اولین نشانه از متفاوت بودن رفتار ماده با پاد ماده

گرچه ماده و پاد ماده از ویژگی های یکسانی برخوردارند، ولی ذرات پاد ماده بارهایی را حمل می کنند که با بارهای ماده فرق دارد. برای مثال، پروتون ها در یک قطعه آهن دارای بار مثبت و الکترون ها دارای بار منفی هستند. اما در توده ای از پاد ماده، آهن می تواند دارای پاد پروتون هایی با بار منفی و پاد الکترون هایی با بار مثبت (پوزیترون) داشته باشد. اگر ماده و پاد ماده با یکدیگر برخورد کنند، یکدیگر را از بین برده و به فوتون یا ذراتی معروف به نوترینو تبدیل می شوند. در غیر این صورت، ماده و پاد ماده باید به طریق مشابهی عمل نمایند و شکل مشابهی هم داشته باشند؛ پدیده ای که تقارن بار-همزادی (CP) نامگذاری شده است.

علاوه بر رفتار مشابه، تقارن بار-همزادی بر این نکته دلالت می کند که مقدار ماده و پاد مادهٔ تشکیل شده در اثربیگ بنگ نیز باید برابر باشد. این واقعه در حدود ۱۳٫۷ میلیارد سال پیش روی داد. خب مشخصاً این طور نیست. اگر این ادعا صحت داشت، کُل ماده و پاد ماده موجود در جهان در همان زمان آغاز نابود می گشت و حتی انسان ها اینجا نمی بودند. اما اگر این تقارن نقض می شد (یعنی اگر پاد ماده رفتار نسبتا متفاوتی با ماده نشان می داد)، شاید تفاوت یاد شده می توانست دلیل وجود ماده را در دنیای امروز توضیح دهد.

فیزیکدانان در جستجو برای یافتن موردی جهت نقض “تقارن-همزادی” در برخورد دهنده هادرونى بزرگ هستند، این محققان ذره ای موسوم به ذره سنگین لامبدا-بی(lambda-b) را مورد بررسی قرار دادند. ذرات سنگین یا باریون ها شامل دسته ای از ذرات می شوند که ماده معمولی را تشکیل می دهند؛ پروتون ها و نوترون ها نمونه ای از باریون ها هستند. باریون ها از کوارک و باریون های پاد ماده از پاد کوارک تشکیل شده اند. هر دوی کوارک ها و پاد کوارک ها از بالا، پایین، strange و charm تشکیل یافته اند. اما “لامبدا-بی” یک بالا، یک پایین و یک کوارک تحتانی دارد. پروتون دارای دو بالا، یک پایین و نوترون دارای دو پایین و یک کوارک بالا می باشد.

اگر لامبدا و برادر پاد ماده اش آثاری از تقارن بار-همزادی نشان بدهند، انتظار میرود به شکل یکسانی رو به زوال بگذارند. در عوض، تیم پژوهشی دریافت که ذرات لامدا-بی و پاد لامدا-بی به شیوه متفاوتی فرو پاشیدند. لامبدا به دو روش از هم می پاشد: یا به یک پروتون و دو ذره باردار به نام های مزون های pi و یا به یک پروتون و دو ذره مزون (کائون) تجزیه می شود. زمانیکه ذرات فرو می پاشند، ذرات دُخترچه شان را در مجموعه خاصی از زوایا به بیرون می افکنند. لامبداهای ماده و پاد ماده نیز همین روند را پشت سر گذاشتند، اما زوایا فرق داشتند.

این نخستین بار نیست که ماده و پاد ماده رفتار متفاوتی از خود نشان می دهند. دانشمندان در دههٔ ۱۹۶۰ میلادی کائون ها را مورد مطالعه قرار دادند؛ کائون ها روش تجزیه متفاوتی با پاد ماده داشتند. مزون های b که از یک کوارک پایین و یک پایین، بالا، کوارک strange یا charm تشکیل یافته اند، رفتار ناقض مشابهی دارند. اما مزون ها دقیقاً مشابه باریون ها نیستند. مزون ها جفت هایی از کوارک ها و پاد کوارک ها محسوب می شوند. باریون ها فقط از کوارک های معمولی و پاد باریون ها فقط از پاد کوارک ها تشکیل شده اند. عدم مطابقت میان روش فروپاشی باریون و پاد باریون هرگز در گذشته مشاهده نشده بود.

مارچین کوچارزیک، استادیار در مؤسسه فیزیک هسته ای آکادمی علوم لهستان که در آزمایش مربوط به برخورد دهندهء هادرونى بزرگ به همکاری پرداخت، می گوید: ما اکنون چیزی برای باریون ها داریم. ما به یافته جالبی درباره ذرات مسون رسیدیم. اما نتایج به قدرت کافی مستدل نبودند که بتوان بعنوان یک اکتشاف قلمداد کرد. معیار معناداری آماری از دیدگاه فیزیکدان ها معادل ۵ سیگما بود. معناداری آماری روشی برای بررسی احتمال وقوع تصادفی میباشد.

سیگما به انحراف معیار اشاره می کند و عدد پنج به این معناست که احتمال حصول تصادفی نتایج “یک در سه و نیم میلیون” می باشد. این آزمایش به ۳٫۳ سیگما دست یافت که مقدار خوبی است. یعنی احتمال وقوع تصادفی مشاهدات عبارتست از یک در ۴۲۰۰٫ این یافته ها را نمی توان جواب کاملی به چرایی حکمرانی ماده بر جهان تلقی کرد. کوچارزیک بیان کرد: امکان توضیح کامل عدم تقارن با این یافته ها وجود ندارد. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریه Nature Physics منتشر شده است.