کشف رمز جاذبه بین ذره‌ای فریبنده و هسته اتم با منفعت گیری از یک همانند‌سازی‌ کوانتومی_صبح سریع

پژوهشگران موسسه ریکن (RIKEN) با منفعت‌گیری از یکی از قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان موفق شدند برای نخستین‌بار برهم‌کنش بین نوکلئون (پروتون یا نوترون) و ذره‌ای به نام «چارمونیوم» را به‌طور دقیق محاسبه کنند. نتایج این مطالعه نظری در نشریه Physics Letters B انتشار شده است.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، همه تعامل های حاضر در جهان از برخورد دو کهکشان گرفته تا خروج یک الکترون از هسته اتم، می‌توانند با تکیه بر چهار نیروی بنیادین طبیعت توضیح داده شوند: گرانش، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و نیروی قوی. در حالی‌که گرانش و نیروی الکترومغناطیسی در زندگی روزمره محسوس‌اند، دو نیروی ضعیف و قوی در مقیاس‌های زیاد کوچک‌تری همانند هسته اتمی یا حتی کمتر عمل می‌کنند.

نیروی قوی که به‌درستی از آن به‌گفتن نیرومندترین نیروی طبیعت یاد می‌شود، عامل اتصال پروتون‌ها و نوترون‌ها درون هسته اتم است و بین ذرات بنیادی‌تری، چون کوارک‌ها و گلئون‌ها برقرار می‌شود. این نیروی بنیادی از طریق نظریه‌ای به نام کرومودینامیک کوانتومی (Quantum Chromodynamics یا QCD) توصیف می‌شود. اگرچه این نظریه از نظر ریاضی کامل است، اما شیوه کارکرد دقیق آن در برخی موقعیت‌های خاص هم چنان محل تحقیق نظری و تجربی فعال است.

یان لیو (Yan Lyu) از برنامه علوم نظری و ریاضی بین‌رشته‌ای RIKEN در این باره می‌گوید: «نیروی قوی نقشی بنیادین در تشکیل انرژی دارد. نیروگاه‌های هسته‌ای با منفعت‌گیری از همین نیرو برق تشکیل می‌کنند و حتی انرژی خورشید نیز از همین نیرو ناشی می‌شود؛ به این علت فهمیدن سازوکار این نیرو اهمیت بسیاری دارد.»

در این مطالعه، لیو و همکارانش تلاش کردند با منفعت گیری از همانند‌سازی‌های دقیق نظری مبتنی بر کرومودینامیک کوانتومی، برهم‌کنش بین یک نوکلئون (پروتون یا نوترون) و یک چارمونیوم را بازدید کنند.

در حالی‌که نوکلئون‌ها از کوارک‌های بالا (up) و پایین (down) ساخته شده‌اند، چارمونیوم‌ها از یک کوارک «چارم» (charm) و یک آنتی‌کوارک چارم راه اندازی شده‌اند. کشف نخستین چارمونیوم در نوامبر ۱۹۷۴ یکی از تغیرات بزرگ در فیزیک ذرات بنیادی می بود که از آن با گفتن «انقلاب نوامبر» یاد می‌شود. تنها دو سال بعد از این کشف، دانشمندانی که در کشف آن نقش داشتند موفق به دریافت جایزه نوبل شدند.

با وجود گذشت بیشتر از پنج دهه از کشف چارمونیوم، هم چنان تعداد بسیاری از جنبه‌های رفتاری آن، به‌اختصاصی در عرصه برهم‌کنش با دیگر ذرات، ناشناخته باقی مانده است. به حرف های لیو: «یکی از سوال‌های بنیادی این است که چارمونیوم چطور با نوکلئون‌ها برهم‌کنش دارد. این دقیقاً همان قضیه‌ای است که ما در این مطالعه به آن پرداختیم.»

برای جواب به این سوال، محققان محاسبات خود را روی ابررایانه پیشرفته Fugaku که یکی از قدرتمندترین سامانه‌های محاسباتی جهان به‌شمار می‌رود، انجام دادند. نتایج این محاسبات نشان داد که برهم‌کنش بین چارمونیوم و نوکلئون در همه فواصل ممکن، به‌صورت جاذبه‌ای است. این چنین توانستند شدت این برهم‌کنش را با دقتی زیاد زیاد تر از پژوهش‌های قبل اندازه‌گیری کنند.

به‌نظر می‌رسد قبول تجربی این نتایج دور از دسترس نباشد. لیو می‌گوید: «پژوهشگران تجربی در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در اروپا اظهار کرده‌اند که تصمیم دارند طی چند سال آینده برهم‌کنش بین نوکلئون و چارمونیوم را به‌صورت تجربی بازدید کنند.»

تیم پژوهشی ریکن برنامه دارد دامنه این بازدید‌ها را به دیگر سامانه‌ها نیز گسترش دهد. لیو در آخر می‌گوید: «ما انتظار داریم یافته‌های به‌دست‌آمده در این مطالعه، در بازدید برهم‌کنش‌های شبیه بین ذرات دیگر نیز کاربرد داشته باشد. این موضوعی است که هم‌اکنون در حال پیگیری آن هستیم.»