24 ژانویه 2025-همکاری CMS تقارن لورنتس را با کوارک های برتر در LHC آزمایش می کند -آشکارساز CMS تصویر: CERN
در یک مطالعه بزرگ که در برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) انجام شد، همکاری CMS بررسی کرد که آیا کوارک های برتر – سنگین ترین ذرات بنیادی طبیعت – به نظریه نسبیت خاص اینشتین پایبند هستند یا خیر.
این تحقیق اولین تلاش برای آزمایش تقارن لورنتس با استفاده از جفت‌های کوارک بالا را نشان می‌دهد که بینش انتقادی را در مورد اعتبار قوانین فیزیکی اساسی در انرژی‌های بالا ارائه می‌دهد.
نظریه نسبیت خاص اینشتین یکی از سنگ بنای فیزیک مدرن است که ستون فقرات مدل استاندارد را در کنار مکانیک کوانتومی تشکیل می دهد.یکی از جنبه‌های کلیدی این نظریه، تقارن لورنتس است، که ادعا می‌کند نتایج تجربی مستقل از جهت یا سرعت تنظیم آزمایشی در فضا-زمان هستند. این اصل بیش از یک قرن است که بدون چالش باقی مانده است.با این حال، چارچوب های نظری خاص، مانند مدل های خاص نظریه ریسمان، نشان می دهد که تقارن لورنتس می تواند در انرژی های بسیار بالا شکسته شود.
اگر چنین بود، مشاهدات تجربی به جهت‌گیری ساختار در فضا-زمان بستگی داشت و به طور بالقوه آثار قابل تشخیصی را حتی در انرژی‌های کاوش شده توسط LHC بر جای می‌گذاشت.
مطالعات قبلی چنین اثراتی را جست‌وجو کرده‌اند، اما هیچ مدرکی مبنی بر شکست تقارن لورنتس در آزمایش‌های انجام‌شده در برخورددهنده‌ها، از جمله LHC، پیدا نکرده‌اند.مطالعه اخیر همکاری CMS نشان دهنده یک رویکرد جدید برای جستجوی شکست تقارن لورنتس است.
محققان نرخ تولید جفت‌های کوارک بالا را که در طول برخورد پروتون و پروتون در LHC ایجاد می‌شوند، تجزیه و تحلیل کردند.تاپ کوارک ها به عنوان پرجرم ترین ذرات بنیادی شناخته شده، زمینه آزمایش ایده آلی را برای پدیده های پر انرژی فراهم می کنند.
در این مطالعه، محققان بررسی کردند که آیا نرخ تولید جفت کوارک بالا با جهت‌گیری پرتوهای پروتون LHC در فضا-زمان متفاوت است یا خیر.
از آنجایی که زمین حول محور خود می‌چرخد، جهت پرتوها – و در نتیجه، جهت متوسط تولید کوارک بالا – در طول روز تغییر می‌کند. اگر تقارن لورنتس شکسته شود، این تغییرات جهتی به صورت تغییرات در نرخ تولید در طول زمان ظاهر می شود.
تیم CMS داده‌های دومین اجرای عملیاتی LHC را تجزیه و تحلیل کرد و هر نشانه‌ای از چنین تغییرات وابسته به زمان را جستجو کرد. نتایج آنها نرخ تولید ثابت را تأیید کرد، که نشان می‌دهد تقارن لورنتس برقرار است و نسبیت خاص اینشتین در این مقیاس‌های انرژی معتبر باقی می‌ماند.
محققان CMS با استفاده از یافته‌های خود، محدودیت‌های دقیقی را برای پارامترهای مرتبط با شکست تقارن لورنتس تعیین کردند.این پارامترها که پیش‌بینی می‌شوند در صورت عدم شکست تقارن صفر می‌شوند، هیچ انحراف معنی‌داری نشان ندادند.محدودیت‌های جدید نتایج قبلی از شتاب‌دهنده Tevatron را تا ضریب 100 بهبود می‌بخشند که نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی در دقت است.
مطالعه CMS نه تنها اعتماد به نسبیت خاص را تقویت می کند، بلکه در را به روی فرصت های جدیدی برای آزمایش فیزیک بنیادی باز می کند.داده‌های سومین اجرای عملیاتی LHC، که در حال حاضر در حال انجام است، نگاه دقیق‌تری به تقارن لورنتس با استفاده از کوارک‌های برتر ارائه می‌دهد.
علاوه بر این، این تحقیق راه را برای بررسی سایر ذرات سنگین قابل دسترسی فقط در LHC، مانند بوزون هیگز و بوزون های W و Z هموار می کند. کاوش در این ذرات می تواند بینش بیشتری در مورد ساختار فضا-زمان و محدودیت های بالقوه نظریه های تثبیت شده ارائه دهد.
مطالعه ابتکاری CMS اعتبار پایدار نسبیت خاص اینشتین را حتی در قلمرو پر انرژی LHC نشان می دهد.
محققان با تأیید تقارن لورنتس با دقت بی‌سابقه‌ای، یک اصل اساسی فیزیک را محکم کردند و در عین حال، زمینه را برای اکتشافات آینده در طبیعت کیهان فراهم کردند.
