کشف مکانیزم برهم‌کنش چارمونیوم و نوکلئون با بهره‌گیری از هم‌سازی کوانتومی
پژوهشگران موسسه ریکن (RIKEN) با استفاده از یکی از قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان برای نخستین بار موفق شدند برهم‌کنش میان نوکلئون (پروتون یا نوترون) و ذره‌ای به نام «چارمونیوم» را با دقت بالا محاسبه کنند. نتایج این مطالعه نظری در نشریه Physics Letters B منتشر شده است.
همان‌طور که فیزیکس اوآرجی گزارش داده، تمامی پدیده‌های تعامل موجود در جهان — از برخورد کهکشان‌ها تا خروج الکترون از هسته اتم — قابل تبیین با چهار نیروی بنیادین طبیعت هستند: 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 بسیار کوچک‌تری، همانند هسته اتم یا حتی زیر هسته‌ای، اثر می‌گذارند.
🔗 بیشتر بخوانید: یک کشف تازه برای درمان ناباروری_آینده
نیروی قوی، که به‌درستی قوی‌ترین نیروی طبیعت نامیده می‌شود، عامل اتصال پروتون‌ها و نوترون‌ها در بستر هسته اتم است و میان ذرات بنیادی‌تری چون کوارک‌ها و گلئون‌ها برقرار می‌گردد. این نیروی بنیادی از طریق نظریهٔ کرومودینامیک کوانتومی (Quantum Chromodynamics یا QCD) توصیف می‌شود. اگرچه این نظریه از نظر ریاضی کامل است، اما نحوه عملکرد دقیق آن در شرایط خاص همچنان مبحث تحقیقات نظری و تجربی فعال است.
یان لیو (Yan Lyu) از برنامه علوم نظری و ریاضی بین‌رشته‌ای RIKEN می‌گوید: «نیروی قوی نقشی بنیادین در تشکیل انرژی ایفا می‌کند. نیروگاه‌های هسته‌ای با بهره‌گیری از همین نیرو برق تولید می‌کنند و حتی انرژی خورشید نیز ناشی از این نیروست؛ از این رو درک مکانیزم این نیرو اهمیت بسیار زیادی دارد.»
🔗 بیشتر بخوانید: سوخت جدیدی که نمی‌سوزد!
در این پژوهش، لیو و همکارانش کوشیده‌اند با اتکا بر هم‌سازی‌های دقیق نظری مبتنی بر کرومودینامیک کوانتومی، برهم‌کنش میان یک نوکلئون و یک چارمونیوم را بررسی کنند.
در حالی‌که نوکلئون‌ها از کوارک‌های بالا (up) و پایین (down) ساخته شده‌اند، چارمونیوم‌ها از یک کوارک «چارم» (charm) و یک آنتی‌کوارک چارم تشکیل شده‌اند. کشف نخستین چارمونیوم در نوامبر ۱۹۷۴ یکی از تحول‌های بزرگ در فیزیک ذرات بنیادی بود که با نام «انقلاب نوامبر» شناخته می‌شود. تنها دو سال پس از این کشف، دانشمندانی که در آن نقش داشتند موفق به دریافت جایزه نوبل شدند.
🔗 بیشتر بخوانید: روس‌ها واکسن ضدسرطان را به زودی اراعه می‌کنند_آینده
با گذشت بیش از پنج دهه از کشف چارمونیوم، همچنان جنبه‌های متعددی از رفتار آن — به‌ویژه در حوزهٔ برهم‌کنش با دیگر ذرات — ناشناخته مانده است. بر اساس بیانات لیو: «یکی از پرسش‌های بنیادین این است که چارمونیوم چگونه با نوکلئون‌ها برهم‌کنش دارد. دقیقاً همین مسئله محور مطالعه حاضر است.»
برای پاسخگویی به این پرسش، محققان محاسبات خود را بر روی ابررایانه پیشرفته Fugaku، که از قدرتمندترین سامانه‌های محاسباتی جهان به‌شمار می‌رود، انجام دادند. نتایج حاصل نشان داد که برهم‌کنش میان چارمونیوم و نوکلئون در تمام فواصل ممکن، به‌صورت جاذبه‌ای است و تیم توانست شدت این برهم‌کنش را با دقتی بسیار بالاتر از پژوهش‌های پیشین اندازه‌گیری کند.
پذیرش تجربی این نتایج دور از دسترس به نظر نمی‌رسد. لیو می‌گوید: «پژوهشگران تجربی در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در اروپا اعلام کرده‌اند که قصد دارند در چند سال آینده برهم‌کنش میان نوکلئون و چارمونیوم را به‌صورت تجربی بررسی کنند.»
تیم پژوهشی RIKEN برنامه دارد حوزه این بررسی‌ها را به سامانه‌های دیگر نیز توسعه دهد. لیو در پایان می‌افزاید: «ما انتظار داریم یافته‌های به‌دست‌آمده در این مطالعه در بررسی برهم‌کنش‌های مشابه میان ذرات دیگر نیز کاربرد یابد. این موضوعی است که در حال حاضر در حال پیگیری آن هستیم.»