باز کردن اولین رازهای جهان ما – یک الکترون کوچک در یک زمان

هر آنچه در جهان هستی از بیگ بنگ آمده است.

پس از آن، ذرات بنیادی که جهان ما را تشکیل می دهند، از جمله پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها ایجاد شدند. به این ذرات ماده می گویند.

در همان زمان، کیهان معادل‌های پادماده ماده را به وجود آورد: پادپروتون‌ها، پادنوترون‌ها، پادالکترون‌ها و مواد مشابه. ضد ماده را به عنوان همزاد شیطانی ماده در نظر بگیرید.

اینجا جایی است که یک مشکل به وجود می آید. وقتی ماده و پادماده به هم می رسند، یکدیگر را نابود می کنند و به نور می پرند. اگر جهان دقیقاً به همان میزان ماده و پادماده را در خود داشت، همه چیز نابود می شد. جهان چیزی جز نوری نخواهد بود که در فضای خالی سفر می کند.

با توجه به مدل استاندارد فیزیک ذراتبا درک فعلی ما از همه چیزهایی که در مورد جهان می دانیم (به استثنای گرانش)، انفجار بزرگ باید مقادیر مساوی ماده و پادماده ایجاد می کرد.

با این حال، ما می دانیم که این درست نیست. کهکشان ها، ستاره ها و سیارات وجود دارند. ما وجود داریم. تمام موادی که در اطراف خود می بینیم توسط دوقلوی شیطانی ضد ماده اش از بین نرفته است.

بنابراین، ما می دانیم که باید در جهان ماده بیش از ضد ماده وجود داشته باشد. این به اصطلاح عدم تقارن ماده-ضد ماده یکی از بزرگترین رازهای فیزیکدانان است.

چه چیزی باعث این تفاوت شد؟ چطور شد؟ چگونه ماده در نبرد بر ضد ماده پیروز شد تا بتوانیم وجود داشته باشیم؟

فیزیکدانان بسیاری از نظریه های جدید فیزیک را برای توضیح مسئله ماده و پادماده ارائه کرده اند. برای آزمایش این نظریه ها به اندازه گیری های دقیق نیاز داریم. ما در اینجا در NIST و JILA به دنبال این هستیم.

ما به پاسخ و، امیدواریم، سرنخ هایی در مورد فیزیک جدید نزدیک تر می شویم.

EDM الکترون و رازهای جهان ما

جایی که می‌توانیم به دنبال سرنخ‌هایی باشیم، بار الکتریکی منفی یک الکترون است. یک الکترون لحظه دوقطبی الکتریکی (EDM – نباید با موسیقی رقص اشتباه شود) به ما می گوید که چگونه بار الکتریکی منفی بین دو طرف آن الکترون پخش می شود.

اگر EDM بالای صفر باشد، به این معنی است که بار منفی الکترون به طور یکنواخت در اطراف الکترون توزیع نشده است.

برای مثال، اگر یک الکترون را به عنوان زمین تصور کنیم، یک الکترون غیرصفر EDM نشان می‌دهد که بار قطب شمال الکترون کمی بیشتر (یا کمتر) نسبت به قطب جنوب آن دارد.

با توجه به الف قضیه اساسی فیزیک، این اختلاف بار بین قطب های الکترون عمیقاً به عدم تقارن ماده-ضد ماده مرتبط است. تاکنون این تفاوت بین دو قطب توسط محققان کشف نشده است.

در واقع، طبق مدل استاندارد، EDM الکترون باید غیرصفر اما بسیار کوچک باشد – برای اینکه بتوانیم با فناوری فعلی اندازه گیری کنیم، بسیار کوچک است.

با این حال، مدل‌های فیزیک جدید مقادیر بسیار بزرگ‌تری را برای EDM الکترون پیش‌بینی می‌کنند، که برخی از آنها می‌توانند در دسترس تلاش‌های تجربی فعلی باشند. با اندازه گیری EDM الکترون، ما در حال آزمایش این مدل های فیزیک جدید هستیم.

اگر یک EDM الکترون غیرصفر (یا چیزی بزرگتر از آنچه مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند) اندازه‌گیری کنیم، می‌توانیم به حل معما نزدیک‌تر باشیم.

در نهایت، این می تواند به درک بهتری از جهان ما منجر شود.

پیشرفت در اندازه گیری EDM الکترون

گروه تحقیقاتی ما سال هاست روی آزمایش هایی برای اندازه گیری EDM الکترون کار می کند. ما الکترون های داخل مولکول ها را بررسی می کنیم تا EDM را اندازه گیری کنیم.

این ممکن است ساده به نظر برسد، اما اندازه گیری EDM الکترون فوق العاده چالش برانگیز است.

اولا، EDM الکترون بسیار کوچک است (اگر اصلا وجود داشته باشد). بنابراین، باید مطمئن شویم که آزمایش ما بالاترین حساسیت ممکن را دارد.

دوم، عوامل زیادی می توانند بر آزمایش تأثیر بگذارند و یک سیگنال EDM نادرست به ما بدهند. بنابراین، ما زمان زیادی را صرف پیش بینی و کاهش اثرات این سیگنال های غلط می کنیم.

علیرغم این چالش ها، گروه ما اخیراً این مقاله را منتشر کرده است دقیق ترین اندازه گیری EDM. اندازه گیری ما به ما گفت که EDM الکترون صفر یا کوچکتر از آن چیزی است که آزمایش ما در حال حاضر می تواند تشخیص دهد.

در حالی که اندازه‌گیری غیرصفر EDM الکترون بسیار هیجان‌انگیز بود، نتایج ما به ما کمک کرد تا بیشتر در مورد اینکه کدام یک از این مدل‌های فیزیک جدید باید تمرکز کنیم، بیاموزیم. هر چه بیشتر بتوانیم نامزدهای مدل ها را محدود کنیم، به پاسخ هایی که به دنبالش بودیم نزدیک تر می شویم.

بنابراین، درست مانند چندین گروه دیگر در سراسر جهان که سعی در اندازه‌گیری EDM الکترون دارند، ما در JILA دائماً بر اساس کارهای قبلی خود برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر EDM انجام می‌دهیم. در حال حاضر، ما در حال توسعه نسل بعدی این آزمایش هستیم. این شامل چندین پیشرفت است، مانند استفاده از یک مولکول متفاوت با حساسیت بالاتر به EDM و توانایی اجرای چندین آزمایش به طور همزمان.

این احتمال وجود دارد که یک EDM الکترون غیرصفر هرگز اندازه گیری نشود، در این صورت فیزیکدانان باید در جای دیگری جستجو کنند تا سرنخ هایی برای فیزیک جدید بیابند. چه در EDM الکترون باشد یا نه، ما می دانیم که سرنخ هایی در جایی وجود دارد زیرا درک فعلی ما از جهان کامل نیست.

کارآگاه اولیه جهان بودن

من از زمانی که وارد مقطع دکتری شدم، روی دستگاه جدید EDM جیلا کار می کنم. برنامه در دانشگاه کلرادو بولدر برای مطالعه فیزیک اتمی، مولکولی و نوری (AMO).

من برای اولین بار در دوران لیسانس خود عاشق فیزیک AMO شدم، جایی که در یک آزمایشگاه تحقیقاتی در جستجوی بخشی مرموز از جهان ما که نمی توانیم آن را ببینیم، کار می کردم، به نام ماده تاریک.

من مجذوب این واقعیت بودم که ما، چند دانشجوی کارشناسی و یک استاد، می‌توانستیم دستگاهی بسازیم تا به دنبال پاسخی در مورد جهان باشیم.

در حالی که به نظر نمی رسد پاسخ به این سؤالات اساسی در مورد جهان کاربرد فوری داشته باشد، گاهی اوقات کاربردهای غیرمنتظره ای در آینده ایجاد می شود.

به عنوان مثال، نظریه نسبیت عام اینشتین چندین دهه قبل از استفاده از آن در GPS برای محاسبه دقیق موقعیت مکانی کاربر توسعه یافته است. اینشتین مطمئناً نسبیت عام را توسعه نداده تا به نزدیکترین بستنی فروشی راهنمایی بدهد، اما افراد زیادی هر روز از این فناوری استفاده می کنند!

حتی اگر هیچ برنامه کاربردی وجود نداشته باشد، من فکر می کنم که پاسخ به سؤالات اساسی برای تغذیه کنجکاوی طبیعی انسان ارزشمند است.

برای کار فارغ التحصیلی، می‌خواستم آزمایش‌های رومیزی را که فیزیک بنیادی را بررسی می‌کنند ادامه دهم. جستجو برای EDM الکترون یک فرصت عالی برای انجام این کار بود. با این حال، آزمایش پیچیده است. این پروژه که یک آزمایش رومیزی با تنها چند محقق است، به مهارت‌هایی از رشته‌های مختلف نیاز دارد.

از زمانی که شروع کردم، نه تنها در مورد فیزیک بلکه در مورد لیزر، الکترونیک، ماشین‌کاری و غیره نیز چیزهای زیادی یاد گرفتم. من واقعاً از این جنبه از آزمایشگاه AMO لذت می برم.

من همچنین مقدار زیادی از مشاورم آموخته ام، اریک کورنل. او همیشه راهی برای توضیح فیزیک بسیار شهودی پیدا می کند، چیزی که نمی توانید در کتاب های درسی یا حتی در بسیاری از محیط های کلاس درس پیدا کنید. این تفکر شهودی به من کمک کرد تا وقتی چیزی غیرمنتظره پیش می‌آید، سؤالات مناسبی را برای پرسیدن پیدا کنم و مرا در مسیر درست برای درک آن قرار داد.

من قصد دارم دکترای خود را تکمیل کنم. در یکی دو سال آینده من تصمیم نگرفته ام که می خواهم در دانشگاه بمانم یا وارد صنعت شوم. اما من می‌خواهم به تحقیقات هیجان‌انگیز ادامه دهم، بنابراین مشتاقم ببینم شغلم چه مسیری را طی می‌کند.

هر جا که تحقیقاتم مرا ببرد، اسرار جهان اولیه و فیزیک بنیادی همچنان به من و دانشمندان دیگر الهام می‌بخشد تا به سوالات جدید و هیجان‌انگیزی پاسخ دهیم.