تکلیف شب 50 ساله‌ای که خواب را از چشم فیزیکدانان ربوده است

[kahrupay]

کودکان در همه جا از تکالیف مدرسه گریزانند اما مسائل آنها در برابر مسأله محاسبه نوعی از فروپاشی ذرات اتمی با هدف پاسخگویی به دلیل پایان جهان اولیه با مازاد ماده که برای 50 سال گروهی از فیزیکدانان نظری آمریکا را به خود مشغول داشته، چیز مهمی نیست.

به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران(ایسنا)، محققان آزمایشگاه ملی بروک‌هاون وزارت انرژی آمریکا از یک ابررایانه برای حل این مسئله که هر شب خواب فیزیکدانان را مختل می‌کرده، استفاده کرده‌اند.

بدون مازاد، ماده و پاد ماده که در زمان انفجار بزرگ به یک حد معادل ایجاد شده بودند، بطور کامل یکدیگر را خنثی کرده و در نتیجه در جهان چیزی به جز نور نمی‌ماند.

فیزیکدانان از مدتها قبل به این نتیجه رسیده بودند که احتمالا چیزی باعث این عدم تعادل و ایجاد حیات امروزی شده است.

به گفته محققان، این حقیقت که جهان از ماده ساخته شده، به شدت نشان‌دهنده آن است که این تقارن را نقض کرده است.

فیزیکدانان این امر را «نقض تقارن مزدوج بار و پاریته» یا نقض سی‌پی می‌نامند. بجای آنکه همه چیز در جهان به شکل متقارن رفتار کنند، برخی تعاملات زیراتمی خاص در صورتی که از درون یک آینه به آنها نگریسته شود(نقض پاریته) یا در زمانی که ذرات و پادماده آنها با یکدیگر مبادله می‌شوند(نقض تقارن مزدوج بار) متفاوت رفتار می‌کنند.

جیمز کرونین و وال فیچ، دانشمندان بروک‌هاون برای اولین بار توانستند شواهدی از چنین تبادل تقارنی در تجربیات انجام شده در سال 1946 در سینکروترون گرادیان متناوب با شواهد دیگر از تجربیات آزمایشگاه سرن پیدا کنند. آنها در سال 1980 توانستند جایزه نوبل فیزیک را برای این کار بدست بیاورند.

آنها متوجه فروپاشی یک ذره زیراتمی موسوم به مائون به دو ذره دیگر موسوم به پیونها شده بود. کائونها و پیونها از کوارکها ساخته شده‌اند. درک فروپاشی کائون از لحاظ ترکیب کوارکی آن مشکل دشواری برای فیزیکدانان نظری ایجاد کرده بود که به عنوان تکلیف شب برای تولید نظریه ای به منظور توضیح فروپاشی کائون داده می‌شد.

معادلات ریاضیاتی کرومودینامیک که نظریه‌ای در مورد چگونگی تعامل کوارکها و گلئونها بوده، از تعداد زیادی از متغیرها و ارزشهای ممکن برای آن متغیرها برخوردارند. از این رو دانشمندان باید صبر می‌کردند تا ابررایانه‌ها بتوانند به حل این مسائل بردازند.

فیزیکدانان الگوریتم‌های پیچیده‌ای ابداع کرده و بسته‌های نرم‌افزار مناسب نوشتند که برخی از ابررایانه‌های بسیار قدرتمند جهان از آنها برای توصیف رفتار کوارکها و حل مسئله استفاده کرده‌اند.

در نرم‌افزار فیزیکدانان، ذرات در یک شبکه خیالی چهار بعدی زمان-مکان که از سه بعد مکانی بعلاوه زمان ساخته شده، قرار می‌گیرند. در انتهای بعد زمان کائونها قرار گرفته که از دو نوع کوارک «عجیب» و «ضدپائین» تشکیل شده و با گلئونها به هم چسبیده‌اند. در سوی دیگر، فیزیکدانان محصولات نهایی که شامل چهار کوارک سازنده دو پیون است را قرار دادند. سپس ابررایانه به محاسبه تبدیل کائون به دو پیون در زمان حرکت از میان فضا و زمان پرداختند.

اجرای این محاسبات بر روی شبکه تا حد زیادی مسئله را آسان کرد.

جایی در میان این شبکه پیچیده فضا-زمان با چند درجه احتمال، کوارک عجیب کائون که نیرویی قوی آنرا به شدت با جفت کوارک ضد پائین آن متصل نگهداشته، ناگهان شروع به تغییر به شکل یک کوارک پائین بوسیله تعامل الکتروضعیف می‌کند. از آنجایی که کائون سنگین‌تر از دو پیون بوده، انرژی آزاد شده یک جفت کوارک/ضد کوارک که شامل یک کوارک بالا و ضد بالا بوده، از خلا تولید می‌کند. این کوارکها سپس با کوارک پائین جدید و باقیمانده کوارک ضد پائین برای تولید دو پیون ترکیب می‌شوند.

دانمشندان به دنبال درک بخشی بودند که تقارن سی‌پی را نقض کرده تا بتوانند قدرت این نقض را بفهمند. این اطلاعات به دانشمندان درک بهتری در مورد غنی بودن جهان از ماده و تائید درک کنونی از فیزیک ذرات ارائه خواهد کرد.

ابررایانه‌ها دهها میلیارد عدد را در معادله‌ای قرار دادند که این بخش از فرآیند را برای شناسایی نتیجه‌ای که باید الگوهای ذره در حال فروپاشی و فرکانسهای مشاهده شده با تجربیات را بازسازی کند، توصیف می‌کند.

الگوریتم جدید محققان موسوم به AMA کل محاسبات را به یک قطعه مشکل اما کوچک و یک قطعه بزرگ اما آسانتر تقسیم کرده است. همچنین زمان محاسبه بیشتری را وقف بخش دوم کرده تا در محاسبه کلی مورد نیاز صرفه‌جویی کند. این الگوریتم همچنین سرعت محاسبات را تا 10 برابر و بیشتر افزایش داده است.

این تجربیات البته تا کنون توانسته‌اند تنها نیمی از این مسئله را حل کنند. دو راه متفاوت وجود دارد که دو پیون نهایی می‌توانند با یکدیگر ترکیب شوند که حالتهای ایزواسپین نام دارند. تاکنون تنها مسئله یک ترکیب که کانال ایزواسپین دو است، حل شده است.

تجربیات دانشمندان از سنجشهایی برای هر دو حالت ایزواسپین برخوردار است از این رو فیزیکدانا در حال کاربرای محاسبه فرآیند دوم هستند.