شاید مدرک وجود نیروی کوچک بلندبرد میان دو اسپین در فواصل طولانی، در آهن مغناطیده زیر سطح زمین پنهان شده باشد. این نتیجه مطالعه جدیدی از فیزیکدانان آمریکایی است که ذخایر عظیم الکترون‌های قطبیده زمین را برای گذاشتن حدود دقیق بر وجود برهمکنش تبادلی توسط موجوداتی غیرمعمولی به نام «ناذره» (unparticle) گذارده‌اند.
تکانه زاویه‌ای ذاتی یا «اسپین» یک ذره به آن گشتاور مغناطیسی می‌دهد و برهمکنش بین اسپین‌ها تولید مغناطیس می‌نماید. یک فرومغناطیس مانند آهن وقتی مغناطیده می‌شود که اسپین‌های بعضی الکترون‌ها همخط شوند در حالی که مکانیک کوانتومی می‌گوید نیروی مغناطیسی بین اسپین‌ها ناشی از تبادل فوتون‌های «مجازی» میان الکترون‌ها است.
بعضی از فیزیکدانان نظری پیشنهاد کرده‌اند شاید ذرات هنوز کشف نشده‌ای وجود داشته باشند که به شکل مجازی مبادله می‌شوند و منجر به نوع جدیدی از برهمکنش اسپین-اسپین می‌شوند. مثلا در سال ۲۰۰۷، هوارد جورجی (Howard Georgi) از دانشگاه هاروارد وجود ناذراتی را پیشنهاد کرد که ویژگی غیرعادی دارند: جرم آن‌ها با انرژی یا تکانه متناسب می‌شود.
جستجو در آزمایشگاه!
تا امروز، فیزیکدانان با استفاده از منابع آزمایشگاهی ذراتی با اسپین قطبیده به دنبال چنین برهمکنش‌هایی بوده‌اند – ایده آن‌ها نظارت بر تغییرات انرژی مربوط به اسپین بوده زیرا قطبش آن‌ها نسبت به اسپین ذرات درون آشکارساز منتقل می‌شود. تاکنون چنین آزمایش‌هایی دست خالی مانده‌اند اما پژوهشگران دستگاه‌های خود را حساس‌تر می‌کنند تا مرتبا شدت بیشینه چنین نیرویی را کاهش دهند.
لری هانتر (Larry Hunter) و همکارانش در کالج امهرست-ماساچوست به همراه جانگ-فو لین (Jung-Fu Lin) از دانشگاه تگزاس-آستین به جای ابزار آزمایشگاهی از زمین به عنوان منبع اسپین قطبیده استفاده می‌کنند. ایده این است: استفاده از اسپین الکترون‌های جفت‌نشده در آهن پوسته زمین که با میدان مغناطیسی زمین همخط شده‌اند. یکی از نواقص این رویکرد آن است که که این اسپین‌ها هزاران کیلومتر از هر آشکارسازی فاصله دارند، بنابراین برهمکنش آن‌ها حتی از حالت آزمایشگاهی نیز ضعیف تر خواهد بود. اما هانتر و همکارانش نشان دادند که این نقص باید بیش از مقداری باشد که با مقدار مطلق اسپین‌های همخط در زمین جبران شود (آن‌ها محاسبه کردند که باید حدود ۱۰۴۲ اسپین وجود داشته باشد) و این واقعیت که بعضی از برهمکنش‌های ارایه شده نسبتا کند افت می‌کنند – متناسب با معکوس فاصله یا مربع آن – در حالی که میدان‌های دوقطبی مغناطیسی با معکب فاصله افت می‌کنند.
آزمایش در یک اسپین
برای عملی کردن روش خود، پژوهشگران می‌توانستند از نتایج سه آزمایش موجود استفاده نمایند. دو مورد از این آزمایش‌ها – یکی در دانشگاه واشنگتن-سیاتل و دیگری در گروه هانتر در امهرست – طراحی شدند تا وابستگی زاویه‌ای کوچک مفروض را برای قوانین فیزیک اندازه بگیرند که به نقض تقارن لورنتس معروف است. این واقعیت که آشکارسازهای این آزمایش بر روی میزهای چرخانی قرار داشتند، آن‌ها را برای اندازه‌گیری برهمکنش بلندبرد با اسپین‌های درون زمین مناسب می‌کرد. قطبش چشمه – زمین – برگشت‌پذیر نیست اما قطبش آشکارساز هست.
پژوهشگران نقشه‌ای از اسپین‌های الکترون قطبیده زمین را بر اساس تغییر دما، جهت و اندازه میدان مغناطیسی و چگالی الکترون جفت‌نشده در زمین ساختند. آن‌ها سپس پتانسیل‌ها را با هر کدام از برهمکنش‌های اسپینی غیرعادی مربوط کردند، حول زمین انتگرال‌گیری کردند و اثر این پتانسیل‌ها را بر آشکارسازهای سیاتل و امهرست بررسی کردند. به این طریق توانستند حد بالای نیروهای مربوط به تبادل ناذره‌ها و همچنین ذراتی به نام بوزون‌های محوری را با ضریب یک میلیون کاهش دهند. هانتر می‌گوید: «در کار اندازه‌گیری‌های دقیق، شاید یک دهه طول بکشد تا حساسیت یک آزمایش یک مرتبه بزرگی بهتر شود، بنابراین با استفاده از چشمه‌های آزمایشگاهی شاید ۶۰ سال برای رسیدن به این حد زمان می‌برد».
تایلند جای بهتری است
هانتر می‌گوید که گروهش می‌تواند حساسیت آزمایش را با تصحیح چند «اثر سیستماتیک»، چندین مرتبه بزرگی دیگر افزایش دهد و باور دارد که گروه رقیبش شاید به حساسیت‌های مشابهی برسد. همچنین اشاره می‌کند که بهبود بیشتر را می‌توان با قراردهی آزمایش‌ها در موقعیت‌های مناسب‌تر انجام داد، مثل میدان مغناطیسی قوی‌تر و همخط‌تر در جنوب تایلند منجر به دوبرابر شدن حساسیت نسبت به آزمایش امهرست می‌شوند.
هانتر می‌افزاید که کشف یک نیروی اسپین-اسپین بلندبرد جدید می‌تواند منجر به نقشه‌نگاری دقیق‌تر غلظت آهن در پوسته پایین‌تر زمین شود زیرا داده‌های کمی از مشاهدات زمین‌شناسی و زمین‌شیمی مرسوم موجود است.
هوشمندانه و خلاقانه!
درک جکسون کیمبال (Derek Jackson Kimball) از دانشگاه ایالتی کالیفرتیا-ایست‌بی؛ این کار را «رویکرد جدید بسیار زیرکانه و خلاقانه‌ای» توصیف می‌کند که «در ادامه پژوهش فعلی برای نیروهای بنیادی جدید طبیعت» است و می‌افزاید: «قطعا چنین آزمایشی برای توسعه نظریات جدید و آزمایش‌هایی که به دنبال فیزیک ورای مدل استاندارد هستند، مفید است.»
اریک آدلبرگر از دانشگاه واشنگتن می‌گوید که وقتی او درباره کار امهرست شنید، «از اندازه بزرگ ادعایی چشمه اسپین زمین شگفت‌زده شد» و درباره ادعای پژوهشگران مشکوک بود. اما می‌گوید نظرش را بعد از خواندن دقیق پژوهش عوض کرد. «کار آن‌ها یک مشارکت واقعی است. اخلاقی نیست که یک واکنش آنی نشان دهید – در مورد این که اثر به اندازه کافی بزرگ باشد – بلکه باید یک محاسبه واقعی انجام داد.»
تکانه زاویه‌ای ذاتی یا «اسپین» یک ذره به آن گشتاور مغناطیسی می‌دهد و برهمکنش بین اسپین‌ها تولید مغناطیس می‌نماید. یک فرومغناطیس مانند آهن وقتی مغناطیده می‌شود که اسپین‌های بعضی الکترون‌ها همخط شوند در حالی که مکانیک کوانتومی می‌گوید نیروی مغناطیسی بین اسپین‌ها ناشی از تبادل فوتون‌های «مجازی» میان الکترون‌ها است.
بعضی از فیزیکدانان نظری پیشنهاد کرده‌اند شاید ذرات هنوز کشف نشده‌ای وجود داشته باشند که به شکل مجازی مبادله می‌شوند و منجر به نوع جدیدی از برهمکنش اسپین-اسپین می‌شوند. مثلا در سال ۲۰۰۷، هوارد جورجی (Howard Georgi) از دانشگاه هاروارد وجود ناذراتی را پیشنهاد کرد که ویژگی غیرعادی دارند: جرم آن‌ها با انرژی یا تکانه متناسب می‌شود.
تا امروز، فیزیکدانان با استفاده از منابع آزمایشگاهی ذراتی با اسپین قطبیده به دنبال چنین برهمکنش‌هایی بوده‌اند – ایده آن‌ها نظارت بر تغییرات انرژی مربوط به اسپین بوده زیرا قطبش آن‌ها نسبت به اسپین ذرات درون آشکارساز منتقل می‌شود. تاکنون چنین آزمایش‌هایی دست خالی مانده‌اند اما پژوهشگران دستگاه‌های خود را حساس‌تر می‌کنند تا مرتبا شدت بیشینه چنین نیرویی را کاهش دهند.
لری هانتر (Larry Hunter) و همکارانش در کالج امهرست-ماساچوست به همراه جانگ-فو لین (Jung-Fu Lin) از دانشگاه تگزاس-آستین به جای ابزار آزمایشگاهی از زمین به عنوان منبع اسپین قطبیده استفاده می‌کنند. ایده این است: استفاده از اسپین الکترون‌های جفت‌نشده در آهن پوسته زمین که با میدان مغناطیسی زمین همخط شده‌اند. یکی از نواقص این رویکرد آن است که که این اسپین‌ها هزاران کیلومتر از هر آشکارسازی فاصله دارند، بنابراین برهمکنش آن‌ها حتی از حالت آزمایشگاهی نیز ضعیف تر خواهد بود. اما هانتر و همکارانش نشان دادند که این نقص باید بیش از مقداری باشد که با مقدار مطلق اسپین‌های همخط در زمین جبران شود (آن‌ها محاسبه کردند که باید حدود ۱۰۴۲ اسپین وجود داشته باشد) و این واقعیت که بعضی از برهمکنش‌های ارایه شده نسبتا کند افت می‌کنند – متناسب با معکوس فاصله یا مربع آن – در حالی که میدان‌های دوقطبی مغناطیسی با معکب فاصله افت می‌کنند.
آزمایش در یک اسپین
برای عملی کردن روش خود، پژوهشگران می‌توانستند از نتایج سه آزمایش موجود استفاده نمایند. دو مورد از این آزمایش‌ها – یکی در دانشگاه واشنگتن-سیاتل و دیگری در گروه هانتر در امهرست – طراحی شدند تا وابستگی زاویه‌ای کوچک مفروض را برای قوانین فیزیک اندازه بگیرند که به نقض تقارن لورنتس معروف است. این واقعیت که آشکارسازهای این آزمایش بر روی میزهای چرخانی قرار داشتند، آن‌ها را برای اندازه‌گیری برهمکنش بلندبرد با اسپین‌های درون زمین مناسب می‌کرد. قطبش چشمه – زمین – برگشت‌پذیر نیست اما قطبش آشکارساز هست.
پژوهشگران نقشه‌ای از اسپین‌های الکترون قطبیده زمین را بر اساس تغییر دما، جهت و اندازه میدان مغناطیسی و چگالی الکترون جفت‌نشده در زمین ساختند. آن‌ها سپس پتانسیل‌ها را با هر کدام از برهمکنش‌های اسپینی غیرعادی مربوط کردند، حول زمین انتگرال‌گیری کردند و اثر این پتانسیل‌ها را بر آشکارسازهای سیاتل و امهرست بررسی کردند. به این طریق توانستند حد بالای نیروهای مربوط به تبادل ناذره‌ها و همچنین ذراتی به نام بوزون‌های محوری را با ضریب یک میلیون کاهش دهند. هانتر می‌گوید: «در کار اندازه‌گیری‌های دقیق، شاید یک دهه طول بکشد تا حساسیت یک آزمایش یک مرتبه بزرگی بهتر شود، بنابراین با استفاده از چشمه‌های آزمایشگاهی شاید ۶۰ سال برای رسیدن به این حد زمان می‌برد».
تایلند جای بهتری است
هانتر می‌گوید که گروهش می‌تواند حساسیت آزمایش را با تصحیح چند «اثر سیستماتیک»، چندین مرتبه بزرگی دیگر افزایش دهد و باور دارد که گروه رقیبش شاید به حساسیت‌های مشابهی برسد. همچنین اشاره می‌کند که بهبود بیشتر را می‌توان با قراردهی آزمایش‌ها در موقعیت‌های مناسب‌تر انجام داد، مثل میدان مغناطیسی قوی‌تر و همخط‌تر در جنوب تایلند منجر به دوبرابر شدن حساسیت نسبت به آزمایش امهرست می‌شوند.
هانتر می‌افزاید که کشف یک نیروی اسپین-اسپین بلندبرد جدید می‌تواند منجر به نقشه‌نگاری دقیق‌تر غلظت آهن در پوسته پایین‌تر زمین شود زیرا داده‌های کمی از مشاهدات زمین‌شناسی و زمین‌شیمی مرسوم موجود است.
هوشمندانه و خلاقانه!
درک جکسون کیمبال (Derek Jackson Kimball) از دانشگاه ایالتی کالیفرتیا-ایست‌بی؛ این کار را «رویکرد جدید بسیار زیرکانه و خلاقانه‌ای» توصیف می‌کند که «در ادامه پژوهش فعلی برای نیروهای بنیادی جدید طبیعت» است و می‌افزاید: «قطعا چنین آزمایشی برای توسعه نظریات جدید و آزمایش‌هایی که به دنبال فیزیک ورای مدل استاندارد هستند، مفید است.»
اریک آدلبرگر از دانشگاه واشنگتن می‌گوید که وقتی او درباره کار امهرست شنید، «از اندازه بزرگ ادعایی چشمه اسپین زمین شگفت‌زده شد» و درباره ادعای پژوهشگران مشکوک بود. اما می‌گوید نظرش را بعد از خواندن دقیق پژوهش عوض کرد. «کار آن‌ها یک مشارکت واقعی است. اخلاقی نیست که یک واکنش آنی نشان دهید – در مورد این که اثر به اندازه کافی بزرگ باشد – بلکه باید یک محاسبه واقعی انجام داد.»
