یک ذره فراموش شده از طلوع زمان ممکن است توضیح دهد که چرا همه چیز در جهان وجود دارد

یک مطالعه جدید نشان می دهد که ممکن است ذره ای شبح مانند اندکی پس از انفجار بزرگ بر جهان تسلط داشته باشد. این ذره می تواند نحوه انبساط جهان را در اولین لحظات تغییر دهد و شرایط شکل گیری برتری ماده بر ضد ماده را تغییر دهد. به عبارت دیگر، این ذره ممکن است به توضیح این سوال اساسی کمک کند که چرا اصلاً چیزی در جهان وجود دارد.

طبق این تحقیق، یک نوترینوی فرضی به نام نوترینوی راست دست ممکن است برای مدت کوتاهی انرژی بیشتری از انرژی کل سایر اجزای جهان اولیه داشته باشد. چنین وضعیتی می تواند انبساط جهان را سرعت بخشد و برخی از تعاملات مهم بین ذرات را به تاخیر بیندازد. نتایج این تحقیق در 8 سپتامبر در مجله علمی Physical Review Letters منتشر شد.

نوترینوها ذرات اسرارآمیزی هستند که به ندرت با سایر اجزای ماده تعامل دارند. برای مثال، یک نوترینوی معمولی که از خورشید به زمین می‌رسد، می‌تواند قبل از برخورد با یک اتم، از یک لایه سرب ضخیم یک سال نوری عبور کند. مسافتی معادل حدود 9.5 تریلیون کیلومتر.

نوترینوها سه نوع یا طعم متفاوت دارند و می توانند در حین حرکت از نوعی به نوع دیگر تغییر کنند. این پدیده از یک اثر کوانتومی ظریف ناشی می شود که تنها در صورت وجود جرم امکان پذیر است. با این حال، مدل استاندارد فیزیک ذرات پیش بینی می کند که نوترینوها باید بدون جرم باشند.

یکی از راه حل های پیشنهادی برای حل این تناقض، فرضیه وجود نوترینوهای راست دست است. ذرات بنیادی می توانند رفتار چرخشی مشابه مارپیچ های بسیار کوچک داشته باشند و فیزیکدانان ذرات را بر اساس جهت چرخش آنها نسبت به جهت حرکت به دو گروه چپ دست و راست دست طبقه بندی می کنند. یک ذره راست دست در جهت عقربه های ساعت مانند یک پیچ معمولی که در سطح فرو می رود می چرخد. البته وقتی از ناظر دور می شود. در مقابل، تمام نوترینوهایی که تاکنون شناسایی شده‌اند، چپ‌دست هستند، در حالی که از ناظر دور می‌شوند، در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخند. درست مانند یک پیچ رزوه معکوس.

ریشاوا روشن، یکی از نویسندگان این مطالعه و فیزیکدان نظری در دانشگاه ساوتهمپتون در بریتانیا، در گفتگوی ایمیلی با وب سایت Live Science توضیح داد:

نوترینوهای راست دست، ذرات فرضی هستند که بر خلاف همتایان چپ دست خود، نیروی هسته ای ضعیف را احساس نمی کنند و در مدل استاندارد گنجانده نمی شوند. این ذرات بار الکتریکی ندارند و جرم آنها بسیار بیشتر است. نوترینوهای راست دست می توانند با نوترینوهای چپ دست ترکیب شوند و از این طریق به توضیح جرم نوترینوهای چپ دست و دلیل تغییر طعم آنها کمک کنند.

تعادل کیهانی

در فیزیک کوانتومی، ذراتی که با یکدیگر مخلوط می شوند، می توانند ترکیبی از دو هویت متفاوت را به طور همزمان داشته باشند. طبق چارچوب نظری معروف به مکانیسم اره، هر نوترینوی معمولی حاوی مقدار بسیار کمی از همتای سنگین راست دست است و این سهم کوچک می تواند به نوترینوی معمولی مقدار کمی جرم بدهد. هر چه جرم همتای راست دست بیشتر باشد، سهم آن در نوترینوی معمولی کمتر خواهد بود و در نتیجه جرم نوترینوی عادی نیز کاهش می یابد. نام این مکانیزم از بازی الاکلنگ گرفته شده است که در آن دو طرف در جهت مخالف بالا و پایین می روند.

این ذرات فرضی ممکن است به حل چندین معمای دیگر فیزیک نیز کمک کنند. روشن در این باره گفت:

این ذرات با هدف پاسخگویی به چند موضوع مهم مطرح شده اند. از جمله منشا جرم نوترینوها، عدم تقارن بین ماده و پادماده در جهان و ماهیت ماده تاریک.

بر اساس تئوری های کنونی، انفجار بزرگ باید مقادیر تقریبا مساوی از ماده و پادماده تولید می کرد. اگر این دو با هم برخورد کنند همدیگر را از بین می برند و انرژی آزاد می کنند. اگر مقدار هر دو دقیقاً برابر بود، اکثر آنها یکدیگر را خنثی می کردند و از تشکیل جهانی مانند جهان امروزی جلوگیری می کردند. در برخی مدل‌های نظری، نوترینوهای راست‌دست نقش مهمی در توضیح اینکه چرا ماده در جهان اولیه از پادماده بیشتر بود، بازی می‌کند. روشن در این رابطه گفت:

عدم تعادل مشاهده شده بین ماده و پادماده ممکن است در نتیجه فرآیندهای مربوط به نوترینوهای راست دست در جهان اولیه به وجود آمده باشد.

او توضیح داد که در این سناریو، فروپاشی نوترینوهای سنگین، مازاد کمی از لپتون ها را ایجاد می کند، خانواده ای از ذرات بنیادی که الکترون ها نیز به آن تعلق دارند. این مازاد در مراحل بعدی به شکل گیری مازاد ماده ای که امروزه در جهان می بینیم کمک کرده است.

چارچوب نظری مکانیسم الاکلنگ معمولاً وجود سه نوترینو راست دست را فرض می کند. با این حال، از آنجایی که به نظر می‌رسد دو نوترینو برای توضیح داده‌های موجود کافی هستند، فیزیکدانان اغلب ذره سوم را نادیده می‌گیرند، با این فرض که این ذره بیش از حد عظیم است یا برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده دارد.

چگونه سنگین ترین نوترینو بر جهان اولیه تسلط داشت؟

در مطالعه جدید، روشن و سودیپتا شو، فیزیکدان موسسه فناوری هند در کانپور، چگونگی تأثیر این ذره نادیده گرفته شده بر جهان پس از انفجار بزرگ را بررسی کردند. در یکی از سناریوهای اصلی آنها، جرم این نوترینو حدود 100 تریلیون برابر جرم یک پروتون در نظر گرفته شد.

در مراحل اولیه احتمالاً این ذره با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کرد. در چنین شرایطی انرژی آن مانند انرژی نور با انبساط فضا کاهش می یابد. زیرا انرژی تابش در فضای در حال گسترش رقیق شده و طول موج آن افزایش می یابد. اما با سردتر شدن جهان، سرعت ذره کاهش یافت و بیشتر انرژی آن در جرم آن متمرکز شد.

برخلاف انرژی تابشی که با انبساط فضا رقیق می‌شود، چگالی انرژی ناشی از جرم ذرات سنگین با سرعت متفاوتی کاهش می‌یابد. در نتیجه سهم این نوترینو در انرژی کل جهان به تدریج افزایش یافت تا اینکه سرانجام بر آن مسلط شد. بر اساس محاسبات محققان، این ذره برای مدت طولانی نقش غالبی در بودجه انرژی جهان داشت تا اینکه تجزیه شد و به ذرات دیگر تبدیل شد.

روشن درباره نتایج تحقیق گفت:

نوترینوی راست دست نادیده گرفته شده تأثیر چشمگیری بر پویایی انبساط جهان اولیه دارد و دوره ای تحت سلطه ماده در جهان اولیه ایجاد می کند. این تغییر بر برهمکنش های مختلف مدل استاندارد تأثیر می گذارد و ممکن است به توضیح عدم تقارن بین ماده و پادماده کمک کند.

هر یک از این فعل و انفعالات زمانی شروع شد که سرعت وقوع آن از سرعت گسترش فضا بیشتر شد. از آنجایی که جهان تحت تسلط نوترینوهای سنگین با سرعت بیشتری منبسط شد، این فعل و انفعالات باید تا خنک شدن بیشتر کیهان منتظر می ماند.

این فعل و انفعالات به جهان اولیه اجازه داد تا طعم های مختلف لپتون ها را از یکدیگر تشخیص دهد. فرآیندی که بر نحوه تشکیل ماده اضافی تأثیر گذاشت. به لطف این تأخیر، محققان دریافتند، یک نوترینوی راست دست سبک تر با جرمی در حدود 100 میلیارد برابر جرم یک پروتون می تواند مقدار ماده ای را که امروزه در جهان مشاهده می شود تولید کند. این قبل از آن است که طعم های مختلف لپتون ها از یکدیگر قابل تشخیص باشند. این نتیجه حتی با در نظر گرفتن رقیق شدن بخشی از ماده به دلیل فروپاشی نوترینوی سنگین تر، باقی می ماند.

آزمایش سخت است، اما غیرممکن نیست

جرم نوترینوی سنگین مورد بررسی آنقدر زیاد است که تولید مستقیم آن در شتاب دهنده های ذرات فعلی امکان پذیر نیست. بنابراین، دانشمندان باید به دنبال نشانه های غیر مستقیم برای آزمایش این فرضیه باشند.

امواج گرانشی، یعنی نوسانات در تار و پود فضا-زمان، یکی از راه های ممکن برای آزمایش این نظریه در نظر گرفته می شود. دوره ای که کیهان تحت سلطه نوترینوهای سنگین بود، می توانست نشانه مشخصی در پس زمینه امواج گرانشی کیهان اولیه باقی بگذارد.

برخی از این امواج ممکن است از رشته های کیهانی سرچشمه بگیرند. ساختارهای ریسمانی فرضی که در فضا شکل می گیرند. به گفته روشن، نتایج این تحقیقات را می توان با کمک امکانات آینده از جمله ماموریت فضایی آنتن تداخل سنج لیزری یا LIZA و رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی یا SKAO بررسی کرد.

لیزا، ماموریت فضایی آژانس فضایی اروپا، قرار است در حدود سال 2035 پرتاب شود. در مقابل، پروژه عظیم رادیویی تلسکوپ SKAO در حال ساخت در استرالیا و آفریقای جنوبی ممکن است بتواند با اندازه گیری دقیق زمان رسیدن تپ اخترهای رادیویی از تپ اخترهای دوردست، چنین امواجی را تشخیص دهد. روشن در این باره گفت:

با شروع بهره برداری از این تاسیسات و شروع جمع آوری داده ها، امکان انجام آزمایشات لازم فراهم می شود.

محققان همچنین بر این باورند که پژواک ضعیف پلاسمای داغ کیهان اولیه می تواند نشانه هایی از آن دوره را حفظ کند. با این حال، فرکانس این سیگنال ها احتمالا فراتر از محدوده ای است که آشکارسازهای فعلی قادر به ثبت آن هستند.