پژوهشگران موسسه ریکن (RIKEN) با بهره‌گیری از یکی از قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان موفق شدند برای نخستین‌بار برهم‌کنش میان نوکلئون (پروتون یا نوترون) و ذره‌ای به نام «چارمونیوم» را به‌طور دقیق محاسبه کنند. نتایج این مطالعه نظری در نشریه Physics Letters B منتشر شده است.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، تمام تعاملات موجود در جهان از برخورد دو کهکشان گرفته تا خروج یک الکترون از هسته اتم، می‌توانند با تکیه بر چهار نیروی بنیادین طبیعت توضیح داده شوند: گرانش، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و نیروی قوی. در حالی‌که گرانش و نیروی الکترومغناطیسی در زندگی روزمره محسوس‌اند، دو نیروی ضعیف و قوی در مقیاس‌های بسیار کوچک‌تری مانند هسته اتمی یا حتی کمتر عمل می‌کنند.

نیروی قوی که به‌درستی از آن به‌عنوان قوی‌ترین نیروی طبیعت یاد می‌شود، عامل اتصال پروتون‌ها و نوترون‌ها درون هسته اتم است و بین ذرات بنیادی‌تری، چون کوارک‌ها و گلئون‌ها برقرار می‌شود. این نیروی بنیادی از طریق نظریه‌ای به نام کرومودینامیک کوانتومی (Quantum Chromodynamics یا QCD) توصیف می‌شود. اگرچه این نظریه از نظر ریاضی کامل است، اما شیوه عملکرد دقیق آن در برخی موقعیت‌های خاص همچنان محل تحقیق نظری و تجربی فعال است.

یان لیو (Yan Lyu) از برنامه علوم نظری و ریاضی میان‌رشته‌ای RIKEN در این باره می‌گوید: «نیروی قوی نقشی بنیادین در تولید انرژی دارد. نیروگاه‌های هسته‌ای با بهره‌گیری از همین نیرو برق تولید می‌کنند و حتی انرژی خورشید نیز از همین نیرو ناشی می‌شود؛ بنابراین درک سازوکار این نیرو اهمیت زیادی دارد.»

در این مطالعه، لیو و همکارانش تلاش کردند با استفاده از شبیه‌سازی‌های دقیق نظری مبتنی بر کرومودینامیک کوانتومی، برهم‌کنش میان یک نوکلئون (پروتون یا نوترون) و یک چارمونیوم را بررسی کنند.

در حالی‌که نوکلئون‌ها از کوارک‌های بالا (up) و پایین (down) ساخته شده‌اند، چارمونیوم‌ها از یک کوارک «چارم» (charm) و یک آنتی‌کوارک چارم تشکیل شده‌اند. کشف نخستین چارمونیوم در نوامبر ۱۹۷۴ یکی از تحولات بزرگ در فیزیک ذرات بنیادی بود که از آن با عنوان «انقلاب نوامبر» یاد می‌شود. تنها دو سال پس از این کشف، دانشمندانی که در کشف آن نقش داشتند موفق به دریافت جایزه نوبل شدند.

با وجود گذشت بیش از پنج دهه از کشف چارمونیوم، همچنان بسیاری از جنبه‌های رفتاری آن، به‌ویژه در زمینه برهم‌کنش با دیگر ذرات، ناشناخته باقی مانده است. به گفته لیو: «یکی از پرسش‌های بنیادی این است که چارمونیوم چگونه با نوکلئون‌ها برهم‌کنش دارد. این دقیقاً همان مسئله‌ای است که ما در این مطالعه به آن پرداختیم.»

برای پاسخ به این سؤال، محققان محاسبات خود را روی ابررایانه پیشرفته Fugaku که یکی از قدرتمندترین سامانه‌های محاسباتی جهان به‌شمار می‌رود، انجام دادند. نتایج این محاسبات نشان داد که برهم‌کنش میان چارمونیوم و نوکلئون در تمام فواصل ممکن، به‌صورت جاذبه‌ای است. همچنین توانستند شدت این برهم‌کنش را با دقتی بسیار بیشتر از پژوهش‌های پیشین اندازه‌گیری کنند.

به‌نظر می‌رسد تأیید تجربی این نتایج دور از دسترس نباشد. لیو می‌گوید: «پژوهشگران تجربی در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در اروپا اعلام کرده‌اند که قصد دارند طی چند سال آینده برهم‌کنش میان نوکلئون و چارمونیوم را به‌صورت تجربی بررسی کنند.»

تیم پژوهشی ریکن برنامه دارد دامنه این بررسی‌ها را به سایر سامانه‌ها نیز گسترش دهد. لیو در پایان می‌گوید: «ما انتظار داریم یافته‌های به‌دست‌آمده در این مطالعه، در بررسی برهم‌کنش‌های مشابه میان ذرات دیگر نیز کاربرد داشته باشد. این موضوعی است که هم‌اکنون در حال پیگیری آن هستیم.»