کشف پادماده؛ سرنخی برای آغاز جهان

شواهد جدید نوترینوها نشان می‌دهد چرا کیهان از ماده ساخته‌ شده است، نه پادماده. با تشخیص پادماده، می‌توان به سرنخ‌هایی از آغاز جهان و ماده‌ی تاریک رسید.

در ابتدا، ماده و پادماده بود و سپس، تنها ماده باقی ماند؛ اما چرا؟ این سؤال یکی از رازهای تعیین‌کننده‌‌ی فیزیک است. سال‌هاست نظریه‌پردازان راه‌حل‌های بالقوه‌ای برای این پرسش ارائه می‌دهند که اغلب آن‌ها ذرات ناشناخته را عامل تشکیل ماده می‌دانند. هفته‌ی گذشته، دانشمندان از یافته‌های امیدوارکننده‌ای خبر دادند که می‌توانند به پرسشی دیرینه پاسخ دهند؛ اما صرفا با داده‌های این پژوهش نمی‌توان به نتیجه‌ای قطعی رسید. پاسخ نهایی صرف‌نظر از اینکه چه باشد، می‌تواند فراتر از پی‌بردن به ماده‌ی موجود در جهان باشد و رازهای اولین دوره‌های حیات کیهان را آشکار کند یا حتی سرنخ‌هایی از ماده‌ی تاریک بدهد.

اغلب نظریه‌ها درباره‌ی اولویت ماده درمقایسه‌با پادماده در دو گروه اصلی قرار می‌گیرد:

• گروه اول، الکتروویک باریوجنسیس نامیده می‌شود. طبق این گروه، مدل‌های بیشتری از ذرات بنیادی معروف به بوزون هیگز یا ذرات خدا در نظر گرفته می‌شود. با بررسی این ذرات می‌توان به چگونگی جرم‌دارشدن همه‌چیز در جهان پی برد. درصورت وجود همتایانی برای ذره‌ی بنیادی بوزون هیگز، می‌توان به گذار ماده و پادماده در اوایل شکل‌گیری جهان پی برد. وقتی ماده و پادماده به‌هم می‌رسد، یکدیگر را نابود می‌کند؛ بنابراین، بخش زیادی از مواد موجود در اوایل جهان از بین رفته‌اند و تنها مازاد ماده برای تولید کهکشان‌ها و ستاره‌ها و سیاره‌ها باقی مانده است.
• گروه دوم، یعنی نظریه‌های لپتوجنسیس، از نوترینوها سرچشمه می‌گیرد. نوترینوها ذراتی بسیار سبک‌تر از کوارک‌ها است و به شکلی روح‌مانند در کیهان عبور و به‌ندرت با یکدیگر یا هرچیز دیگری برخورد می‌کند. طبق این سناریو، علاوه‌بر نوترینوهای معمولی، نوترینوهایی بسیار سنگینی وجود دارد که از انرژی‌ها و دماهای بسیار زیاد پس از بیگ‌بنگ سرچشمه می‌گیرند؛ یعنی زمانی‌که جهان بسیار داغ و متراکم بود. پس از آنکه ذرات به انواع پایدارتر و کوچک‌تری تجزیه شد، درمقایسه‌با فرآورده‌های پادماده ماده‌ی بیشتری تولید کرد و به آرایش کنونی در جهان منجر شد.

دو راز با ارزش یکسان

طبق آزمایش دانشمندان T2K در ژاپن، علائم امیدوارکننده‌ای درباره‌ی طرح مفهومی لپتوجنسیس به‌دست آمده است. طبق این آزمایش، نوترینوها با طی مسیر ۳۰۰ کیلومتر به زیرزمین، بین سه فاز تغییر حالت می‌دهد. به این قابلیت نوترینوها نوسان گفته می‌شود. طبق یافته‌ها، تعداد نوسان‌های نوترینوها بیشتر از نوسان آنتی‌نوترینوها است. این یعنی نوترینوها و آنتی‌نوترینوها مانند دو طرف یک آینه تصویر یکدیگر را منعکس می‌کند؛ اما عملکرد متفاوتی دارد. به تفاوت بین ذرات و همتای پادماده‌ی آن‌ها، اصطلاحا نقض CP گفته می‌شود. نقض CP نشان‌دهنده‌ی سرنخی قوی در چگونگی برتری ماده به پادماده پس از تولد جهان است. چانگ کی جانگ، یکی از اعضای تیم T2K می‌گوید: ‌«هنوز این یافته را کشف جدیدی نمی‌دانیم». این آزمایش با ۹۵ درصد اطمینان نقض CP برابر با صفر دارد و نشان می‌دهد ذرات می‌تواند حداکثر نقض CP مجاز را نشان دهد. با‌این حال، طبق داده‌های بیشتر و آزمایش‌های آینده، نیاز به ارزیابی دقیق تفاوت نوترینوها و آنتی‌نوترینوها احساس می‌شود.

حتی اگر فیزیک‌دانان موفق شوند نقض CP در نوترینوها را به‌طورقطعی کشف کنند، نمی‌توانند مسئله‌ی پادماده‌ی کیهانی را کاملا حل کنند. به‌گفته‌ی سیدا ایپک، فیزیک‌دان نظری دانشگاه ایرواین کالیفرنیا، چنین یافته‌ای برای اثبات لپتوجنسیس لازم است؛ ولی کافی نیست. پیش‌نیاز دیگر اثباتی برای یکسان‌بودن نوترینوها و آنتی‌نوترینوها است؛ اما چگونه چنین تناقضی امکان‌پذیر است؟ تنها تفاوت ماده و پادماده، بار الکتریکی برعکس است. نوترینوها هیچ باری ندارد و می‌تواند در هر دو حالت یکسان باشد.

بدین‌ترتیب، می‌توان دلیل سبکی نوترینوها را توضیح داد. ممکن است جرم نوترینوها شش‌میلیونیوم جرم الکترون باشد. با فرض اینکه نوترینوها و آنتی‌نوترینو‌ها یکسان باشد، ازطریق واکنش با میدان هیگز که مرتبط با بوزون هیگز است، به جرم نمی‌رسد؛ بلکه ازطریق فرایندی به‌نام مکانیزم الاکلنگی یا بالا و پایین به جرم دست پیدا می‌کند. جرم کم این ذرات نسبتی از جرم نوترینوهای سنگین در اوایل جهان است. ایپک می‌گوید: «وقتی نوترینو بالا است، آنتی‌نوترینو پایین است؛ درست مانند الاکلنگ».

جسیکا ترنر، فیزیک‌دان نظری آزمایشگاه شتاب‌دهنده‌ی ذرات فرمی در باتاویا می‌گوید:

لپتوجنسیس روش بسیار برجسته‌ای برای توصیف اجرام است. در درجه‌ی اول، باید به این پرسش پاسخ داد چرا مقدار ماده بیشتر از پادماده است و در درجه‌ی دوم، باید پرسید چرا نوترینوها جرم کمی دارد.

طبق شواهد، نوترینوهایی که همتای پادماده‌ی خود است، شاید آزمایش‌هایی به‌نام فروپاشی بتای مضاعف فاقد نوترینو سرچشمه گرفته باشد. این حالت تنها درصورتی رخ می‌دهد که نوترینوها حین تماس با یکدیگر، حالت ماده و پادماده‌ی خود را خنثی کند. حتی این یافته هم کاملا لپتوجنسیس را اثبات نمی‌کند. ترنر می‌گوید:

شواهدی مثل ارزیابی محتمل‌ترین نقض CP یا نوترینوهای ضدماده‌ی خود، صرفا تصادفی است، نه شواهد مستقیم و قطعی.

ارتباط با ماده‌ی تاریک

بررسی نظریه‌ی الکتروویک باریوجنسیس اندکی آسان‌تر است. تولید نوترینوهای سنگین موجود در لپتوجنسیس از توان شتاب‌دهندگان ذرات خارج است؛ اما به‌گفته‌ی مارسلا کارنا، سرپرست بخش فیزیک نظری آزمایشگاه فرمی، طبق نظریه‌ی باریوجنسیس، مدل‌های دیگری بوزون هیگز می‌تواند در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ ذرات ظاهر شود. حتی اگر شتاب‌دهنده به‌طورمستقیم این ذرات را تولید نکند، انواع دیگری از هیگز را می‌توان مشاهده کرد که با بوزون هیگزها واکنش می‌دهد.

نوترینوها و ضدنوترینوها می‌تواند یکسان باشد

یکی از دیگر پیش‌نیازهای نظریه‌ی باریوجنسیس، نقض CP است که لزوما مختص نوترینوها نیست. درواقع، نقض CP قبلا هم در کوارک‌ها دیده شده است؛ اما این مقادیر کم نمی‌تواند نبود توازن ماده و پادماده را در جهان توضیح دهد. بخش تاریک دنیا یا ماده‌ی تاریک یکی از جاهایی است که نقض CP دیده نمی‌شود؛ ماده‌ی تاریکی که بیشترین بخش از فضا را تشکیل می‌دهد. شاید ماده‌ و پادماده‌ی تاریک رفتار متفاوتی داشته باشد و این تفاوت بتواند به توصیف جهان کمک کند. کارنا می‌گوید:

تلاش من برای ارتباط نبود توازن ماده و پادماده در جهان برای توصیف ماده‌ی نامرئی و تاریک است.

شواهد نظریه‌ی باریوجنسیس لزوما با کشف ذرات بیشتر هیگز به‌دست نمی‌آید؛ بلکه می‌توان ازطریق آزمایش‌های متعددی برای شکار ماده‌ی تاریک به نتایج خوبی دست پیدا کرد. علاوه‌بر‌این، در‌صورتی‌که گذار فاز کیهانی بلافاصله پس از بیگ بنگ رخ داده باشد، طبق نظریه، ممکن است امواج گرانشی را تولید کرده باشد که در آزمایش‌های آینده ازطریق ابزارهایی مثل آنتن فضایی تداخل‌سنج بین‌المللی (LISA) کشف خواهد شد. LISA، آشکارساز امواج گرانشی کیهانی، قرار است در دهه‌ی ۲۰۳۰ به فضا پرتاب شود.

درنهایت، جهان همیشه انسان را شگفت‌زده می‌کند و شاید هیچ‌کدام از نظریه‌های لپتوجنسیس یا باریوجنسیس درحقیقت رخ ندهد. ایپک می‌گوید: «گزینه‌ها محدود به این دو نظریه نیستند. بخش تئوری بسیار وسیع است». ایپک اخیرا روی مدلی شامل نقض CP در واکنش قوی کوارک‌های داخل پروتون و نوترون‌ها کار می‌کند و نظریه‌پردازان دیگر هم روی پروژه‌های دیگر پژوهش می‌کنند. ترنر می‌گوید:

معتقدم باید تمام احتمالات را بررسی کنیم. طبیعت خود را آشکار می‌کند و نمی‌توانیم این مسئله را کنترل کنیم. تنها باید به بهترین شکل ممکن، طبیعت را درک کنیم.

در‌حال‌حاضر، پژوهشگران مشغول بررسی نقض CP در نوترینوها هستند. پروژه‌های آینده مثل آزمایش نوترینو اعماق زمین (DUNE ) و آزمایش پروژه‌ی بعدی T2K هم برای گزارش‌های دقیق‌تر ضروری است. اد بلاچر، از دانشگاه شیکاگو و سخن‌گوی DUNE، معتقد است: «داده‌های T2K جذاب به‌نظر می‌رسند. به نتایج پژوهش‌های آینده خوش‌بین و در برابرشان هیجان‌زده هستم».