نگاهی به احتمالات مطرح‌شده درباره نیروی بنیادی پنجم و تأثیراتی که در درک ما از جهان خواهد داشت
فاطمه آصفی | شهرآرانیوز؛ گاهی خبر‌های جالبی از آزمایشگاه‌های عظیم فیزیک در دنیا به گوش میرسد که شاید در نگاه اول به نظر برسد هیچ ربطی به زندگی روزمره من و شما ندارند، ولی در درک و فهم ما از عالم تأثیرگذارند. حتی ممکن است به مرور باعث تغییرات اساسی در علم شوند. برای مثال مدتی پیش خبری درباره احتمال کشف نیرویی جدید در طبیعت منتشر شد که سروصدای بسیاری ایجاد کرد و فیزیکدانها را به تکاپو انداخت. یعنی غیر از ۴ نیروی بنیادی که همیشه میشناختیم، نیروی جدیدی هم وجود داشته است که از آن بی‌خبر بوده‌ایم؟ اصلا این نیرو چرا تا الان پیدا نشده بود و دامنه اثرگذاریاش شبیه کدامیک از نیرو‌هایی است که میشناختیم؟
ارسطو معتقد بود که همه اشیا در جهان از ۴ عنصر بنیادی در طبیعت تشکیل شده‌اند؛ خاک، هوا، آتش و آب. این عناصر تحت‌تأثیر ۲ نیرو هستند؛ گرایش خاک و آب به پایین آمدن و گرایش هوا و آتش به صعود. پس از ارسطو و در سالیان متمادی دانشمندان به تعریف دقیق‌تری از اجزای بنیادی دنیایی دست یافتند که در آن زندگی می‌کنیم. آن‌ها تعریف دقیقی از ذرات بنیادی (یعنی ذراتی که کوچک‌تر از آن‌ها در طبیعت یافت نمی‌شود) ارائه دادند. ذراتی که برای ایفای نقش در جهان هستی و انجام کنش متقابل با یکدیگر از ۴ قانون اساسی پیروی می‌کنند که مجموع آن‌ها را قوانین چهارگانه طبیعت می‌نامیم.
ذرات بنیادی، مدل استاندارد و ۴ نیروی طبیعت
۴ قانونی که از آن سخن می‌گوییم، نیرو‌هایی هستند که میان ذرات بنیادی اعمال می‌شوند و جهانی را می‌سازند که همچنان برای فهم آن در تلاشیم. با این حال همه ما این نیرو‌ها را تجربه کرده‌ایم؛ از چسباندن یک مغناطیس به در یخچال بگیرید تا انداختن توپ در حلقه بسکتبال. این نیرو‌های فیزیکی را که بر لحظه‌لحظه زندگی ما حکم‌فرما هستند، می‌توان این‌گونه تقسیم کرد: نیروی گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف. حال که با ۴ نیروی طبیعت آشنا شدید، بهتر است دوباره به سراغ ذرات بنیادی برویم و این سؤال را مطرح کنیم که آن‌ها دقیقا چه چیز‌هایی هستند؟ برخی معتقدند تاریخچه طرح این سؤال به قرن پنجم پیش از میلاد و کار‌های فیلسوفان معتقد به اتم مانند دموکریت و لئوکیپوس برمی‌گردد و بررسی علمی آن با کشف الکترون توسط تامسون در سال ۱۸۹۷ شروع می‌شود. سرانجام این تلاش‌ها برای تعریف ذرات بنیادی در سالیان متمادی به مدل استاندارد می‌انجامد. مدلی که یک توصیف همه‌جانبه از ذرات بنیادی به ما می‌دهد. طبق مدل استاندارد همه آنچه در این عالم می‌شناسیم، از ذرات تجزیه‌ناپذیری به نام «فرمیون‌ها» و «بوزون‌ها» تشکیل می‌شود. فرمیون‌ها و بوزون‌ها خود زیرمجموعه گسترده‌ای دارند که در این میان، الکترون و فوتون به‌ترتیب از فرمیون‌ها و بوزون‌هایی هستند که همه ما با آن‌ها آشنا هستیم.
میون، ذرهای که همه این ماجرا زیر سر اوست
حالا که با ذرات بنیادی و ۴ نیروی طبیعت بیشتر آشنا شدیم، بهتر است به سراغ آزمایشی برویم که خبر از احتمال یک ذره ناشناخته و یک نیروی جدید در طبیعت می‌دهد. آزمایشی که نتایج آن در
۷ آوریل و در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی در نزدیکی شیکاگو اعلام شد و نتیجه خارق‌العاده‌ای را برای جامعه بین‌المللی فیزیک در پی داشت. زیرا نتیجه آزمایش تجربی را مقابل مدل استاندارد قرار داد و زمزمه‌هایی از به چالش‌کشیدن مدل استاندارد مطرح کرد. درواقع همه‌چیز به ذراتی به نام «میون» (Muon) مربوط می‌شود که رفتاری متفاوت از پیش‌بینی نظریه‌ها از خود نشان می‌دهد. میون یک ذره بنیادی باردار و دارای اسپین است که با میدان مغناطیسی برهمکنش می‌کند. شدت برهمکنش بین میون و میدان مغناطیسی با چیزی به نام ضریب g توصیف می‌شود.
تئوری‌ها پیش‌بینی می‌کنند که مقدار این ضریب باید برابر با ۲ باشد، اما مشاهدات اخیر نشان می‌دهد که بین آزمایش‌های تجربی و مدل استاندارد اختلاف شایان توجهی وجود دارد. برای شناخت بهتر میون‌ها باید گفت آن‌ها مشابه الکترون خودمان هستند، اما ۲۰۷ برابر سنگین‌ترند. با وجود این، ویژگی‌های گوناگون مشابهی هم با یکدیگر دارند. البته آن‌ها، چون سنگین‌تر هستند، می‌توانند واپاشی کنند. میون‌ها ذرات بارداری با خاصیتی به نام اسپین هستند. درنتیجه طوری رفتار می‌کنند که گویی مغناطیس درونی دارند. به این معنا که اگر آن‌ها را در میدان مغناطیسی قرار دهید، مثل فرفره می‌چرخند.
g؛ ضریبی که دستی در آتش ماجرا دارد
ضریب g کمیتی است که به ما می‌گوید میون وقتی در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، چقدر سریع خواهد چرخید. ضریبی که همه این حرف‌وحدیث‌ها زیر سر اوست. چون مقدار آن برای میون در این آزمایش با آنچه طبق مدل استاندارد پیش‌بینی شده بود، متفاوت است و همین امر زنگ خطری برای تناقض مدل استاندارد با طبیعت به صدا درآورد.
آزمایش میون g۲ با ارسال ذرات میون دور یک حلقه ۱۴متری و اعمال میدان الکترومغناطیسی انجام شد. براساس قوانین شناخته‌شده فیزیک که در مدل استاندارد نهفته است، این کار باید باعث جنبش میون‌ها در حد مشخصی شود، اما محققان متوجه شدند که میون‌ها با سرعتی بیش از حد انتظار به جنبش درمی‌آیند. این ممکن است ناشی از نیرویی در طبیعت باشد که تاکنون کاملا ناشناخته بوده است. متخصصان فیزیک نظری همچنین معتقدند که این ممکن است به یک ذره زیراتمی ناشناخته مرتبط باشد. تلاش برای انجام این آزمایش فقط به تیم دویست‌نفره آزمایشگاه «فرمی» مربوط نیست، بلکه حدود ۲۰ سال پیش و در آزمایشگاه ملی بروکهیون نیز این آزمایش به انجام رسید، اما در سال ۲۰۱۳ با انتقال آهن‌ربای ۵۰ فوتی غول‌پیکر آن به آزمایشگاه فرمی تلاش‌ها برای انجام دوباره این آزمایش در وضعیتی با خطای کمتر از سر گرفته شد.
آیا قرار است دانش فیزیک زیرورو شود؟
درواقع آزمایش اخیر آخرین مورد از یک رشته نتایج نویدبخش از آزمایش‌های فیزیک ذرات در آمریکا، ژاپن و برخورددهنده ذرات هادرون در مرز فرانسه و سوئیس بود، با این تفاوت که دقت اندازه‌گیری در آزمایشگاه فرمی مثل اندازه‌گیری طول زمین فوتبال با دقتی به اندازه ضخامت تار موی انسان است. آزمایش میون g در صورت تأیید می‌تواند به حل بزرگ‌ترین معما‌هایی که چند دهه دانشمندان را درگیر خود کرده است، کمک کند. حل معمای ماده تاریک ازجمله آن‌هاست. به همین دلیل آزمایش میون g۲ در فرمی هنوز به پایان نرسیده و تحقیقاتی برای انجام ۵ آزمایش دیگر در سال ۲۰۲۲ در حال برنامه‌ریزی است تا به این سؤال پاسخ داده شود که آیا ما با فیزیک جدیدی روبه‌رو هستیم؟