فیزیکدانان مؤسسه تحقیقاتی «پریمیتر» (Perimeter) چگونگی استفاده از بزرگترین ساختارِ ممکن - انحنایِ کلی جهان – به عنوان یک عدسی برای بررسی کوچک‌ترین ذرات بنیادی قابل مشاهده در جهان امروز را نشان می‌دهند.

 دکتر نیایش افشردی، عضو هیات علمی دانشگاه واترلو و موسسه‌ فیزیک نظری پریمیتر و دکتر الیوت نلسون، محقق پسادکتری موسسه به تازگی موفق به کسب مقام سوم جایزه‌ کیهان‌شناسی «بوکاتر» برای کشف روش کاملا جدید و متفاوتی در کیهان شناسی شده‌اند. این روش قادر است دریچه‌ای را به آینده‌ فیزیک ذرات بنیادی بگشاید.

دکتر افشردی از فارغ‌التحصیلان دبیرستان استعدادهای درخشان (تیزهوشان) علامه حلی تهران و برنده مدال نقره المپیاد جهانی فیزیک سال 1996 (1375) نروژ است که تحصیلات کارشناسی خود را در رشته فیزیک در دانشگاه صنعتی شریف به پایان برده و دکتری خود را از دانشگاه پرینستون آمریکا اخذ کرده است.

این اخترفیزیکدان جوان ایرانی، پیش از این نیز جوایز علمی متعددی از جمله مدال طلای پروفسور M. K. Vainu Bappu انجمن نجوم هند در سال 2008، جایزه وزارت تحقیقات و نوآوری اونتاریوی کانادا و تسهیلات شتاب‌دهنده اکتشافات شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا (NSERC) را کسب کرده است.

کار تحقیقاتی آن‌ها از جایی شروع شد که فضا را همانند سطح صاف و همواری در نظر می‌گیرند که در این فضای صاف و هموار چین خوردگی‌های موضعی‌ وجود دارند و نکته‌ جالب آن است که جهان به طور کلی یک درصد از این سطح هموار را شامل می‌شود.

مشکل آنجاست که در واقع نباید این طور باشد. خلاء موجود در فضا تهی نیست بلکه در آن میدان‌هایی وجود دارد که اگرچه ممکن است ضعیف باشند اما مقدارشان صفر نیست. در کوانتوم هیچ چیزی نمی‌تواند صفر باشد به این علت که پارامتر‌های کوانتومی دائما در حال حرکت و تغییر هستند.

طبق نظریه نسبیت عام، این نوسانات باعث خمیدگی فضا - زمان می‌شوند. در حقیقت تمام این توضیحات برای آن است که بدانیم یک محاسبه‌ ساده از میزان خمیدگی فضا نشان می‌دهد که جهان درهم پیچیده‌ای خواهیم داشت که ماه در آن نمی‌گنجید.

کیهان شناسان همچنین برای حل این مساله تحقیقاتی انجام داده‌اند: جهان باید خمیده باشد، اما صاف و هموار به نظر بیاید.

اگر فرض کنیم ضد جاذبه‌ای وجود دارد که قادر است به طور دقیق تمایل به خمیدگی فضا را خنثی کند، مشکل قابل حل خواهد بود. چنین پیش‌بینی‌ها و تصحیحات نامحتملی از مشکلات همیشگی کیهان‌شناسان به شمار می‌رود که بیش از نیم قرن است که با آن دست و پنجه نرم می‌کنند.

در این مقاله، نلسون و افشردی تلاشی برای حل این مساله انجام ندادند. هنگامی که کیهان‌شناسانِ دیگر به دنبالِ ثابتِ خنثی کننده می‌گشتند، نلسون و افشردی در پی طرح پرسش دیگری بودند: "آیا اضافه کردن چنین ثابتی برای خنثی کردنِ انرژیِ خلا وجودِ فضا زمانِ مسطح را تضمین می‌کند؟".

پاسخ آن‌ها این بود: "مسلما خیر !"

در این صورت در فضایِ خلاء هنوز میدان‌های کوانتومی وجود دارد و نوسانات میدان‌های کوانتومی طبیعت آنها است. حتی اگر آن‌ها به صورت دقیق و کاملی خنثی شوند به طوری که مقدار میانگین آن صفر باشد، میدان‌های کوانتومی کماکان حول نقطه صفر نوسان خواهند کرد و نوسانات (دوباره) موجب خمیدگی فضا می‌شود.

در این طرح، مقدار خمیدگی‌ که توسط میدان‌های معلوم (میدان الکترومغناطیسی یا میدان ناشی از هیگز) ایجاد می‌شود، آنقدر کوچک است که قابل اندازه‌گیری نیست و بنابراین مجاز خواهد بود اما مقدار هر میدان ناشناخته‌ای باید به اندازه‌ کافی کم باشد تا نوسانات آن خمیدگیِ قابل مشاهده در جهان ایجاد نکند این یعنی در نظر گرفتنِ ماکزیمم انرژی برای میدان‌های نامعلوم.

یک حداکثر نظری برای یک میدان نظری ممکن است پیشگامانه به نظر نرسد، اما پنجره‌ جدیدی به مکان غیرمنتظره فیزیک ذرات خواهد گشود.

همان‌طور که مکانیک کوانتومی به ما می‌آموزد، ذره، حاصلِ برانگیختگیِ میدان است. به عنوان مثال، فوتون، حاصل برانگیختگیِ میدانِ الکتریکی است. همچنین، بوزون هیگز، ذره‌ای که به تازگی کشف شده حاصل برانگیختگیِ میدانِ هیگز است. تقریبا شبیه موج که نتیجه‌ برآشفتگیِ اقیانوس است. همانطور که می‌توان از رویِ ارتفاعِ موج، اطلاعاتی راجع به عمق آب به دست آورد، جرم یک ذره نیز به میزان قدرتِ میدانِ متناظر با آن بستگی دارد.

انواعِ جدیدِ میدان‌های کوانتومی، اغلب پیشنهاد‌هایی برای گسترشِ مدلِ استانداردِ فیزیک ذرات مطرح می‌کنند. اگر افشردی و نلسون درست گفته باشند و چنین میدان‌هایی که نوسانات آن‌ها انرژیِ کافی برای ایجادِ خمیدگی قابل توجه را داشته باشد، وجود نداشته باشند، احتمال وجود ذرات ناشناخته با جرم بیشتر از 35 ترا الکترون ولت بسیار کم خواهد بود. به نوشته سایت انجمن فیزیک، نویسندگان مقاله پیش‌بینی می‌کنند که اگر ذرات و میدان‌های جدیدی در ارتباط با گسترشِ مدل استاندارد وجود داشته باشند در زیر محدوده‌ ذکر شده قرار خواهند گرفت.

در طول نسل‌ها، فیزیک ذرات پیشرفت بسیار زیادی داشته است: ساختن برخورددهنده‌های قدرتمند و قدرتمند تر برای تولید، سپس ضربه زدن و مطالعه و بررسیِ ذرات سنگین و سنگین‌تر. درست مانند آن است که از طبقه‌ همکف شروع به ساختن کرده‌ایم و هر چه که به طبقات بالاتر می‌رسیم، ذرات بیشتری را کشف می‌کنیم. آنچه که نلسون و افشردی انجام داده‌اند، تنها ابری کردن آسمان است.

در فیزیک ذرات بحث گسترده‌ای پیرامون این موضوع که آیا به تولید شتابدهنده‌های بسیار قدرتمندتر برای جست وجو و بررسی ذراتِ ناشناخته‌ سنگین‌تر نیازمند هستیم یا خیر وجود دارد.

در حال حاضر، قدرتمند‌ترین شتابدهنده‌ جهان، شتابدهنده‌ بزرگ هادرونی با انرژی‌ای از مرتبه‌ 14 ترا الکترون ولت عمل می‌کند و این در حالی است که شتابدهنده‌ فوق سریعِ چین تا پیشنهادِ 100 ترا الکترون ولت نیز پیش رفته است. از آنجایی که ادامه‌ این بحث ناتمام است، نتایج بررسی‌های تحقیقِ جدید می‌تواند به تجربی‌کاران در انتخاب انرژی مطلوب کمک کند که ارتفاع کدام آسمانخراشِ انرژی مناسب‌تر است!

موسسه‌ پریمیتر، بزرگترین موسسه‌ تحقیقاتی فیزیک نظری در جهان به شمار می‌رود که در سال 1999 برای گسترش اکتشافات در فهم بنیادی جهان از کوچکترین ذرات تا کل کیهان تاسیس شد.