Олимон ҷустуҷӯи сӯрохиҳои сиёҳи микроскопиро дар Коллайдери Калони Адрон вусъат дода, объектҳои зудгузарро меҷӯянд, ки метавонанд андозаҳои пинҳонӣ ва нишондодҳои вазнинии квантиро ошкор кунанд.
Сӯрохиҳои сиёҳи квантӣ метавонанд ба физикҳо имкони нодирро барои омӯзиши вазнинии шадид дар миқёси зарраҳои хурд фароҳам оранд. Ин объектҳои гипотетикии микроскопӣ ду ҷанбаи табиатро ба ҳам меоранд, ки муҳаққиқон метавонанд дар алоҳидагӣ ба таври назаррас тавсиф кунанд, аммо барои муттаҳид кардан дар як назария мубориза бурданд.
Дар Коллайдери Калони Адрон (LHC) дар CERN муҳаққиқони UC Санта Барбара зарраҳоеро ҷустуҷӯ карданд, ки чунин сӯрохиҳои сиёҳ метавонанд дар паси худ тарк кунанд. Агар яке дар бархӯрди байни протонҳо ба вуҷуд ояд, он қариб дарҳол нест мешавад. Бо вуҷуди ин, мавҷудияти кӯтоҳи он метавонад дар бораи чӣ гуна кор кардани ҷозиба дар ҷаҳони квантӣ маълумот диҳад.
Ҷустуҷӯи охирин ягон далели ин объектҳоро наёфт ва имкониятҳои назарияҳоеро, ки онҳоро пешгӯӣ мекунанд, маҳдуд кард. Он инчунин роҳи нави интихоби сигналҳои эҳтимолиро аз шумораи зиёди бархӯрдҳои дар суръатбахш сабтшуда нишон дод, ки ин усул метавонад ба физикҳо дар ҷустуҷӯи дигар зарраҳо ва равандҳои номаълум кӯмак кунад.
Барои Тамас Вами, як пажӯҳишгари озмоиши Compact Muon Solenoid (CMS), ки кори баъдидоктории худро дар назди профессори физикаи UCSB Ҷо Инкандела анҷом медиҳад, ҳавасмандӣ аз тақсимот дар фаҳмиши мо дар бораи табиат оғоз мешавад.
“Мо ду назарияи калон дорем, ки табиатро тавсиф мекунанд” гуфт Вами. “Агар шумо хоҳед, ки чизҳои хурдро тавсиф кунед, шумо ба назарияи майдони квантӣ меравед. Мо Модели стандартӣ дорем, ки ҳамаи зарраҳоро тавсиф мекунад ва он дар амал хеле хуб кор мекунад. Ва вақте ки шумо ба андозаи хеле калон меравед, шумо нисбияти умумӣ доред, ки чӣ гуна рафтори объектҳои калон ва азимро тавсиф мекунад.”
Якҷоя кардани ин назарияҳо фаҳмидани вазъиятҳоеро талаб мекунад, ки дар онҳо ҳарду муҳиманд, гуфт ӯ, “ва ин корро кардан дар ҳақиқат душвор аст, зеро шумо аксар вақт вазъияте надоред, ки воқеан ночиз, аммо хеле вазнин аст.”
Сӯрохиҳои сиёҳи микроскопӣ метавонанд чунин вазъиятро таъмин кунанд, зеро таъсири квантӣ барои онҳо махсусан муҳим хоҳад буд.
“Агар мо далел меёфтем, мо метавонистем ба омӯзиши мустақими ҷозибаи квантӣ шурӯъ кунем” гуфт Вами. “Ин як қадам дар роҳи муттаҳид кардани тамоми қувваҳои асосии маъруф аст, ки ҳадафи физикҳо зиёда аз як аср аст.”
Омӯзиши мошинҳо ҷустуҷӯи сӯрохиҳои сиёҳро тезтар мекунад
Таҳлили нав, ки дар Пешрафт дар физикаи энергияи баландмаълумоте, ки аз ҷониби детектори CMS дар байни солҳои 2016 ва 2018 ҷамъоварӣ шудааст, истифода шудааст. Натиҷаҳои он истеҳсоли сӯрохи сиёҳи квантиро дар энергияи то тақрибан 12 тера-электрон вольт (TeV) маҳдуд мекунанд, ки тибқи фарзияҳои назарияҳои озмудашуда.
Ҷустуҷӯҳои қаблӣ аз ҷониби CMS ва ATLAS, таҷрибаи дигари LHC, дар маҷмӯаҳои хурдтар ҳеҷ далели сӯрохиҳои сиёҳи микроскопӣ пайдо накарданд. Бо бархӯрдҳои бештаре, ки барои тафтиш дастрасанд, муҳаққиқон метавонанд минтақаҳои баландтари энергетикиро ҷустуҷӯ кунанд ва имкони гирифтор шудан ба як ҳодисаи хеле нодирро беҳтар кунанд, агар ин сӯрохиҳои сиёҳ пайдо шаванд.
Стивен Гиддинг, назарияшиноси физикаи UCSB, ки мушкилотеро, ки ҳангоми якҷоя шудани механикаи квантӣ ва ҷозиба ба миён меоянд, меомӯзад, гуфт: “Онҳо муддати тӯлонӣ намемонданд – агар шумо онро созед, он фавран пароканда мешавад”.
Вақте ки имкони сохтани сӯрохиҳои сиёҳ дар LHC бори аввал таваҷҷӯҳи ҷомеаро ба худ ҷалб кард, ин фарқият аксар вақт гум мешуд.
“Одамон бештар ба рафтори классикии сӯрохиҳои сиёҳ тамаркуз мекарданд” гуфт Гиддинг.
Сӯрохиҳои сиёҳи астрономӣ метавонанд ситораҳоро фурӯ баранд, афзоиш ёбанд ва якҷоя шаванд. Ҳисобот оид ба бехатарӣ ва муқоиса бо бархӯрдҳои табиии дорои нурҳои кайҳонии ултра-энергетикӣ, ки ба болои атмосфера ва дигар объектҳои астрономӣ зарба мезананд, муайян карданд, ки бархӯрдҳои бо энергияи баландтарини LHC ягон таҳдиде надоранд.
Барои муҳаққиқоне, ки маълумоти бархӯрдро меомӯзанд, саволи амалӣ ин буд, ки чӣ гуна таназзули сӯрохи сиёҳро дар байни ҳодисаҳое, ки аз ҷониби физика маълуманд, муайян кардан мумкин аст.
“Мо медонем, ки сӯрохиҳои сиёҳ энергияи хеле баланд доранд” гуфт Дани Чжан, муҳаққиқи аспирант дар лабораторияи Инкандела. “Аз ин рӯ, мо аслан танҳо энергияи ин зарраҳоро, ки маҳсули пӯсидаи ҳар чизе, ки дар бархӯрд ба вуҷуд омадааст, гирифта, онҳоро ҷамъбаст мекунем. Ва агар маблағи кофӣ калон бошад, мо гуфта метавонем, ки ин минтақаест, ки мо эҳтимол сигналро пайдо мекунем.”
Самтҳои зарраҳо як калиди дуюмро пешниҳод мекунанд, ки бо моликияти сферикӣ тавсиф карда мешавад. Инкандела шарҳ дод, “Шумо як сӯрохи сиёҳро ташкил мекунед ва он дарҳол пароканда мешавад. Аммо он имзои пӯсидаи хеле сферикӣ дорад ва чизҳои зиёде дар ҳама самтҳо мераванд.”
Усули аз ҷониби назарияи зарраҳои UCSB таҳияшуда Натаниэл Крейг ва ҳамкорон ба даста имкон дод, ки намунаҳои бархӯрдро бо роҳи дигар муқоиса кунанд. Он фазои фазавӣ, харитаи математикии бисёрченакаро истифода мебарад, ки системаи зарраҳоро ҳамчун нуқта муаррифӣ мекунад, ки маълумот дар бораи фазо, вақт, энергия ва импулсро дар бар мегирад. Андозагирии масофа байни рӯйдодҳои ин харита ба тадқиқотчиён кӯмак мекунад, ки сохтори сигнали эҳтимолиро аз замина фарқ кунанд.
“Мо идеяи фазои марҳилаи байни рӯйдодҳоро таҳия кардем, ки онро бо SVM якҷоя кардан мумкин аст, то дар ҷустуҷӯ кӯмак кунад” гуфт Крейг.
SVM барои Дастгирии Вектор Machine, асбоби омӯзиши мошинсозӣ мебошад. Ин усул муқоисаҳои байни рӯйдодҳоро ба холҳои SVM табдил медиҳад ва холҳои баландтар нишон медиҳанд, ки воқеаҳое, ки эҳтимоли бештар ба муҳаққиқони сигнал шабоҳат доранд. Ин аввалин татбиқи масофаи фазо-фазо барои таҳлили додаҳои физикаи зарраҳо буд.
“Мо масофаи фазоро бо тағирёбандаи сферӣ муқоиса кардем ва хулосаи мо ин аст, ки масофаи фазоӣ аз сферикӣ болотар аст” гуфт Чжан.
Ин равиш омӯзиши мошинҳои назоратшавандаро истифода мебарад ва муҳаққиқон метавонанд математикаро паси натиҷаҳои онро тафтиш кунанд. Ин кори онро тавре дастрас мекунад, ки абзорҳои “қуттии сиёҳ” дастрас нестанд.
Андозаҳои иловагӣ метавонанд вазниниро мустаҳкам кунанд
Новобаста аз он, ки коллайдер метавонад сӯрохиҳои сиёҳи микроскопиро ба вуҷуд оварад ё не, аз он вобаста аст, ки чӣ гуна вазнинӣ дар масофаҳои хеле хурдтар аз он ки мо дарк карда метавонем, чӣ гуна рафтор мекунад. Тақрибан ду даҳсола пеш назариячиён пешниҳод карданд, ки LHC метавонад ба шароити зарурӣ бирасад, агар фазо андозаҳои иловагӣ дошта бошад. Гиддинг аз ҷумлаи олимоне буд, ки чӣ гуна пайдо шудани чунин сӯрохиҳои сиёҳро таҳқиқ кардаанд.
“Пас, барои сохтани сӯрохи сиёҳ ба шумо чӣ лозим аст? Хуб, шумо бояд каме энергияро ба ҳаҷми воқеан хурд фишурда кунед”, – шарҳ дод Гиддинг.
Мушкилот дар он аст, ки ҷозиба дар доираи ин ҳаҷм ба қадри кофӣ қавӣ гардад. Дар баъзе назарияҳо, ду ё зиёда андозаҳои фазоии иловагӣ метавонанд рафтори онро дар масофаи хеле кӯтоҳ тағйир диҳанд. Ин андозаҳо барои мо хеле хурд хоҳанд буд, ки дар ҷаҳони шиноси худ аз се андозаи фазоӣ ва як андозагирии вақт сабти ном кунем.
Андозаҳои изофӣ, ки дар назарияи сатр низ пайдо мешаванд, ҳамчун шарҳи мушкилоти иерархия пешниҳод карда шудаанд. Як ҷанбаи ин мушкилот ин аст, ки чаро ҷозиба нисбат ба дигар қувваҳои бунёдӣ ин қадар заифтар аст. Он ба як муаммои васеътаре тааллуқ дорад, ки чаро массаҳо ва энергияҳое, ки мо мушоҳида мекунем, аз ҷадвали Планк, як миқёси бунёдии энергетикӣ, ки бо физикаи ҷозиба ва квантӣ алоқаманд аст, хеле пасттаранд.
Симметрияи кашфнашуда ё физикаи нав метавонад ин номувофиқатиро шарҳ диҳад. Баъзе тавзеҳоти пешниҳодшуда метавонанд дар доираи дастрасии LHC таъсир расонанд.
Дар сенарияи андозагирии изофӣ, вазнинӣ метавонад заиф ба назар расад, зеро он ба андозаҳое, ки мо намебинем, “мерезад”. Қувваи аслии он метавонад хеле бузургтар бошад ва миқёси мувофиқи Планкро ба энергияҳои дастрас наздик кунад.
“Асосан, қувваи ҷозиба вақте ки шумо ба масофаҳои кӯтоҳтар меравед, қавитар ва тезтар мешавад” гуфт Гиддинг.
LHC ба физикҳо имкон медиҳад, ки ин масофаҳои кӯтоҳро тавассути тамаркузи энергия дар бархӯрдҳои байни протонҳо тафтиш кунанд.
“Дар LHC, мо зарраҳоро бо энергияи бениҳоят баланд, ки ба тарозуҳои хурди масофа мувофиқат мекунанд, бархӯрд мекунем” гуфт Инкандела. “Мисли микроскопия, энергияи баландтар маънои дарозии мавҷҳои хурдтарро дорад, ки ба кас имкон медиҳад масофаҳои хурдтарро тафтиш кунад.”
Суръатдиҳанда масофаро то 10⁻²⁰ метр месанҷад. Ба таври дағалона гуем, ин масофа то як атом ҳамон аст, ки атом барои инсон ҳамон аст.
“Андозаҳои иловагӣ набояд ин қадар хурд бошанд” идома дод Инкандела, “маънои онро дорад, ки бархӯрдҳои протон-протони LHC метавонанд аз онҳо таъсир расонанд.”
Агар қувваи ҷозиба дар ин масофаҳо ба қадри кофӣ қавӣ гардад, энергияи мутамаркази бархӯрд метавонад аз ҷиҳати назариявӣ вақти фазоро ба худ печида, сӯрохи сиёҳи квантиро эҷод кунад.
Назарияҳои сӯрохи сиёҳ бо маҳдудиятҳои сахттар дучор меоянд
Натиҷаҳо инчунин андозаҳои иловагиро дар доираи моделҳо ва параметрҳои мушаххаси санҷидашуда маҳдуд мекунанд. Ҳангоми баррасии ин андозаҳо, Вами қайд кард, ки назарияи сатр дар маҷмӯъ 10 андозаро дар назар дорад, “аммо ин ченакҳо мегӯянд, ки бо назардошти параметрҳои назарияҳое, ки мо баррасӣ кардем, шумо наметавонед бештар аз ду андоза дошта бошед.”
“Ин сарбаста нест” гуфт Чжан. “Дар натиҷа маҳдудияти истисно аст, ки як изҳороти воқеии нашршаванда аст:”Агар ин чиз бо ин хосиятҳо вуҷуд дошта бошад, мо онро медидем. Ин дониши ҳақиқӣ дар бораи чӣ гуна кор кардани коинот аст. ”
Набудани далелҳои давомдори LHC барои физикаи нав муҳаққиқонро бо як саволи душвор дар бораи он, ки тавсифи мавҷудаи онҳо бояд тағир ёбад, гузоштааст. Ҷустуҷӯҳои қаблӣ аллакай доираи васеи имкониятҳои назариявиро истисно карданд. Муҳаққиқон ба бунбастҳои гузашта ишора мекунанд, ки пеш аз тағироти асосии фаҳмиш, аз ҷумла нисбияти Эйнштейн буданд.
“Назарияҳо як ҷавоби дақиқро пешгӯӣ намекунанд” илова кард Чжан. “Онҳо як қатор ҷойҳоеро, ки заррае метавонад пинҳон кунад, пешгӯӣ мекунанд. Ҳар як ҷустуҷӯ як қисми ин диапазонро тоза мекунад ва мегӯяд, ки “дар ин ҷо нест” ва бо мурури замон харитаи он ҷое, ки физикаи нав метавонад то ҳол бошад, хурд мешавад.”
Вай ба бозони Ҳиггс ишора кард, ки соли 2012 пас аз даҳсолаҳои ҷустуҷӯ кашф шуд, ки тадриҷан минтақаҳои эҳтимолии энергетикиро истисно кард. Ҳамин раванд барои ташаккули моделҳои нави назариявӣ ва қарорҳо дар бораи таҷрибаҳо ва детекторҳои оянда кӯмак мекунад.
Бе андозаҳои иловагӣ, истеҳсоли сӯрохи сиёҳи микроскопӣ аз имкониятҳои LHC дуртар мемонд. Гиддинг тахмин мезанад, ки эҷоди хурдтарин сӯрохиҳои сиёҳ, ки массаашон ба миқдори микрограмм аст, бархӯрд бо миллион миллиард маротиба аз энергияе, ки дар айни замон дар суръатбахш мавҷуд аст, лозим аст.
“Назариячиён ба тавлиди ғояҳо идома хоҳанд дод ва шояд мо дар муайян кардани чизҳо бидуни маълумоти таҷрибавӣ беҳтар кор кунем, аммо ин душвор хоҳад буд” гуфт Гиддинг. “Беҳтарин роҳнамо ин маълумоти таҷрибавӣ аст ва мо воқеан мехостем он чизеро дошта бошем” гуфт ӯ, барои таҳқиқи ҷозибаи квантӣ, ки онро “мушкили амиқтарин дар физикаи назариявӣ” меномад.
Ҷустуҷӯи нишонаҳо барои зинда мондани материя
Намунаҳои бархӯрд, ки дар таҳқиқот баррасӣ шудаанд, инчунин метавонанд равандҳои марбут ба сирри дигар, мавҷудияти материяро дар коинот фош кунанд. Дар ҳамон мақола, даста барои сфалеронҳо, конфигуратсияҳои гипотетикии ноустувори майдонҳои зарраҳо ҷустуҷӯ кард. Инҳо зарраҳо нестанд, аммо равандҳое, ки бо онҳо алоқаманданд, метавонанд имзоҳои тақрибан сферикии энергетикиро ба вуҷуд оранд, ки ба онҳое, ки дар ҷустуҷӯи сӯрохи сиёҳ ҷустуҷӯ шудаанд, шабоҳат доранд.
Сфалеронҳо метавонанд ба фаҳмондани номутавозунии байни материя ва антиматерия кӯмак расонанд. Гумон меравад, ки таркиши Big ба миқдори баробар ҳардуро ба вуҷуд овардааст, ки бояд якдигарро несту нобуд мекард ва танҳо энергия боқӣ мемонд. Муҳаққиқон ягон далели равандҳои сфалеронро наёфтанд, ки ба фраксияи мутақобила, ки метавонанд гузариши сфалеронро ба вуҷуд оранд, маҳдудиятҳо муқаррар кунанд.
Ин кофтуковҳо нишон медиҳанд, ки чӣ тавр усули масофаи фазо-фазоӣ метавонад берун аз сӯрохиҳои сиёҳи микроскопӣ, аз ҷумла ба дигар зарраҳои экзотикӣ, таъсироти ғайриоддӣ ва шароити ғайриоддии ҷисмонӣ татбиқ карда шавад.
Бо бастани LHC барои маҷмӯи васеи такмилҳо, Чжан ба маълумоте, ки дар оянда Collider High Luminosity Large Adron Collider (HL-LHC) таъмин хоҳад кард, интизор аст.
“Мо барои дуруст будани кадом назарияҳо маҳдудиятҳо хоҳем гузошт” гуфт ӯ.
Суръатдиҳандаи такмилдодашуда ба муҳаққиқон имкон медиҳад, ки “компонентҳои бунёдии материяро муфассалтар омӯзанд”, аз ҷумла равандҳое, ки метавонанд чӣ гуна эволютсияи коиноти ибтидоиро нишон диҳанд.
Маълумотнома: “Ҷустуҷӯи сӯрохиҳои сиёҳ ва сфалеронҳо бо истифода аз усулҳои нави омӯзиши мошинсозӣ дар CMS” аз ҷониби Тамас Алмос Вами ва Дани Чжан, 5 майи соли 2026, Пешравӣ дар физикаи энергияи баланд -PHEP.
DOI: 10.31526/PHEP.2026.21
Ҳеҷ гоҳ пешрафтро аз даст надиҳед: Ба бюллетени SciTechDaily ҳамроҳ шавед.
Моро дар Google ва Google News пайгирӣ кунед.
