محققان پریمیتر (Perimeter) چگونگی استفاده از بزرگترین ساختارِ ممکن - یعنی انحنایِ کلی جهان – بعنوان یک عدسی برای مشاهده‌ی کوچک‌ترین ذراتِ قابلِ مشاهده در جهان امروز، یعنی ذرات بنیادی را نشان می‌دهند.

نیایش افشردی (Niayesh Afshordi)، عضو موسسه‌ی فیزیک نظری پریمیتر و محقق پسادکتری الیوت نلسون (Elliot Nelson)، به تازگی موفق به کسبِ مقامِ سومِ جایزه‌ی کیهان شناسی بوکاتر (Buchalter Cosmology Prize) برای کشف روش کاملا جدید و متفاوتی در کیهان شناسی شده‌اند. این روش قادر است دریچه‌ای را به آینده‌ی فیزیک ذرات بنیادی بگشاید.

کار تحقیقاتی آن‌ها از جایی شروع شد که فضا را همانند سطح صاف و همواری در نظر می‌گیرند. که در این فضای صاف و هموار چین خوردگی‌های موضعی‌ای وجود دارند و نکته‌ی جالب آن است که جهان به طور کلی یک درصد از این سطح هموار را شامل می‌شود.

مشکل آنجاست که در واقع نباید اینطور باشد. خلا موجود در فضا تهی نیست بلکه در آن میدان‌هایی وجود دارد که اگرچه ممکن است ضعیف باشند اما مقدارشان صفر نیست. در کوانتوم هیچ چیزی نمی‌تواند صفر باشد به این علت که پارامتر‌های کوانتومی دائما در حال حرکت و تغییر هستند. بر طبق نظریه نسبیت عام، این نوسانات باعث خمیدگی فضا زمان می‌شوند. در حقیقت تمام توضیحات فوق برای آن است که بدانیم یک محاسبه‌ی ساده از میزان خمیدگی فضا نشان می‌دهد که جهان درهم پیچیده‌ای خواهیم داشت که ماه در آن نمیگنجید.

کیهان شناسان همچنین برای حل این مساله تحقیقاتی انجام داده‌اند : جهان باید خمیده باشد، اما صاف و هموار بنظر بیاید. اگر فرض کنیم ضد جاذبه‌ای وجود دارد که قادر است بطور دقیق تمایل به خمیدگی فضا را خنثی سازد، مشکل قابل حل خواهد بود. چنین پیش‌بینی‌ها و تصحیحات نامحتملی از مشکلات همیشگی کیهانشناسان بشمار می‌رود که بیش از نیم قرن است که با آن دست و پنجه نرم می‌کنند.

در این مقاله، نلسون و افشردی تلاشی برای حل این مساله انجام ندادند. هنگامیکه کیهانشناسانِ دیگر به دنبالِ ثابتِ خنثی کننده می‌گشتند، نلسون و افشردی در پی طرح پرسش دیگری بودند : "آیا اضافه کردن چنین ثابتی برای خنثی کردنِ انرژیِ خلا وجودِ فضا زمانِ مسطح را تضمین می‌کند؟". پاسخ آن‌ها این بود : "مسلما خیر !"

در این صورت در فضایِ خلا هنوز میدان‌های کوانتومی وجود دارد و نوسانات میدان‌های کوانتومی طبیعت آنها است. حتی اگر آن‌ها بصورت دقیق و کاملی خنثی شوند بطوریکه مقدار میانگین آن صفر باشد، میدان‌های کوانتومی کماکان حول نقطه صفر نوسان خواهند کرد و نوسانات (دوباره) موجب خمیدگی فضا می‌شود.

در این طرح، مقدار خمیدگی‌ای که توسط میدان‌های معلوم (میدان الکترومغناطیسی یا میدان ناشی از هیگز) ایجاد می‌شود، آنقدر کوچک است که قابل اندازه‌گیری نیست و بنابراین مجاز خواهد بود. اما مقدار هر میدان ناشناخته‌ای باید به اندازه‌ی کافی کم باشد تا نوسانات آن  خمیدگیِ قابل مشاهده در جهان ایجاد نکند. این یعنی در نظر گرفتنِ ماکزیمم انرژی برای میدان‌های نامعلوم.

یک حداکثر نظری برای یک میدان نظری ممکن است پیشگامانه بنظر نرسد، اما پنجره‌ی جدیدی به مکان غیر منتظره فیزیک ذرات خواهد گشود.

همان‌طور که مکانیک کوانتومی به ما می‌آموزد، ذره حاصلِ برانگیختگیِ میدان است. به عنوان مثال فوتون حاصل برانگیختگیِ میدانِ الکتریکی است. همچنین، بوزون هیگز، ذره‌ای که به تازگی کشف شده حاصل برانگیختگیِ میدانِ هیگز است. تقریبا شبیه موج که نتیجه‌ی برآشفتگیِ اقیانوس است. همانطور که می‌توان از رویِ ارتفاعِ موج، اطلاعاتی راجع به عمق آب بدست آورد، جرم یک ذره نیز به میزان قدرتِ میدانِ متناظر با آن بستگی دارد.

انواعِ جدیدِ میدان‌های کوانتومی، اغلب پیشنهاد‌هایی برای گسترشِ مدلِ استانداردِ فیزیک ذرات مطرح می‌کنند. اگر افشردی و نلسون درست گفته باشند و چنین میدان‌هایی که نوسانات آن‌ها  انرژیِ کافی برای ایجادِ خمیدگی قابل توجه را داشته باشد، وجود نداشته باشند، احتمال وجود ذرات ناشناخته با جرم بیشتر از 35 ترا الکترون ولت بسیار کم خواهد بود. نویسندگان مقاله پیش‌بینی می‌کنند که اگر ذرات و میدان‌های جدیدی در ارتباط با گسترشِ مدل استاندارد وجود داشته باشند، در زیر محدوده‌ی ذکر شده قرار خواهند گرفت.

در طول نسل‌ها، فیزیک ذرات پیشرفت بسیار زیادی داشته است : ساختن برخورد دهنده‌های قدرتمند و قدرتمند تر برای تولید، سپس ضریه زدن و مطالعه و بررسیِ ذرات سنگین و سنگین‌تر. درست مانند آن است که از طبقه‌ی همکف شروع به ساختن کرده‌ایم و هر چه که به طبقات بالاتر می‌رسیم، ذرات بیشتری را کشف می‌کنیم. آنچه که نلسون و افشردی انجام داده‌اند، تنها ابری کردن آسمان است.

در فیزیک ذرات بحث گسترده‌ای پیرامون این موضوع که آیا به تولید شتابدهنده‌های بسیار قدرتمندتر برای جست و جو و بررسی ذراتِ ناشناخته‌ی سنگین‌تر نیازمند هستیم یا خیر وجود دارد. در حال حاضر، قدرتمند‌ترین شتابدهنده‌ی جهان، شتابدهنده‌ی بزرگ هادرونی، با انرژی‌ای از مرتبه‌ی 14 ترا الکترون ولت عمل می‌کند. و این در حالی است که شتابدهنده‌ی فوق سریعِ چین  تا پیشنهادِ 100 ترا الکترون ولت نیز پیش رفته است. از آنجاییکه ادامه‌ی این بحث ناتمام است، نتایج بررسی‌های تحقیقِ جدید می‌تواند به تجربی‌کاران در انتخاب انرژی مطلوب کمک کند که ارتفاع کدام آسمانخراشِ انرژی مناسب‌تر است!

همانطور که در این تحقیق مطرح می‌شود، آسمان دارای مرزی است و ما قصد داریم که به آن اشاره کنیم.

*موسسه‌ی پریمیتر

موسسه‌ی پریمیتر بزرگترین موسسه‌ی تحقیقاتی فیزیک نظری در جهان بشمار می‌رود. این موسسه‌ی مستقل در سال 1999 برای پرورش و رشد اکتشافات در فهم بنیادین جهان، از کوچکترین ذرات تا کل کیهان تاسیس شد.

دکتر نیایش افشردی (سمت چپ) و الیوت نلسون (سمت راست)

منبع :

https://www.perimeterinstitute.ca/node/97762