آیا نیروی پنجم طبیعت وجود دارد؟ سرنخ‌های جدید از سیارک‌ها

1

در سال 2023، مأموریت OSIRIS-REx ناسا با موفقیت نمونه‌ای از گرد و غبار و سنگ‌های سیارک نزدیک به زمین به نام بنو را به زمین بازگرداند.

در حالی که این نمونه، بینش‌های حیاتی درباره جهان ارائه می‌دهد، داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط این مأموریت ممکن است فرصتی برای کشف حوزه‌های جدید در فیزیک نیز فراهم کند.

نیروی احتمالی پنجم در جهان

یک تیم تحقیقاتی به رهبری یو-دای تسای، اخترفیزیکدان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (LANL)، از داده‌های ردیابی سیارک بنو برای بررسی احتمال وجود نیروی پنجم بنیادین در جهان استفاده کرد.

تسای توضیح داد: «تفسیر داده‌هایی که از ردیابی بنو می‌بینیم می‌تواند به درک ما از پایه‌های نظری جهان کمک کند و شاید درک ما از مدل استاندارد فیزیک، گرانش و ماده تاریک را دگرگون کند».

وی افزود: «مسیر حرکت اجسام اغلب دارای ناهنجاری‌هایی است که می‌تواند در کشف فیزیک جدید مفید باشد».

ردیابی سیارک‌های نزدیک به زمین مانند بنو

با توجه به پیامدهای احتمالی برای دفاع سیاره‌ای، سیارک‌های نزدیک به زمین مانند بنو به‌دقت رصد می‌شوند.

تیم تحقیقاتی از داده‌های ردیابی زمینی که هم قبل و هم در طول مأموریت OSIRIS-REx جمع‌آوری‌شده بود، استفاده کردند تا گسترش‌های مدل استاندارد فیزیک را بررسی کنند. این مدل در حال حاضر سه نیروی بنیادی از چهار نیروی شناخته‌شده جهان را توضیح می‌دهد.

از زمان کشف بنو در سال 1999، داده‌های آستروتریک نوری و راداری به دقت مسیر آن کمک کرده است. مأموریت OSIRIS-REx با داده‌های ردیابی رادیومتریک باند X و ناوبری نوری به این اطلاعات افزوده است.

سانی وانوچی، استاد دانشگاه ترنتو و نویسنده همکار مطالعه گفت: «محدودیت‌های دقیقی که به دست آوردیم، به‌راحتی به برخی از محدودترین محدودیت‌ها بر روی نیروهای نوع یوکاوا تبدیل می‌شود».

وی ادامه داد: «این نتایج بر قابلیت ردیابی سیارک به‌عنوان ابزاری ارزشمند در جستجوی بوزون‌های فوق‌العاده سبک، ماده تاریک و چندین گسترش معقول مدل استاندارد تأکید می‌کند».

احتمال وجود نیروی پنجم بنیادین

مسیر حرکت یک جسم آسمانی مانند سیارک تحت تأثیر گرانش و سایر نیروها قرار می‌گیرد. درک این مسیرها می‌تواند اسرار جدیدی را آشکار کند، به‌ویژه زمانی که ناهنجاری‌ها ظاهر می‌شوند.

به‌عنوان‌مثال، وجود سیاره نپتون از ناهنجاری‌های موجود در مدار اورانوس قبل از مشاهده مستقیم نپتون استنباط شد.

تیم تحقیقاتی با تحلیل مسیر بنو و توسعه مدل‌های مرتبط، محدودیت‌هایی برای احتمال وجود نیروی پنجم بنیادین و نقش ذره‌ای واسطه، مانند بوزون فوق‌العاده سبک، در این نیرو ایجاد کردند.

ذره واسطه‌ای که بر روی نیروی پنجم اثر می‌گذارد می‌تواند مدار سیارکی مانند بنو را تغییر دهد، به همین دلیل تحلیل این داده‌های ردیابی برای تحقیقات فیزیک حائز اهمیت است.

ماده تاریک و انرژی تاریک

یک ذره جدید، مانند بوزون فوق‌العاده سبک، می‌تواند مدل استاندارد را گسترش دهد و شامل ماده تاریک و انرژی تاریک شود – دو پدیده‌ای که به‌طور قوی توسط مشاهدات کیهانی و اخترفیزیکی پیشنهادشده‌اند اما هنوز در چارچوب نظری کنونی گنجانده نشده‌اند.

درحالی‌که اعتقاد بر این است که ماده تاریک تقریباً 85 درصد از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد، دانشمندان هنوز درک دقیقی از ذرات و نیروهایی که آن را تشکیل می‌دهند، ندارند.

ردیابی سیارک‌ها و فیزیک نیروی پنجم

تسای و تیم او برای اولین بار در مقاله‌ای که در سال 2023 در مجله «ژورنال کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات» منتشر شد، ایده استفاده از ردیابی سیارک‌ها برای تحقیق در مورد فیزیک نیروی پنجم را مطرح کردند.

پس از کارشان بر روی بنو، اکنون قصد دارند این تحقیقات را با سیارک آپوفیس ادامه دهند که در سال 2029 از فاصله 20 هزار مایلی زمین عبور خواهد کرد.

فضاپیمای OSIRIS-APEX ناسا قرار است طی این پرواز نزدیک به آپوفیس نزدیک شود و گرد و غبار را به هم بزند.

مشاهدات از تأثیرات گرانش زمین بر آپوفیس در حین عبور آن می‌تواند داده‌های بیشتری را برای کمک به جستجوی شواهدی از فیزیک نیروی پنجم فراهم کند.

بررسی سؤالات بنیادین در فیزیک

در آینده، تیم تحقیقاتی همچنین در حال بررسی استفاده از فناوری‌های کوانتومی فضایی و مأموریت‌های فضایی اختصاصی برای بهبود دقت ردیابی یا جستجوی مستقیم ماده تاریک هستند.

این نوآوری‌ها می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی دقت اندازه‌گیری را افزایش دهند و تلاش‌ها برای بررسی تأثیرات گرانشی ظریف که ممکن است حضور ذرات یا نیروهای جدید را آشکار کند، تقویت کنند.

این پیشرفت‌ها می‌توانند راه را برای موفقیت‌های آینده باز کنند، زیرا دانشمندان به کاوش در نیروهای بنیادینی که جهان را کنترل می‌کنند ادامه می‌دهند.

این تحقیق یک گام مهم در استفاده از داده‌های ردیابی سیارک‌ها برای بررسی سؤالات بنیادین در فیزیک است و روشی جدید برای بررسی نیروها و ذرات پنهان جهان ارائه می‌دهد.

این تحقیقات در مجله Nature Communications Physics منتشر شده است.