چرا جهان از ماده ساخته شده است؟

دانشمندان با تجزیه و تحلیل تلفیقی جدید از دو آزمایش برجسته نوترینو در جهان، گامی به حل معمای دیرینه‌ای در فیزیک نزدیک‌تر شده‌اند: اینکه چرا جهان اصلاً حاوی ماده است.

با ادغام نزدیک به ۱۶ سال اندازه‌گیری، آزمایش «NOvA» در ایالات متحده و آزمایش «T2K» در ژاپن، دقیق‌ترین تصویر تاکنون از نحوه دگرگونی نوترینوها و همزادهای پادماده‌ای آن‌ها در طول سفرشان ارائه داده‌اند. نتایج که در ۲۲ اکتبر در مجله «نیچر» منتشر شده، جستجو برای تفاوت‌های ظریف در رفتار این ذرات را دقیق‌تر می‌کند؛ تفاوت‌هایی که ممکن است به توضیح چیرگی ماده بر پادماده در جهان آغازین کمک کنند.

بر اساس مدل استاندارد فیزیک ذرات، اگر این دو کاملاً متقارن بودند، مهبانگ باید حدود ۱۴ میلیارد سال پیش مقادیر مساوی از ماده و پادماده تولید می‌کرد. و در واقع، از آنجا که ماده و پادماده در تماس با یکدیگر نابود می‌شوند، یک جهان کاملاً متعادل می‌بایست در دریایی از انرژی خالص پایان می‌یافت. با این حال، کیهان امروز به طور قاطع‌انه از ماده تشکیل شده، که نشان‌دهنده وجود برخی سازوکارهای ظریف است که در زمان‌های نخستین برتری اندک و هنوز مرموزی به ماده بخشیده است.

نوترینو چیست؟
مظنون اصلی برای برهم زدن تراز، نوترینو است: ذره‌ای شبح‌وار و تقریباً بدون جرم که سراسر جهان را درنوردیده اما به ندرت با هر چیزی برهم‌کنش می‌کند. به همین دلیل دانشمندان اغلب آن را «ذرات شبح» می‌نامند. فیزیکدانان مدتهاست در این اندیشه‌اند که آیا نوترینوها و پادنوترینوها به روش‌هایی که آزمایش‌ها بتوانند تشخیص دهند، متفاوت رفتار می‌کنند یا خیر. حتی یک ناهمخوانی ظریف، که به عنوان «نقض CP» شناخته می‌شود، می‌تواند چگونگی کسب برتری کیهانی توسط ماده را روشن کند.

«رایان پترسون»، استاد فیزیک در مؤسسه فناوری کالیفرنیا و سرپرست مشترک تیم NOvA، به Space.com گفت: «اگرچه هنوز نکات بیشتری برای درک وجود دارد، پرسش تجربی حیاتی روشن است: آیا می‌توانیم این نقض تقارن را در نوترینوها مشاهده کنیم، و اگر چنین است، اندازه آن چقدر است؟»


یک نتیجه کلیدی از تحلیل مشترک، اندازه‌گیری بسیار دقیق‌شده یکی از بنیادی‌ترین پارامترهای نوسان است که به نام تفکیک جرم نوترینو شناخته می‌شود. این هم‌اکنون در محدوده‌ای با دقت تنها ۲ درصد محدود شده است و آن را به یکی از دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های گزارش‌شده تاکنون تبدیل کرده است.

«رایان پترسون» گفت: «این پارامتر زیربنای تمام اندازه‌گیری‌های دیگر ما است.» او افزود که این پیشرفت همچنین راه‌هایی برای تعیین سلسله مراتب جرم نوترینو — ترتیب هنوز ناشناخته سه حالت جرمی نوترینو — باز می‌کند.

یک «زبان» مشترک جدید برای علوم نوترینو
فراتر از نتایج فیزیکی مستقیم، پژوهشگران می‌گویند یکی از دستاوردهای برجسته‌ترین این همکاری، توسعه یک چارچوب مشترک اولیه است — یک «زبان» مشترک برای چگونگی توصیف برهم‌کنش‌های نوترینو در آزمایش‌های مختلف.

اگرچه همه آزمایش‌ها بر فیزیک زیربنایی یکسانی استوارند، هر کدام بر اساس طراحی منحصربه‌فرد آشکارساز خود، تقریب‌ها و انتخاب‌های روش‌شناختی متفاوتی را اتخاذ می‌کنند. «سانچز» گفت: از جمله فرضیات حیاتی، آنهایی هستند که شامل چگونگی برهم‌کنش نوترینوها با ماده می‌شوند — که برای بازسازی دقیق انرژی آن‌ها ضروری است — و اینکه چه تعداد نوترینو در یک انرژی مشخص تولید می‌شوند.

او خاطرنشان کرد که حتی تفاوت‌های کوچک در این مدل‌ها می‌تواند بر تفسیر الگوهای نوسان تأثیر بگذارد. با هماهنگ‌سازی این فرضیات، این همکاری یک الگوی آغازین ایجاد کرده که آزمایش‌های آینده می‌توانند آن را به کار گیرند تا اطمینان حاصل کنند یافته‌هایشان مستقیماً قابل مقایسه است.

سانچز به Space.com گفت: «دقت در این اندازه‌گیری‌ها حیاتی است، زیرا حتی ناهمخوانی‌های ظریف نیز می‌توانند نشان‌دهنده انحراف از مدل باشند و بالقوه فیزیک جدیدی را آشکار کنند. هرچه توافق دقیق‌تر باشد، اطمینان ما به درستی توصیفمان بیشتر است.»

زمان‌بندی نمی‌توانست بهتر از این باشد.
دانشمندان می‌گویند چنین چارچوب یکپارچه‌ای برای نسل بعدی آزمایش‌های فوق‌حساس — «آزمایش نوترینوی عمیق زیرزمینی» (DUNE) در ایلینوی و داکوتای جنوبی، و «هایپر-کامیوکانده» در ژاپن — که در حال ساخت هستند و انتظار می‌رود در سال ۲۰۲۸ آغاز به کار کنند، ضروری خواهد بود. این آشکارسازهای نسل بعدی اندازه‌گیری‌هایی به مراتب حساستر از NOvA یا T2K انجام خواهند داد و به طور بالقوه در دهه آینده شواهد قطعی از نقض CP ارائه خواهند کرد.

و اگر نوترینوها واقعاً با ماده و پادماده متفاوت رفتار کنند، دانشمندان ممکن است سرانجام دلیل دیرینه‌ای را کشف کنند که چرا جهان به شکلی که امروز می‌شناسیم وجود دارد.

Source
-
Channel of science is for all