ذره‌ای فراموش‌شده از سپیده‌دم زمان شاید توضیح دهد چرا همه‌چیز در جهان وجود دارد

یک ذره فرضی ممکن است برای مدت کوتاهی انرژی بیشتری از مجموع انرژی تمام اجزای دیگر جهان نوزاد در اختیار داشته باشد؛ موضوعی که می‌تواند به توضیح این پرسش کمک کند که چرا ماده بر پادماده غلبه کرد.

یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که ذره‌ای شبح‌مانند احتمالاً بلافاصله پس از بیگ‌بنگ بر جهان تسلط داشته است. این ذره می‌توانست نحوه انبساط کیهان در نخستین لحظات را تغییر دهد و شرایط شکل‌گیری برتری ماده بر پادماده را دگرگون سازد. به بیان دیگر، این ذره شاید به توضیح این پرسش بنیادی کمک کند که چرا اساساً چیزی در جهان وجود دارد.

بر اساس این پژوهش، نوترینویی فرضی با نام نوترینوی راستگرد ممکن است برای مدتی کوتاه انرژی بیشتری از مجموع انرژی تمام اجزای دیگر جهان اولیه داشته باشد. چنین وضعیتی می‌توانست سرعت انبساط کیهان را افزایش دهد و برخی برهم‌کنش‌های مهم میان ذرات را به تأخیر بیندازد. نتایج این تحقیق در تاریخ ۸ سپتامبر در مجله علمی Physical Review Letters منتشر شد.

نوترینوها ذراتی مرموز هستند که به‌ندرت با سایر اجزای ماده برهم‌کنش دارند. برای مثال، یک نوترینوی معمولی که از خورشید به زمین می‌رسد، می‌تواند پیش از برخورد با حتی یک اتم، از لایه‌ای سربی به ضخامت یک سال نوری عبور کند؛ فاصله‌ای معادل حدود ۹.۵ تریلیون کیلومتر.

نوترینوها سه نوع یا طعم مختلف دارند و هنگام حرکت می‌توانند از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شوند. این پدیده از یک اثر ظریف کوانتومی ناشی می‌شود که تنها در صورت داشتن جرم امکان‌پذیر خواهد بود. بااین‌حال، مدل استاندارد فیزیک ذرات پیش‌بینی می‌کند که نوترینوها باید بدون جرم باشند.

یکی از راهکارهای مطرح برای حل این تناقض، فرضیه وجود نوترینوهای راستگرد است. ذرات بنیادی می‌توانند رفتاری چرخشی شبیه فرفره‌های بسیار کوچک داشته باشند و فیزیک‌دانان بر اساس جهت چرخش آن‌ها نسبت به جهت حرکت، ذرات را در دو گروه چپگرد و راستگرد قرار می‌دهند. ذره راستگرد مانند پیچی معمولی که درون سطحی فرو می‌رود، در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد؛ البته هنگامی که از ناظر دور می‌شود. در مقابل، تمام نوترینوهایی که تاکنون شناسایی شده‌اند، چپگرد هستند و هنگام دور شدن از ناظر، خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخند؛ درست مانند پیچی با رزوه معکوس.

ریشاوا روشن، یکی از نویسندگان این پژوهش و فیزیک‌دان نظری دانشگاه ساوتهمپتون در بریتانیا، در گفت‌وگویی ایمیلی با وب‌سایت لایو ساینس توضیح داد

نوترینوهای راستگرد ذراتی فرضی هستند که برخلاف همتایان چپگرد خود، نیروی هسته‌ای ضعیف را احساس نمی‌کنند و در چارچوب مدل استاندارد قرار نمی‌گیرند. این ذرات بار الکتریکی ندارند و جرم آن‌ها بسیار بیشتر است. نوترینوهای راستگرد می‌توانند با نوترینوهای چپگرد آمیخته شوند و از این طریق، به توضیح جرم نوترینوهای چپگرد و علت تغییر طعم آن‌ها کمک کنند.

تعادل کیهانی

در فیزیک کوانتومی، ذراتی که با یکدیگر آمیخته می‌شوند، می‌توانند هم‌زمان ترکیبی از دو هویت متفاوت داشته باشند. بر اساس چارچوب نظری موسوم به سازوکار الاکلنگ، هر نوترینوی معمولی مقدار بسیار ناچیزی از یک همتای سنگین راستگرد را در خود دارد و همین سهم کوچک می‌تواند به نوترینوی معمولی جرم اندکی ببخشد. هرچه جرم همتای راستگرد بیشتر باشد، سهم آن در نوترینوی معمولی کمتر خواهد شد و در نتیجه، جرم نوترینوی معمولی نیز کاهش می‌یابد. نام این سازوکار از وسیله بازی الاکلنگ گرفته شده که در آن دو طرف در جهت‌های مخالف بالا و پایین می‌روند.

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 مسئله مهم مطرح شده‌اند؛ از جمله منشأ جرم نوترینوها، عدم تقارن میان ماده و پادماده در جهان و ماهیت ماده تاریک.

بر اساس نظریه‌های کنونی، بیگ‌بنگ باید مقادیر تقریباً برابری از ماده و پادماده تولید کرده باشد. این دو در صورت برخورد با یکدیگر نابود می‌شوند و انرژی آزاد می‌کنند. اگر مقدار هر دو دقیقاً برابر بود، بخش عمده آن‌ها می‌توانست یکدیگر را از بین ببرد و مانع شکل‌گیری جهانی مانند کیهان امروزی شود. در برخی مدل‌های نظری، نوترینوهای راستگرد نقش مهمی در توضیح این موضوع دارند که چرا در جهان اولیه، ماده از پادماده بیشتر شد. روشن در این زمینه گفت

عدم تعادل مشاهده‌شده میان ماده و پادماده ممکن است در نتیجه فرایندهایی پدید آمده باشد که نوترینوهای راستگرد در جهان اولیه در آن‌ها نقش داشته‌اند.

او توضیح داد که در این سناریو، واپاشی نوترینوهای سنگین می‌توانسته مقدار اندکی مازاد از لپتون‌ها، خانواده‌ای از ذرات بنیادی که الکترون‌ها نیز به آن تعلق دارند، ایجاد کند. این مازاد در مراحل بعدی به شکل‌گیری فزونی ماده‌ای کمک کرده که امروزه در جهان مشاهده می‌کنیم.

چارچوب نظری سازوکار الاکلنگ معمولاً وجود سه نوترینوی راستگرد را در نظر می‌گیرد. بااین‌حال، از آنجا که دو نوترینو برای توضیح داده‌های موجود کافی به نظر می‌رسند، فیزیک‌دانان اغلب ذره سوم را نادیده می‌گیرند و فرض می‌کنند که جرم آن بیش از اندازه زیاد است یا برهم‌کنش بسیار ضعیفی با ماده دارد.

چگونه سنگین‌ترین نوترینو بر جهان اولیه مسلط شد؟

در پژوهش جدید، روشن و سودیپتا شو، فیزیک‌دان مؤسسه فناوری هند در کانپور، بررسی کردند که این ذره نادیده‌گرفته‌شده پس از بیگ‌بنگ چه تأثیری بر جهان داشته است. در یکی از سناریوهای اصلی آن‌ها، جرم این نوترینو حدود ۱۰۰ تریلیون برابر جرم یک پروتون در نظر گرفته شد.

در نخستین مراحل، این ذره احتمالاً با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کرد. در چنین شرایطی، انرژی آن مانند انرژی نور با انبساط فضا کاهش می‌یافت؛ زیرا انرژی تابش در فضای در حال انبساط رقیق می‌شود و طول موج آن افزایش پیدا می‌کند. اما با سردتر شدن کیهان، سرعت حرکت ذره کاهش یافت و بخش عمده انرژی آن در جرمش متمرکز شد.

برخلاف انرژی تابشی که با انبساط فضا رقیق می‌شود، چگالی انرژی ناشی از جرم ذرات سنگین با آهنگی متفاوت کاهش می‌یابد. در نتیجه، سهم این نوترینو از کل انرژی کیهان به‌تدریج افزایش پیدا کرد تا سرانجام بر آن مسلط شد. بر اساس محاسبات پژوهشگران، این ذره تا زمان واپاشی و تبدیل شدن به ذرات دیگر، برای مدتی طولانی نقش غالب را در بودجه انرژی جهان ایفا می‌کرد.

روشن درباره نتایج تحقیق گفت

نوترینوی راستگرد نادیده‌گرفته‌شده تأثیر چشمگیری بر پویایی انبساط جهان اولیه دارد و دوره‌ای از سلطه ماده در مراحل ابتدایی کیهان ایجاد می‌کند. این تغییر بر برهم‌کنش‌های مختلف مدل استاندارد تأثیر می‌گذارد و ممکن است به توضیح عدم تقارن میان ماده و پادماده کمک کند.

هر یک از این برهم‌کنش‌ها زمانی آغاز می‌شد که سرعت وقوع آن از سرعت انبساط فضا پیشی می‌گرفت. از آنجا که جهانی تحت سلطه نوترینوی سنگین با سرعت بیشتری منبسط می‌شد، این برهم‌کنش‌ها ناچار بودند تا سردتر شدن بیشتر کیهان منتظر بمانند.

این برهم‌کنش‌ها به جهان اولیه امکان می‌دادند طعم‌های مختلف لپتون‌ها را از یکدیگر تشخیص دهد؛ فرایندی که بر نحوه شکل‌گیری مازاد ماده تأثیر می‌گذاشت. پژوهشگران دریافتند که به لطف این تأخیر، یک نوترینوی راستگرد سبک‌تر با جرمی حدود ۱۰۰ میلیارد برابر جرم پروتون می‌توانسته مقدار ماده مشاهده‌شده در جهان امروز را تولید کند؛ آن هم پیش از آنکه طعم‌های مختلف لپتون‌ها از یکدیگر قابل‌تشخیص شوند. این نتیجه حتی با در نظر گرفتن رقیق شدن بخشی از ماده بر اثر واپاشی نوترینوی سنگین‌تر نیز برقرار می‌ماند.

آزمایش دشوار است، اما غیرممکن نیست

جرم نوترینوی سنگین مورد بررسی آن‌قدر زیاد است که تولید مستقیم آن در شتاب‌دهنده‌های ذرات کنونی امکان‌پذیر نیست. بنابراین، دانشمندان برای بررسی این فرضیه باید به دنبال نشانه‌های غیرمستقیم بگردند.

امواج گرانشی، یعنی نوسان‌هایی در بافت فضا-زمان، یکی از مسیرهای احتمالی برای آزمایش این نظریه به شمار می‌روند. دوره‌ای که جهان تحت سلطه نوترینوی سنگین قرار داشت، می‌توانسته نشانه‌ای مشخص در پس‌زمینه امواج گرانشی جهان اولیه بر جای بگذارد.

بخشی از این امواج ممکن است از ریسمان‌های کیهانی سرچشمه گرفته باشند؛ ساختارهای رشته‌مانند فرضی که در فضا شکل می‌گیرند. به گفته روشن، نتایج این پژوهش را می‌توان با کمک تأسیسات آینده، از جمله مأموریت فضایی آنتن تداخل‌سنج لیزری یا لایزا و رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی یا اس‌کی‌ای‌او، بررسی کرد.

لایزا، مأموریت فضایی آژانس فضایی اروپا، طبق برنامه قرار است حدود سال ۲۰۳۵ پرتاب شود. در مقابل، پروژه تلسکوپ رادیویی عظیم SKAO که در استرالیا و آفریقای جنوبی در حال ساخت قرار دارد، ممکن است بتواند چنین امواجی را با اندازه‌گیری دقیق زمان رسیدن تپ‌های رادیویی از تپ‌اخترهای دوردست شناسایی کند. روشن در این باره گفت

با آغاز فعالیت این تأسیسات و شروع گردآوری داده‌ها، امکان انجام آزمایش‌های لازم فراهم خواهد شد.

پژوهشگران همچنین معتقدند که پژواک ضعیف پلاسمای داغ و آغازین جهان می‌تواند نشانه‌هایی از آن دوره را در خود حفظ کرده باشد. بااین‌حال، فرکانس این سیگنال‌ها احتمالاً فراتر از محدوده‌ای قرار دارد که آشکارسازهای کنونی توانایی ثبت آن را دارند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.