازه‌گیری‌های واپاشی‌های فوق‌العاده کمیاب کائون، از کائون‌های تولیدی توسط پرتو پروتون با شدت بالا که مجموعه‌ی شتاب‌دهنده‌ی سرن آن را فراهم کرده است، طراحی و ساخته شده است.کائون‌ها با برخوردهای پروتون‌های پرانرژی از سنکروترون پروتونِ سرن (SPS) به یک هدف ثابت بریلیومی خلق می‌شوند. این کار پرتوی از ذرات ثانویه ایجاد می‌کند که دربردارنده و پخش‌کننده‌ی حدود یک‌میلیارد ذره در هر ثانیه است،‌ حدود ۶درصد آنها کائون است. هدف اصلی NA62 بررسی دقیق چگونگی واپاشی ذراتِ کائونِ باردار به پیون و جفتِ نوترینو-پادنوترینو است..

پروفسور کریستینا لازرونی، فیزیک‌دان ذران بنیادی در دانشگاه بیرمنگهام و سخنگوی NA62، توضیح می‌دهد: این فرایند واپاشی کائون «کانال طلایی» نامیده می‌شود، زیرا ترکیبی از فرایندهای فوق‌العاده کمیاب و فرایندهای بسیارعالی‌پیش‌بینی‌شده در مدل استاندارد است. امید واقعی گرفتن و نگه داشتن آن برای دانشمندان در جستجو به ‌دنبال فیزیک جدید بسیار مشکل است.

این اولین بار است که ما توانسته‌ایم شواهد تجربی قابلِ‌توجهی برای این فرایند واپاشی به‌دست بیاوریم. لحظه‌ی هیجان‌انگیزی است، زیرا گامی بنیادین به‌سوی انجام بررسی‌های دقیق واپاشی و تشخیص انحراف‌های احتمالی از مدل استاندارد است.

درعوض (این پژوهش) به ما این امکان را می‌دهد تا روش‌های جدیدی برای درک جهان‌ِ خود پیدا کنیم. این ابزارها و تکنیک‌های توسعه‌یافته در NA62 به نسل بعدی از آزمایش‌های واپاشی کائون کمیاب منجر خواهد شد.

نتیجه‌ی جدیدی که با دقت ۳۰درصد اندازه‌گیری شده، دقیق‌ترین اندازه‌گیری، تاکنون، از این فرایند است. این نتیجه با انتظارات مدل استاندارد سازگار است، اما همچنین جایی برای ذرات جدید هم باقی می‌گذارد.

برای رسیدن به نتیجه‌ی قطعی برای وجود یا عدمِ‌وجودِ فیزیک جدید به داده‌های بیشتری نیاز داریم:

دکتر جوزپه روگیرو، عضو برنامه پژوهشی ارنست رادرفورد STFC از دانشگاه لنکستر که از سال ۲۰۱۶ تاکنون تحلیل‌گر برجسته‌ی این اندازه‌گیری‌ها بوده، و در انجام آزمایش کمک کرده است می‌گوید:

تجزیه‌وتحلیل داده‌های آزمایش یک چالش واقعی است. باید مانع حجم عظیمی از داده‌های ناخواسته شویم، حدود یک‌هزارمیلیارد بار. و این کار را باید بدون ازدست دادن یک سیگنال کوچک که به‌دنبال آشکارسازی آن هستیم، انجام دهیم. این کار بسیار چالش‌برانگیزتر از یافتن یک سوزن در یک‌میلیون انبار کاه است! ما از روشی به‌نام تکنیک تجزیه‌وتحلیل کور استفاده کردیم. به این دلیل کور نامیده می‌شود که تحلیل‌ها بدون نگریستن به ناحیه یا «جعبه‌های دربسته» انجام می‌شود که فرض می‌کنیم سیگنال در آنها وجود دارد.

STFC همچنین دو بورس رادرفورد را تأمین کرده است، یکی در دانشگاه لیورپول و سپس لنکستر و دیگری در دانشگاه بیرمنگهام. علاوه بر این سه دانشجوی دکترا در دانشگاه بیرمنگهام حمایت STFC را دریافت کرده و اکنون یک نفر به‌عنوان پژوهشگر پسادکترا در پروژه کار می‌کند. همه‌ی پنج فیزیک‌دان که در ابتدای زندگی حرفه‌ای خود هستند، روی پروژه کار می‌کنند.

داده‌های مورداستفاده در این پژوهش بین سال‌های ۲۰۱۶ و ۲۰۱۸ در سایت Prevessin در سرن، فرانسه، جمع‌آوره شده‌ است و پژوهش دربردارنده‌ی بیش از ۲۰۰ دانشمند از ۳۱ مؤسسه است. دوره‌ی جدید جمع‌آوری داده در سال ۲۰۲۱ شروع خواهد شد و به گروه همکاری NA62 این امکان را می‌دهد تا به پرسش درمورد فیزیک جدید پاسخ‌های قطعی‌تری بدهد.

یافته‌ها

نتایج جدیدی که از تحلیل‌های دقیق مجموعه داده‌های کامل NA62 که تاکنون جمع‌آوری شده‌اند، مربوط به آشکارسازی واپاشی 6×1012 است. از آنجا که فرایند اندازه‌گیری‌شده بسیار کمیاب است گروه به‌خصوص باید بسیار مراقب باشد که کاری انجام ندهد که نتایج را منحرف کند. به همین دلیل آزمایش به صورت «تحلیلی کور» انجام شد که در آن فیزیک‌دان‌ها در ابتدا فقط به ‌زمینه نگریستند تا ببینند که آیا درک آنها از منابع مختلف صحیح است یا نه.

آنها فقط هنگامی راضی هستند که به ناحیه‌ی داده‌هایی بنگرند که سیگنال موردانتظار وجود دارد؛ این کار «تجزیه‌وتحلیل کور» نامیده می‌شود. در طی یک تحلیل کور،‌ هفده K+ π+νν در مجموعه داده‌های اصلی جمع‌آوری‌شده در سال ۲۰۱۸ مشاهده شد که نشان‌دهنده‌ی افزایش قابلِ‌توجه در ‌زمینه‌ی موردانتظارِ فقط ۵.۳ از رخدادها است.

این افزایش باعث دستیابی به اولین شواهد این فرایند شده است (با اهمیت آماری از مرتبه‌ی بالاتر از‌ «سه سیگما»). آهنگ واپاشی، که با دقت ۳۰درصد اندازه‌گیری شده، دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها، تاکنون،‌از این فرایند را داده است. نتایج با انتظارات مدل استاندارد سازگار است، اما هنوز جایی برای آثار ذرات جدید باقی می‌گذارد. برای رسیدن به نتایج قطعی درباره‌ی وجود یا عدمِ‌وجود فیزیک جدید به داده‌های بیشتری نیاز داریم.

احتمال رخ دادن این فرایند، که «کسر انشعاب» نامیده می‌شود، برای واپاشی فوق‌العاده کمیاب K+ π+νν بسیار کوچک است و در مدل استاندارد ذرات با دقت بالایی پیش‌بینی شده است: (۱.۰±۸.۴)×۱۱-۱۰. این کار به حساسیت استثنایی نسبت به پدیده‌های ممکن فراتر از توصیف مدل استاندارد می‌انجامد که این واپاشی را به «حالت طلایی» تبدیل می‌کند؛ یعنی یکی از جالب‌ترین پدیده‌های قابل‌مشاهده درست در مرز فیزیک ذرات بنیادی. این پژوهش تجربی به‌ دلیل آهنگ بسیار کوچک، یک جفت نوترینو در حالت نهایی، و پتانسیل بالای فرایندهای زمینه بسیار چالش‌برانگیز است. آزمایش NA62 باتوجه به ویژگی‌های آن، حساسیت بسیار خوبی نسبت به انواع واپاشی‌های کائونِ کمیاب و فرایندهای شگفت‌انگیز دارد.

گروه همکاری NA62 درحال آماده‌شدن برای جمع‌آوری مجموعه داده‌های بزرگ‌تر در فاصله سال‌های ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۴ است، وقتی SPS سرن دوباره کار خود را شروع کند، جمع‌آوری داده با شدت پرتو بالاتر و مجموعه‌ی آشکارساز و خط پرتو پیشرفته‌تر انجام خواهد شد. هدف بعدی مشاهده‌ی واپاشی K+ π+νν از مرتبه‌ی «پنج سیگما» است، که به ‌دنبال اندازه‌گیری آهنگ واپاشی تا دقت ۱۰درصد است، بدین‌ترتیب آزمایش مستقل و قدرتمند برای آزمودن مدل استاندارد فیزیک ذرات فراهم مي‌شود. افق برنامه‌ی فیزیک جدید با حساسیت نسبت به نرخ واپاشی بسیار پایین‌تر از سطح ۱۱-۱۰ مشاهده می‌شود.

در آینده‌ی بلندمدت برنامه‌ی شکل‌گیری پرتو کائون با شدت بالا، با نگاهی به بررسی واپاشی K+ π+νν با دقت چند درصد، برای نشان دادن واپاشی مشابه کائون خنثی KL π0νν،‌ و دستیابی به حساسیت بیشینه برای طیف گسترده‌ای از واپاشی‌های کائون کمیاب در دست انجام است که با تحقیقات در بخش کوارک زیبایی (کوارک ته) تعریف می‌شود.

منبع: https://phys.org/news/2020-07-cern-evidence-ultra-rare-physics.html



نویسنده خبر: سمانه نوروزی
کد خبر :‌ 3105

آمار بازدید: ۲۴۲
همرسانی این خبر را با دوستان‌تان به اشتراک بگذارید:
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌


صفحه انجمن فیزیک ایران را دنبال کنید




حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)
  • پژوهشگاه دانش‌های بنیادی
  • دانشگاه صنعتی شریف
  • دانشکده فیزیک دانشگاه تهران

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Server: Iran (45.82.138.40)

www.irandg.com