فهرست مطالب
دانشمندان پیدایش ماده از انرژی و پدیده شکست رشته میان کوارک‌ها را با کامپیوتر کوانتومی شبیه‌سازی کردند تا رفتار بنیادی ماده را بررسی کنند.
به گزارش سرویس فیزیک تکناک، دانشمندان با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی توانسته‌اند فرایندی را شبیه‌سازی کنند که در آن انرژی به ایجاد ذرات جدید منجر می‌شود. این دستاورد امکان مطالعه رفتار کوارک‌ها و شکل‌گیری ماده در بنیادی‌ترین سطح را در محیط کنترل‌شده آزمایشگاه فراهم می‌کند.
کوارک‌ها از بنیادی‌ترین ذرات شناخته‌شده طبیعت هستند و پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند. با وجود اهمیت آنها در ساختار ماده، دانشمندان تاکنون نتوانسته‌اند یک کوارک منفرد را به‌طور مستقیم مشاهده کنند. این ذرات به‌تنهایی وجود ندارند و معمولا در قالب جفت، سه‌تایی یا مجموعه‌های بزرگ‌تر ظاهر می‌شوند.
یکی از ویژگی‌های عجیب کوارک‌ها زمانی آشکار می‌شود که پژوهشگران تلاش می‌کنند آنها را از یکدیگر جدا کنند. هرچه دو کوارک بیشتر از یکدیگر فاصله بگیرند، انرژی بیشتری برای جداسازی آنها لازم می‌شود. این انرژی در نهایت می‌تواند به‌اندازه‌ای افزایش یابد که دو کوارک جدید ایجاد شوند.
بیشتر بخوانید: ۶۸ درصد فیزیک‌دانان بیگ‌بنگ را لزوما آغاز جهان نمی‌دانند
شبیه‌سازی پدیده شکست رشته با ۱۳ یون
دانشمندان این فرایند را «شکست رشته» می‌نامند. نیروی هسته‌ای قوی که یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است، کوارک‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. رفتار این نیرو را می‌توان به رشته‌ای کشیده تشبیه کرد که با افزایش فاصله میان دو کوارک، انرژی بیشتری در خود ذخیره می‌کند.
هنگامی که فاصله و انرژی از آستانه مشخصی عبور کنند، این رشته می‌شکند. انرژی متمرکزشده در این فرایند می‌تواند باعث پیدایش دو کوارک جدید شود. به این ترتیب، انرژی عملا به ایجاد ذرات ماده منجر می‌شود.
مطالعه مستقیم این پدیده با تجهیزات آزمایشگاهی موجود بسیار دشوار است. دانشمندان معمولا کوارک‌ها را به‌طور غیرمستقیم و با کمک شتاب‌دهنده‌های بسیار قدرتمند مطالعه می‌کنند. آنها نمی‌توانند دو کوارک را به آرامی از یکدیگر دور کنند و مراحل این فرایند را مستقیما زیر نظر بگیرند.
پژوهشگران مرکز کوانتومی دانشگاه دوک برای حل این مشکل از یک شبیه‌ساز کوانتومی مبتنی بر یون‌های به‌دام‌افتاده استفاده کردند. این شبیه‌ساز از ۱۳ یون تشکیل شده بود که پژوهشگران می‌توانستند رفتار آنها را با استفاده از لیزر تنظیم کنند.
محققان، سیستم را به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی کردند که رفتار مدل شکست رشته را بازسازی کند. سپس آنها نتایج شبیه‌سازی کوانتومی را با یک کامپیوتر معمولی مقایسه کردند و صحت نتایج را تأیید کردند.
بیشتر بخوانید: بازسازی پدیده «صاعقه در بطری» با الهام از آزمایش ۳۵۰ ساله + ویدیو
گامی به سوی شبیه‌سازی‌های فراتر از ابرکامپیوترها
آرینجوی د، نویسنده نخست پژوهش، فعالیت در نقطه تلاقی شبیه‌سازی کوانتومی و فیزیک انرژی بالا را بسیار هیجان‌انگیز توصیف کرد. به گفته او، شبیه‌سازی محصورشدگی کوارک‌ها و شکست رشته در محیط کنترل‌شده آزمایشگاه، مسیرهای جدیدی را برای بررسی رفتار ماده در بنیادی‌ترین سطح باز می‌کند.
پژوهشگران این دستاورد را نخستین گام برای ساخت شبیه‌سازی‌های کوانتومی پیچیده‌تر می‌دانند. هدف نهایی، اجرای شبیه‌سازی‌هایی است که حتی قدرتمندترین ابرکامپیوترهای متعارف نیز قادر به بازسازی آنها نباشند.
پروفسور کریستوفر مونرو نیز معتقد است شبیه‌سازی با کامپیوترهای کوانتومی می‌تواند یکی از بهترین روش‌ها برای بررسی پرسش‌های پیچیده‌ای مانند پیدایش ماده از انرژی باشد. او این قابلیت را در بررسی چنین پرسش‌هایی نزدیک‌ترین گزینه به مشاهده مستقیم شرایط بنیادی شکل‌گیری جهان توصیف کرد.
به گفته مونرو، این یافته‌ها پیشرفتی قابل توجه در علوم کوانتومی محسوب می‌شوند و مسیرهای جدیدی برای شناخت پویایی شکست رشته فراهم می‌کنند. نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Physics منتشر شده است.
