نیروی قوی و تسلط بر آن

در قاموس فیزیك ذرات بنیادی، كوارك نامی من درآوردی است، الكترون نامی كلاسیك است، اما گلودانه (چسبگوی) گویاترین نامی است كه می‌توان یافت. گلودانه، اگر وجود داشته باشد، فقط از گلوئون (چسبك)، كه حامل نیروی قوی هسته‌ای است، ساخته شده است. معروف است كه گلودانه‌ها موجوداتی شرور‌اند، ذراتی گریز پا و كوتاه عمر، كه به سادگی با ذرات دیگر اشتباه می‌شوند. از همه بدتر نظریه‌ای است كه وجود گلودانه‌ها را پیش بینی می‌كند؛ معادلات بنیادی QCD(كرمودینامیك كوانتومی) را می‌توان نوشت، اما حل كردن این معادلات كار حضرت فیل است. با این حال، به نظر می‌رسد كه مجموعه دو دسته پژوهش مختلف به نتیجه‌ای در مورد این ذرات منجر شده است. یك دسته پژوهش‌های بیست ساله‌ای است كه با روش محاسبه شبكه‌ای انجام شده و هدف آن بیرون كشیدن پیش بینی‌های QCD از دل معادلات بنیادی آن است، و دسته دیگر آزمایش‌های بیست ساله‌ای با شتاب‌دهنده‌ها كه صدها ذره كوتاه عمر (تشدید) آشكار كرده است. اكنون می‌توان مشخصات این ذرات را با پیش بینی‌های نظری مقایسه كرد و دید كه آیا گلودانه‌ای هم در میان آن‌ها وجود دارد یا نه.
اگر چنین چیزی یافت شود، كاری كه فیزیك‌دانان انجام داده‌اند بیش از صرفاً افزودن ذره‌ای دیگر به مجموعه ذرات است: این كار تأییدی بر درستی فهم نظریه‌پردازان از QCD و نیروی قوی است. به این ترتیب معلوم می‌شود كه با QCD می‌توان پیش بینی‌های معقولی در مورد كوارك‌ها و گلوئون‌های درون هسته اتم كرد. QCD از ابتدا مشكل زاترین بخش مدل استاندارد بوده است. نقطه شروع QCD مدل كوارك ذرات بنیادی بود كه در دهه 1960 عرضه شد. در این مدل فرض می‌شد كه خشت‌های بنیادی ماده ذرات تقسیم ناپذیری به نام كوارك‌اند. این مدل خیلی چیزها را توضیح می‌داد، اما نمی‌توانست توضیح بدهد كه چه نیرویی كوارك‌های سازنده نوترون و پروتون را كنار هم نگه می‌داد، و نمی‌توانست توضیح بدهد كه چرا كوارك آزاد دیده نشده است. QCD، كه در سال 1973 متولد شد، نظریه‌ای زیر بنایی بود كه به مدل كوارك اعتبار داد. براساس این نظریه، نیروی رنگ عاملی است كه كوارك‌ها را كنار هم نگه می‌دارد. حامل این نیرو گلوئون است، درست همان‌طور كه فوتون حامل نیروی الكترومغناطیسی است. اما بر اساس QCD، نیرویی كه گلوئون حمل می‌كند، بر خلاف مثلاً نیروی الكترومغناطیسی، وقتی كه كوارك‌ها به هم خیلی نزدیك می‌شود بسیار كم است و با افزایش فاصله كوارك‌ها از هم زیاد می‌شود به همین علت كه كوارك آزاد مشاهده نمی‌شود: اگر بخواهیم كواركی را از پروتونی جدا كنیم، انرژی بستگی آن مرتباً زیاد می‌شود تا جایی كه یك زوج كوارك – پادكوارك تشكیل می‌شود و به جای یك كوارك آزاد، دو هادرون به دست می‌آید.
QCD رقیبی برای توضیح بر هم كنش‌های قوی ندارد، اما پیش بینی‌های دقیق آن كم است. زیرا معادلاتش را، لااقل برای ماده معمولی نمی‌توان حل كرد. فیزیك‌دانان مجبور‌اند به روش اختلال متوسل شوند، كه جواب را علی الاصول به شكل یك سری بینهایت می‌دهد. اما اساس روش اختلال بر این است كه بر هم كنش ضعیف است. در QCD بر هم كنش بین ذرات در انرژی‌های زیاد – بیش از چندین گیگا الكترون ولت – ضعیف است. در این انرژی‌ها از اختلال استفاده شده است و به كمك آن پدیده‌هایی مثل تولید فواره كوارك و گلوئون در برخوردهای پرانرژی پیش بینی شده است. اما در انرژی‌های كم برهم‌كنش QCD قوی می‌شود و اختلال دیگر به كار نمی‌آید. در همین انرژی‌هاست كه بسیاری از عمیق‌ترین پرسش‌های فیزیك ذرات بنیادی مطرح می‌شود. مثلاً چرا جرم پروتون این‌قدر است، یا چرا برهم‌كنش كوارك‌ها به شكلی است كه می‌بینیم. گلودانه نیز، در صورت وجود، حاصل بر هم كنش در چنین انرژی‌هایی است. وجود گلودانه یكی از پیش بینی‌های اصلی QCD است، و از آنجا كه این پیش بینی خاص خارج از مدل ساده كوارك است. آزمونی مناسب برای QCD است. گلوئون هم مثل كوارك نمی‌تواند به شكل آزاد وجود داشته باشد. اما انواع گلوئون‌ها می‌توانند به هم بچسبند و گلودانه‌های مختلف را به وجود بیاورند. مهمترین مشكل در آشكارسازی گلودانه‌ها، تشخیص این ذرات از صدها تشدید كوتاه عمر دیگری است كه در شتاب‌دهنده‌ها ظاهر می‌شوند. برای این كار باید جرم و ویژگی‌های واپاشی گلودانه‌ها را شناخت كه این باید حاصل معادلات QCD باشد. اینجاست كه QCD شبكه‌ای وارد می‌شود.
در QCD شبكه‌ای كه كنت ویلسون آن را در سال 1974 ابداع كرد، معادلات پیوسته QCD با معادلات گسسته‌ای برای یك شبكه چهار بعدی جایگزین می‌شوند. با این كار بینهایت مجهول به تعداد محدود ولی بسیار بزرگی مجهول تقلیل می‌یابند. طی پانزده سال گذشته پنج شش گروه مختلف ابر كامپیوترهایی خاص محاسبات QCD شبكه‌ای طراحی كرده‌اند و در این مدت نظریه پردازان هم روش‌هایی ابداع كرده‌اند كه محاسبات QCD شبكه‌ای را ساده‌تر كند، بی‌آنكه دقت آن كم شود.
نخستین موفقیت‌های این حوزه در سال 1993 به دست آمد. پس از یك و نیم سال محاسبه با ابر كامپیوتر، جرم چند هادرون، از جمله پروتون با شش درصد خطا محاسبه شد. در همان سال اولین پیش‌بینی برای جرم سبك‌ترین گلودانه ارائه شد؛MeV70±1740، یعنی كمی كمتر از دو برابر جرم پروتون. این پیش بینی با ذره‌ای به نام θ به جرم MeV1710، كه در سال 1981 كشف شده است، سازگار است. اما θ به عنوان سبك‌ترین گلودانه رقیبی هم دارد. از سال 1993 گروهی در دانشگاه زوریخ سوئیس هم شروع كرده‌اند كه به دنبال گلودانه‌ای با جرم MeV100±1550 بگردند.
این جرم پیش‌بینی گروه QCD بریتانیا است؛ گروهی متشكل از هفت دانشگاه بریتانیا كه یك ابر كامپیوتر بسیار قوی دارد. گروه دانشگاه زوریخ معتقد است كه ذره‌ای به جرم MeV1500 یافته است كه مشخصات آن با گلودانه مورد نظر سازگار است. البته این نیز ممكن است كه دو ذره مورد نظر در واقع یكی باشند، یعنی دو نوع مخلوط متفاوت از یك چسب‌گوی و یك هادرون باشند. طبق محاسبه هر دو گروه، جرم نخستین گلودانه سنگین‌تر، باید در حدود MeV2000 باشد، و این ذره باید در آزمایش‌های دهه 1980 اسلك دیده شده باشد. در واقع چنین ذره‌ای مشاهده شده است، اما فقط در اسلك، و نام آن نیز ξ است. در اوت 1995 گروهی دیگری نیز اعلام كرد كه ذره ξ را، درست همان جایی كه گروه اسلك گزارش داده بود، مشاهده كرده است. چیزی كه همه به آن اعتقاد دارند این است كه برای تأیید این مطالب آزمایش‌ها و محاسبات دقیق‌تری لازم است. در این میان ابر كامپیوترهایی دارد طراحی می‌شود كه بتواند محاسبات QCD را صد بار سریع‌تر از كامپیوترهای فعلی انجام بدهد و نیز از بسیاری از نظریه‌ها روش‌های محاسبه جدیدی به دست آمده است كه سرعت محاسبات را به هزار برابر یا بیشتر می‌رساند. نظریه پردازان QCD شبكه‌ای امیدوارند كه دقت پیش بینی‌هایشان رقیبی برای نظریه‌های دیگر مدل استاندارد باشد. به گفته ویلسون، دانشمندان پس از تسلط بر نظریه می‌توانند به ایرادهای آن بپردازند، یعنی به تفاوت‌های بین پیش بینی‌های نظری و نتایج آزمایش. این ممكن است به فیزیكی فراتر از مدل استاندارد بینجامد. گاه‌گاهی لازم است یادآوری شود كه نسبیت عام در n امین عدد پس از ممیز در مشخصات مدار عطارد خود را نشان داد – به شكل تصحیحی بسیار كوچك. اما این اولین علامت بود حاكی از اینكه یك جای كار در مكانیك نیوتونی می‌لنگد.