چه چیزی در مورد اندازه گیری نیروی قوی دشوار است؟

در سپتامبر، اعضای آزمایش ATLAS در برخورد دهنده بزرگ هادرون اعلام کرد که قدرت نیروی قوی را با دقتی بی سابقه اندازه گیری کردند.

این به چه معناست و چرا فیزیکدانان آن را هیجان انگیز می دانند؟

بیایید با نیروی قوی شروع کنیم. احتمالاً می دانید که دنیای اطراف شما – تلفن، خانه، گربه شما – از اتم ساخته شده است. و اینکه این اتم‌ها از پروتون‌ها و نوترون‌هایی ساخته شده‌اند که در هسته‌ای با الکترون‌هایی که دور آن‌ها می‌چرخند، محکم به هم متصل شده‌اند. همچنین ممکن است بدانید که این پروتون‌ها و نوترون‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک تشکیل شده‌اند که تا آنجا که می‌دانیم نمی‌توانند به اجزای کوچک‌تر تجزیه شوند.

چه چیزی این کوارک ها را کنار هم نگه می دارد؟ چه چیزی آنها را به هم چسبیده نگه می دارد تا بتوانند نوکلئون های درون اتم هایی را تشکیل دهند که مولکول های من و شما را می سازند؟ این همان نیروی قوی خواهد بود.

استفانو کاماردا، محقق آزمایش ATLAS در برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن توضیح می دهد: «نیروی قوی یکی از آن چیزی است که ما آن را چهار نیروی اساسی می دانیم.

چهار نیروی اساسی شامل گرانش، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای ضعیف و در نهایت نیروی قوی است. این نیروها هستند که همه چیز را در جهان ما به هم چسبانده یا از هم می پاشند. به عنوان مثال، گرانش کهکشان های ما را به هم متصل می کند. نیروی الکترومغناطیسی الکترون ها و پروتون ها را در اتم جذب می کند. نیروی ضعیف واکنش های گرما هسته ای را در خورشید امکان پذیر می کند. و نیروی قوی ماده ای را که بدن ما و دنیای اطراف ما را تشکیل می دهد کنار هم نگه می دارد.

هر کدام از این نیروها قدرت متفاوتی دارند. گرانش می تواند بین کهکشان هایی برسد که هزاران سال نوری از هم فاصله دارند، در حالی که نیروی قوی فقط در مقیاس یک پروتون کار می کند که حجم آن یک کوادریلیوم متر است.

اما این مرحله مینیاتوری جایی است که نیروگاه نام خود را به خود اختصاص داده است. در داخل یک اتم، گرانش عملاً هیچ تأثیری بر نحوه تعامل پروتون ها یا کوارک ها با یکدیگر ندارد. از سوی دیگر، نیروی قوی فوق العاده قدرتمند است.

برای مشاهده خیلی کوچک است

این قدرت پیوندهای نیروی قوی بین کوارک هاست که بیشتر جرم پروتون را تشکیل می دهند.

کاترینا لیپکا، یک آزمایشگر که در مرکز تحقیقات DESY آلمان کار می کند، می گوید: جرم کوارک تنها مسئول حدود یک درصد از جرم نوکلئون است. در سال 1979

مابقی انرژی موجود در حرکت گلوئون ها است. جرم ماده توسط انرژی برهمکنش قوی به دست می آید.

با توجه به اهمیت نیروی قوی برای وجود ما، منطقی است که دانشمندان بخواهند نحوه عملکرد آن را درک کنند. برای انجام این کار، آنها پارامتر بنیادی تعامل قوی را که “alpha strong” یا α نامیده می شود، اندازه گیری می کنند_با. قدرت آلفا بسته به انرژی یا فاصله ای که ماده در آن کاوش می شود، قدرت نیرو را به ما می گوید.

اما مطالعه نیروی قوی به ویژه دشوار است. تئوونگ یو، نظریه پرداز کینگز کالج لندن می گوید: «دلیل این امر به دلیل ماهیت نیروی قوی است.

همانطور که با آزمایش آهنربا می بینید، قدرت نیروی الکترومغناطیسی وقتی دو ذره را به هم نزدیک می کنید افزایش می یابد و با جدا کردن آنها ضعیف تر می شود. این برای ما منطقی است. با این حال، نیروی قوی رفتار مخالف از خود نشان می دهد. Vie می‌گوید: «این کاملاً غیر منطقی است، اما وقتی سعی می‌کنید دو کوارک را از هم جدا کنید، پیوند در واقع قوی‌تر می‌شود.

دو کوارک را تصور کنید که توسط نیروی قوی به هم متصل شده اند، مانند مهره هایی که به طرف مقابل یک نوار لاستیکی متصل شده اند. هر چه دو مهره را از هم دورتر بکشید، کشش کش بین آنها قوی تر می شود. لیپکا می‌گوید، نیرویی که برای شکستن آن نوار لاستیکی نیاز دارید – به عنوان مثال، برای حذف کوارک از یک پروتون – برابر است با حدود 1.6 تن متریک، وزن یک ماشین کوچک.

پس از طی مسافتی، پتانسیل بین دو کوارک به قدری بزرگ می شود که در واقع انرژی کمتری برای استخراج یک کوارک یا آنتی کوارک جدید از پس زمینه کوانتومی نسبت به حفظ پیوند بین کوارک های اصلی صرف می شود. این فرآیند “هادرون سازی” به معنای واقعی کلمه کوارک ها را از هوای رقیق بیرون می کشد و این بدان معنی است که ما فقط می توانیم کوارک ها را جفت یا گروه مشاهده کنیم.

برای مقابله با این موضوع، دانشمندان از روش های مختلفی برای مطالعه غیر مستقیم نیروی قوی استفاده می کنند.

در LHC، دانشمندان برخورد پروتون ها را مطالعه می کنند. آزمایش ATLAS در رکوردشکنی اخیر خود، آلفاها را با استفاده از برخورد پروتون-پروتون و تولید ذراتی به نام بوزون Z اندازه گیری کرد.

زمانی که کوارک‌ها در پروتون‌های در حال برخورد از بین می‌روند، معمولاً در میان ذرات دیگر، بوزون Z تولید می‌کنند. بوزون های Z از طریق نیروی قوی برهمکنش نمی کنند، اما نیروی قوی به آنها ضربه می زند زیرا از برخورد ذرات جلوگیری می کنند. آزمایش ATLAS تکانه عرضی بوزون های Z را برای بازیابی آلفای قوی اندازه گیری می کند.

لیپکا و همکارانش در آزمایش CMS در LHC نیروی قوی را با استفاده از اسپری‌هایی از ذرات به نام جت بررسی می‌کنند. هنگامی که کوارک ها از برخوردهای پرانرژی پروتون و پروتون به بیرون پرتاب می شوند، “جت های” همسویی از ذرات ساخته شده از کوارک های بسیار متصل را تولید می کنند.

لیپکا می‌گوید: «این جت‌ها خواص کوارک یا گلوئون اصلی را حفظ می‌کنند و سرعت آن‌ها متناسب با مقدار جفت قوی است.

تیم او از جت ها برای اندازه گیری قدرت دقیق نیروی قوی استفاده کرد.

لیپکا می‌گوید، توسعه روش‌های متعدد برای مطالعه جفت قوی مهم است. او می‌گوید: «اگر نتایج اندازه‌گیری‌های مختلف را با هم ترکیب کنیم، می‌توانیم به دقت بالاتری دست پیدا کنیم. آزمایش‌های ATLAS و CMS به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مستقل از یکدیگر باشند، بنابراین می‌توانیم نتایج را بررسی کرده و احتمالاً آنها را ترکیب کنیم.»

بیشتر و دقیق تر

ما از درک کامل نیروی قوی فاصله داریم. ما قدرت نیروی الکترومغناطیسی را حدود یک قسمت در یک میلیارد می دانیم، اما قدرت نیروی قوی را حدود یک در صدم می دانیم.

کاماردا توضیح می دهد که چرا کار برای از بین بردن این شکاف مهم است: “وقتی ما نقاط قوت نیروهای الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی را در مقیاس انرژی بسیار بالا توسعه می دهیم، همانطور که در جهان بسیار اولیه چنین بود، آنها بسیار شبیه می شوند.”

این شباهت به اتحاد احتمالی این سه نیرو در زمان بلافاصله پس از انفجار بزرگ اشاره دارد. کاماردا می‌گوید: «جزئیات این نظریه یکپارچگی بزرگ بسیار به مقادیر دقیق ثابت‌های جفت بستگی دارد، بنابراین ما در اینجا با دقت جفت قوی محدود شده‌ایم.

او می گوید که درک قدرت آلفا برای تحقیق در LHC و ارتقاء آینده LHC، LHC با نور بالا، کلیدی است. اگر بخواهیم فیزیک دقیقی را انجام دهیم، به عنوان مثال، در بخش هیگز، باید تعیین توان آلفا را بهبود بخشیم.

انجام تحقیقات دقیق از هر نوعی می تواند به فیزیکدانان کمک کند تا نظریه های خود را آزمایش کنند. برای مثال، دانشمندانی که دقیقاً مدار سیاره عطارد را اندازه‌گیری کردند، تفاوت جزئی بین پیش‌بینی و واقعیت پیدا کردند، و وی می‌گوید: «و معلوم شد که درک ما از گرانش را کاملاً تغییر داد.

مطالعات دقیق می تواند به ما نکاتی در مورد فیزیک بدهد که ممکن است فراتر از مدل استاندارد وجود داشته باشد، فراتر از آنچه قبلاً در مورد فیزیک می دانیم. لیپکا می گوید: «این امکان وجود دارد که ذرات بنیادی شناخته شده، از جمله کوارک ها، حتی از اجسام ابتدایی بیشتری تشکیل شده باشند. این اجسام ممکن است در معرض نیروهای جدید با انرژی بسیار بالاتر از آنچه در آزمایش‌های کنونی می‌توانیم بررسی کنیم، قرار بگیرند.»

هرچه اندازه گیری دقیق تر باشد، دانشمندان بهتر می توانند پیش بینی های خود را آزمایش کنند. کاماردا، لیپکا و شما همچنان به دنبال نکاتی از تعاملات خارج از مدل استاندارد در کار خود هستند.

Vie می‌گوید: «حرکت به سمت مرزهای بعدی همیشه هیجان‌انگیز است. “گاهی اوقات اندازه گیری با یک رقم دقت بیشتر منجر به دگرگونی اساسی در درک ما از جهان در سطح اساسی می شود.”