ابر تقارن

این نوشتار نیازمند منبع است . با ویرایش آن و اضافه کردن منابع معتبر ما را در پیشبرد اهداف ویکی نجوم یاری نمایید .

ابر تقارن

به طور کلی ذرات بنیادی از نظر عدد اسپین به دو دسته تقسیم می شوند: بوزون ها و فرمیون ها.

بوزون ها در واقع ذراتی هستند که حاملِ نیرو های بنیادین هستند. مثل فوتون که حاملِ نیرویِ الکترو مغناطیس است و گراویتن که نیرویِ جادبه را حمل می کند.

و اما فرمیون ها: به بیانِ ساده می‌توان گفت که فرمیون ها ذرات بنیادیِ تشکیل دهنده ماده می باشند (در اصل الکترون ها و پروتون ها و نوترون ها هم از دسته ی فرمیون ها هستند).

ابر تقارن در واقع بیان گر ارتباطِ تنگاتنگ بین ذراتِ حامل نیرو (بوزون ها) و ذراتِ تاثیر پذیر در مقابل نیرو ها (فرمیون ها) می باشد.

نظریه ابر تقارن در صورت تکمیل شدن می‌تواند یکی از حروفِ الفبای تشکیل نظریه ی همه چیز باشد. دانشمندان امیدوارند که موفق به تلفیقِ ابر تقارن و نظریه ابر ریسمان شوند و پایه گذار نظریه ای کلی و جامع باشند که بتواند تمامی کنش ها و واکنش های ذرات بنیادی را در بر بگیرد. تمام ذرات و نیروهای جهان بر اساس چرخش خود , به دو دسته تقسیم می شوند : فرمیون ها و بوزون ها . برای مثال فوتون ذره ای که نیروی الکترومغناطیس را حمل می کند دارای اسپین ۱ می باشد . بوزون w که انرژی هسته ای ضعیف را حمل می کند و گلئون که انرژی هسته ای قوی را حمل می کنند , نیز اسپین ۱ دارند . گراویتون , ذره ی حامل گرانش نیز دارای اسپین 2- می باشد . به عبارتی بوزونها دارای عدد اسپین صحیح هستند و فرمیون ها با اسپین نیمه توصیف می شوند ( مثل 5/2, 2/3, 2/1, ...) . در نظریه برتقارن همه ی ذرات زیر اتمی دارای یک زوج هستند . هر فرمیون با یک بوزون زوج می شود . مثلا زوج الکترون را " سلکترون " نامیده اند ( یک s به نام ذره اظافه می کنند که نماد زوج ذره است ). به این ترتیب ابر زوج کوارک , می شود " اسکوارک " به دلیل ضعف تکنولوژیکی کنونی ما , این نظریه هنوز به آزمون نرسیده است . در واقع دانشمندان معتقدند که در جایی ابر تقارن جهان شکسته است در نتیجه جرم ابر ذرات ( زوج ذره ها ) بسیار بیشتر شده و فراتر از محدوده ی شتاب دهنده های کنونی ما رسیده اند .

ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف

یکی از ملحقات نظریۀ استاندارد فیزیک ذرات به نام اَبرتقارن (Super Symmetry)، پیشنهاد می‌کند که «ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف» (WIMP) ممکن است جزء اصلی در مادۀ تاریک سرد باشد. یکی از نامزدهای اصلی نوترالینو (Neutralino) است - سبک‌ترین ذرۀ ابرمتقارن خنثی. در هر ثانیه ملیاردها WIMP می‌تواند از ما عبور کند! گاهی ممکن است که با هستۀ یک اتم برهم‌کنش داشته، آن را به عقب براند - چیزی شبیه به برخورد یک توپ درحال حرکت بیلیارد و یک توپ ساکن. براساس اصول، اما با زحمت بسیار زیاد، این برهم‌کنش‌ها قابل آشکارسازی است. برخی راه‌های ممکن در تشخیص عقب‌نشینی هسته‌ای، ناشی از برهم‌کنش WIMP، عبارت است از:

(1) در نیمه‌هادی‌هایی چون سیلیسیوم و ژرمانیوم، با عقب‌نشینی اتم، بار الکتریکی آزاد می‌شود. این یونیزاسیون قابل تشخیص و اندازه‌گیری است.

(2) در انواع مشخصی از کریستال‌ها و مایعات، موسوم به سینتیلاتور ، با کم شدن سرعت اتم، برق‌هایی از نور تابش می‌شود. این نور، که مقدار آن به انرژی عقب‌نشینی بستگی دارد، به وسیلۀ لامپ فتومالتی‌پلایر (PMT) قابل تشخیص است.

(3) در کریستال، انرژی عقب نشینی به ارتعاشاتی موسوم به فونون (Phonon) منتقل می‌گردد. در دمای اتاق، این ارتعاشات در میان ارتعاشات القایی توسط حرارت گم می‌شود. اما با سرد کردن کریستال تا دمایی نزدیک به صفر، می‌توان آنها را آشکار نمود.

هرچند که ممکن است در هر ثانیه یک ملیون WIMP از هر سانتیمترمربع عبور کند، اما بسیار به ندرت با یک هسته برهم‌کنش می‌نماید. برآورد می‌شود که در یک آشکارساز 10 کیلوگرمی، در هر روز و به‌طور متوسط تنها یک برهم‌کنش رخ دهد. اوضاع وقتی بدتر است که بدانیم همواره با پرتوهای کیهانی بمباران می‌شویم. این پرتوها که از مادۀ معمولی ساخته شده‌اند، به آسانی برهم‌کنش می‌کنند؛ لذا هرگونه برهم‌کنش WIMP کاملاً پایمال می‌شود! یک راه که تعداد پرتوهای کیهانی ورودی به آشکارساز را بسیار کاهش می‌دهد آن است که آن را در اعماق زمین جای دهیم - مثلاً در عمق 1100 متری معدن بولبی پوتاش در شمال یورک‌شایر . در این عمق، لایه‌های صخره‌ای از هر یک ملیون پرتو کیهانی، تنها یکی را عبور می‌دهد، و این درحالی است که تنها سه عدد از یک میلیارد WIMP با هستۀ تخته سنگ‌ها در بالای آشکارساز برهم‌کنش می‌نماید. به‌علاوه، رادیو اکتیو طبیعی موجود در سنگ‌های اطراف آشکارساز با تولید نوفه، برهم‌کنش‌های WIMP را می‌پوشاند. از اینرو آشکارسازها را با سپر تابشی از سرب بسیار خالص، پوشش مسی یا پلی‌اتیلن می‌پوشانند، و ممکن است آنها را در مخزن آب غوطه‌ور نمایند. آشکارسازها خود می‌توانند ذرات آلفا یا بتا تابش کنند، لذا بایستی در مورد مادۀ سازندۀ آنها دقت ویژه‌ای مبذول داشت. لامپ‌های فتومالتی‌پلایر (به منظور آشکارسازی جرقه‌ها) نیز مشکلات خاص خود را دارند. هدایت‌کننده‌های نوری (Light Guide) جهت انتقال نور از کریستالی که برهم‌کنش در آن صورت می‌گیرد، مانند یدید سدیم، به لامپ‌های فتومالتی پلایر حفاظت شده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

منبع

کتاب درآمدی بر نجوم و کیهان‌شناسی/ نوشته ایان موریسون/ ترجمه غلامرضا شاه‌علی [۱]