«اینشتین» باز هم شکست نخورد

به گزارش ایسنا، اینشتین نظریه نسبیت خاص خود را ۱۲۰ سال پیش ارائه کرد و با وجود تلاش‌های متعدد برای به چالش کشیدن آن، این نظریه هنوز معتبر باقی مانده است.

این نظریه یک مفهوم ساده، اما قدرتمند است که نشان می‌دهد ذرات چگونه با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند و زمان، فضا و انرژی چگونه با هم مرتبط هستند.

گروهی از محققان با استفاده از برخورد دهنده بزرگ هادرونی(LHC) به تازگی آزمایش کردند که آیا «کوارک‌های سر»(top quark) نیز از نظریه نسبیت خاص پیروی می‌کنند یا خیر.

«کوارک سر» سنگین‌ترین ذره بنیادی شناخته شده است که حدود ۳۴۰ هزار بار سنگین‌تر از یک الکترون است. دانشمندان بر این باورند که این ذره می‌تواند اصولی فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات را که بر اساس نظریه نسبیت خاص پایه‌ریزی شده است، آشکار کند.

«کوارک سر» که با نام «کوارک تی» یا «کوارک حقیقت» نیز شناخته می‌شود، یکی از ذرات بنیادی و از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده ماده است. «کوارک سر» نیز مانند سایر کوارک‌ها، یک فرمیون بنیادی است و هر چهار نیروی بنیادی  گرانش، الکترومغناطیس، برهم‌کنش هسته‌ای ضعیف و برهم‌کنش هسته‌ای قوی را تجربه می‌کند که پرجرم‌ترین ذره بنیادی مشاهده‌ شده است.

تلاش برای شکستن تقارن لورنتز

نویسندگان این مطالعه آزمایشی را طراحی کردند تا بررسی کنند که آیا جفت «کوارک‌های سر» می‌توانند تقارن لورنتز(Lorentz symmetry) را بشکنند که مشخصه نظریه نسبیت خاص است.

تقارن لورنتز مفهومی است که نشان می‌دهد قوانین فیزیک تحت تبدیل‌های لورنتز، ثابت و غیر متغیر هستند. این تبدیل‌ها مجموعه‌ای از معادلات ریاضی هستند که چگونگی تغییر مختصات مکان و زمان را هنگام جابجایی از چارچوب مرجع ناظر به چارچوب دیگر توضیح می‌دهند.

«تقارن لورنتز» که نام آن برگرفته از نام «هندریک لورنتز» است، عبارت است از ویژگی طبیعت که می‌گوید نتایج آزمایش‌ها مستقل از جهت‌گیری و سرعت آزمایشگاه در میان فضا هستند.

لورنتز در تلاش جهت بهبود تبدیلات گالیله، تبدیل جدیدی یافت که تحت آن معادلات ماکسول در سیستم‌های مختصات مختلفی که نسبت به هم حرکت دارند، تغییر نمی‌کرد و به این ترتیب اساس نسبیت خاص بنا نهاده شد. این تبدیل اکنون تبدیلات لورنتز نامیده می‌شود. یکی از مفاهیم مرتبط با تقارن لورنتز، «هم‌وردایی لورنتز» است که بنا بر نظریه نسبیت خاص از ویژگی‌های کلیدی فضا-زمان است.

بنابراین هرگونه نقض «تقارن لورنتز» به عنوان انحراف از مدل استاندارد فیزیک در نظر گرفته می‌شود. نویسندگان این مطالعه با اجرای یک آزمایش به دنبال چنین نقض‌هایی بود و در طول آن بررسی کردند که آیا سرعت تولید جفت‌های «کوارک سر» در برخوردهای پروتون با زمان روز تغییر می‌کند یا خیر. به این دلیل که زمین به طور دائم حول محور خود در حال چرخش است.

با چرخش زمین، جهت پرتوهای پروتون در LHC و جهت تولید کوارک‌های سر در برخوردها نیز تغییر می‌کند. این امر به این دلیل اتفاق می‌افتد که پرتوهای پروتون LHC در جهت ثابتی در فضا هدف گرفته می‌شوند، اما با چرخش زمین، جهت آن پرتوها و ذرات تولید شده نسبت به ناظر روی زمین تغییر می‌کند.

حالا اگر جهت خاصی در فضا-زمان وجود داشت که طبیعت آن را ترجیح می‌داد (این امر توسط نسبیت خاص پیش‌بینی نشده است)، با تغییر موقعیت زمین نسبت به آزمایش، نرخ تولید جفت کوارک سر در طول روز تغییر می‌کرد.

این تغییر، نشان‌دهنده شکست و نقض «تقارن لورنتز» خواهد بود که نشان‌دهنده نیاز به فیزیک جدید فراتر از نظریه اینشتین است.

آیا کوارک‌های سر نسبیت خاص را شکستند؟

وقتی نویسندگان مطالعه داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول اجرای این آزمایش را بررسی کردند، هیچ تغییری نیافتند و نرخ تولید جفت کوارک سر بدون توجه به زمان روز، ثابت ماند.

این بدان معنی است که هیچ جهت ترجیحی در فضا-زمان یافت نشد و «تقارن لورنتز» دست نخورده باقی ماند.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان کردند: نتایج جدید با یک نرخ ثابت مطابقت دارد، به این معنی که «تقارن لورنتز» شکسته نشده و نظریه نسبیت خاص اینشتین همچنان معتبر باقی می‌ماند.

محققان همچنین از یافته‌های خود برای تعیین اینکه در صورت حفظ «تقارن لورنتز»، مقادیر معینی با صفر تفاوت دارند، استفاده کردند. با توجه به نتایج آنها، این مقادیر می‌تواند بسیار کوچکتر از آنچه قبلا تصور می‌شد، باشد. در واقع، محدودیت‌های جدید تا ۱۰۰ برابر دقیق‌تر از محدودیت‌های تعیین شده در آزمایش‌های قبلی است.

این یافته‌ها به دانشمندان کمک می‌کند تا دقت آزمایش‌های آینده را با تمرکز بر شکستن «تقارن لورنتز» بهبود بخشند.

این مطالعه در مجله Physics Letters B منتشر شده است.