«اینشتین» و نظریه نسبیت اش، باز هم ناکامی نخورد_صبح سریع

اینشتین نظریه نسبیت خاص خود را ۱۲۰ سال پیش اراعه کرد و با وجود کوششهای متعدد برای به چالش کشیدن آن، این نظریه تا این مدت معتبر باقی مانده است.

این نظریه یک مفهوم ساده، اما قوی است که مشخص می کند ذرات چطور با سرعتی نزدیک به شدت نور حرکت می‌کنند و زمان، فضا و انرژی چطور با هم مرتبط می باشند.

گروهی از محققان با منفعت گیری 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 نزدیک به 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 پایه 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 مهم راه اندازی‌دهنده ماده است. «کوارک سر» نیز همانند دیگر کوارک‌ها، یک فرمیون بنیادی است و هر چهار نیروی بنیادی  گرانش، الکترومغناطیس، برهم‌کنش هسته‌ای ضعیف و برهم‌کنش هسته‌ای قوی را توانایی می‌کند که پرجرم‌ترین ذره بنیادی مشاهده‌ شده است.

تلاش برای شکستن تقارن لورنتز

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

تقارن لورنتز مفهومی است که مشخص می کند قوانین فیزیک تحت تبدیل‌های لورنتز، ثابت و غیر متغیر می باشند. این تبدیل‌ها مجموعه‌ای از معادلات ریاضی می باشند که چگونگی تحول مختصات مکان و زمان را زمان جابجایی از چارچوب مرجع ناظر به چارچوب دیگر توضیح خواهند داد.

«تقارن لورنتز» که نام آن برگرفته از نام «هندریک لورنتز» است، عبارت است از ویژگی طبیعت که می‌گوید نتایج آزمایش‌ها جدا گانه از جهت‌گیری و شدت آزمایشگاه در بین فضا می باشند.

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، تحول نمی‌کرد و به این ترتیب مبنا 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.

به این علت هرگونه نقض «تقارن لورنتز» به گفتن انحراف از مدل استاندارد فیزیک در نظر گرفته می‌شود. نویسندگان این مطالعه با اجرای یک آزمایش به جستوجو این چنین نقض‌هایی می بود و در طول آن بازدید کردند که آیا شدت تشکیل جفت‌های «کوارک سر» در برخوردهای پروتون با زمان روز تحول می‌کند یا خیر. به این علت که زمین به طور دائم حول محور خود در حال چرخش است.

با چرخش زمین، جهت پرتوهای پروتون در LHC و جهت تشکیل کوارک‌های سر در برخوردها نیز تحول می‌کند. این کار به این علت اتفاق می‌افتد که پرتوهای پروتون LHC در جهت ثابتی در فضا مقصد گرفته خواهد شد، اما با چرخش زمین، جهت آن پرتوها و ذرات تشکیل شده نسبت به ناظر روی زمین تحول می‌کند.

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

این تحول، نشان‌دهنده ناکامی و نقض «تقارن لورنتز» خواهد می بود که نشان‌دهنده نیاز به فیزیک تازه فراتر از نظریه اینشتین است.

آیا کوارک‌های سر نسبیت خاص را شکستند؟

هنگامی نویسندگان مطالعه داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول اجرای این آزمایش را بازدید کردند، هیچ تغییری نیافتند و نرخ تشکیل جفت کوارک سر بدون دقت 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 تازه با یک نرخ ثابت مطابقت دارد، به این معنی که «تقارن لورنتز» شکسته نشده و نظریه نسبیت خاص اینشتین هم چنان معتبر باقی می‌ماند.

محققان این چنین از یافته‌های خود برای تعیین این که در صورت نگه داری «تقارن لورنتز»، مقادیر معینی با صفر تفاوت دارند، منفعت گیری کردند. با دقت به نتایج آنها، این مقادیر می‌تواند زیاد کوچکتر از آنچه قبلا فکر می‌شد، باشد. در واقع، محدودیت‌های تازه تا ۱۰۰ برابر دقیق‌تر از محدودیت‌های تعیین شده در آزمایش‌های قبلی است.

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

این مطالعه در مجله Physics Letters B انتشار شده است.