یافتن مسیری جدید برای مطالعه ذرات حاوی «کوارک تاپ»

به گزارش ایسنا، گروهی از فیزیکدانان دانشکده فیزیک دانشگاه تهران به سرپرستی دکتر کاظم عزیزی، استاد دانشکده فیزیک دانشگاه تهران، مجموعه‌ای از پژوهش‌های نظری را برای بررسی امکان تشکیل خانواده‌های مختلف هادرون‌های حاوی کوارک تاپ انجام داده‌اند.


این برنامه پژوهشی که نتایج آن در قالب چند مقاله علمی در مجلات معتبر بین‌المللی و پایگاه arxiv منتشر شده است، به‌صورت نظام‌مند و در قالب یک مسیر پژوهشی منسجم، از مطالعه حالت‌های تاپونیوم و باریون‌های سه‌کوارکی گرفته تا بررسی هادرون‌های حاوی دو و یک کوارک تاپ، دنبال شده است.

نخستین گام این برنامه پژوهشی توسط دکتر زهرا رجبی‌نجار (پسادکتری) و دکتر کاظم عزیزی انجام شد. در این مطالعه، جرم حالت‌های شبه‌اسکالر و برداری تاپونیوم و همچنین امکان تشکیل باریون فرضی سه‌کوارکی (Ω_ttt) متشکل از سه کوارک تاپ بررسی شد. این پژوهش که یکی از نخستین مطالعات نظام‌مند درباره چنین سامانه‌های فوق‌سنگینی به شمار می‌رود، در نشریه European Physcal journal C (EPJC) منتشر شد. این مقاله همچنین در پایگاه arxiv با شناسه arXiv:2511.10053 [hep-ph] در دسترس پژوهشگران قرار دارد.

در ادامه این مسیر، پژوهشی درباره هادرون‌های حاوی دو کوارک تاپ با همکاری دکتر شکاری طوسی ( پسا دکتری) و دکتر کاظم عزیزی انجام شد. در این مطالعه، ویژگی‌های جرمی این خانواده از ذرات فرضی با استفاده از روش‌های نظری فیزیک ذرات بررسی شد و نتایج آن درنشریه International Journal of Theoretical Physics منتشر شده است. این مقاله همچنین در پایگاه arxiv با شناسه arxiv:2601.11985 [hep-ph] در دسترس پژوهشگران قرار دارد.

تازه‌ترین مرحله این برنامه پژوهشی به بررسی هادرون‌های حاوی یک کوارک تاپ اختصاص دارد که با همکاری دکتر زهرا رجبی نجار( پسا دکتری) ، دکتر معصومه احمدی ( پسا دکتری) و دکتر کاظم عزیزی انجام شده است. در این پژوهش، برای نخستین‌بار جرم طیف گسترده‌ای از هادرون‌های فرضی حاوی یک کوارک تاپ، شامل باریون‌ها و مزون‌های مختلف، با استفاده از روش «قواعد جمع کرومودینامیک کوانتومی» (QCD Sum Rules) محاسبه شده است. نتایج این مطالعه در نشریه Annals of Physics منتشر شده است. این مقاله همچنین در پایگاه arxiv با شناسه arXiv:2605.00748 [hep-ph] در دسترس پژوهشگران قرار دارد.

نتایج این مطالعات نشان می‌دهد که برخی از هادرون‌های حاوی کوارک تاپ ممکن است به صورت حالت‌های سست‌بند (W eakly Bound States) تشکیل شوند؛ پدیده‌ای که می‌تواند اطلاعات تازه‌ای درباره رفتار برهم‌کنش قوی در مقیاس‌های جرمی بی‌سابقه فراهم کند.

همچنین این پیش‌بینی‌های نظری می‌توانند به‌عنوان معیارهایی دقیق برای جست‌وجوی تجربی این ذرات در شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی (LHC) و تأسیسات نسل آینده مانند Future Circular Collider (FCC) مورد استفاده قرار گیرند.

دکتر کاظم عزیزی درباره اهمیت این مجموعه پژوهش‌ها گفت: «طول عمر بسیار کوتاه کوارک تاپ، همواره یکی از مهم‌ترین چالش‌ها برای امکان تشکیل هادرون‌های حاوی این کوارک بوده است. با این حال، نتایج تجربی و نظری اخیر نشان می‌دهند که بررسی دقیق این سامانه‌ها ضروری است. هدف این پژوهش‌ها ارائه پیش‌بینی‌های نظری دقیق برای خانواده‌های مختلف هادرون‌های حاوی کوارک تاپ و فراهم کردن زمینه برای جست‌وجوی تجربی آن‌ها در شتاب‌دهنده‌های کنونی و آینده است».

وی با اشاره به کاربردهای این پژوهش خاطرنشان کرد: «این پیش‌بینی‌ها می‌توانند به جست‌وجوهای آینده در شتاب‌دهنده LHC کمک کرده و مسیر را برای تحلیل‌های حساسیت‌پذیر در تأسیسات نسل‌بعدی مانند FCC هموار سازند».

این مجموعه مطالعات، که به‌صورت پیوسته و در قالب یک برنامه پژوهشی منسجم انجام شده‌اند، تصویری جامع از امکان تشکیل هادرون‌های حاوی کوارک تاپ ارائه می‌دهند و گامی مهم در شناخت رفتار سنگین‌ترین کوارک شناخته‌شده، بررسی دینامیک برهم‌کنش قوی و آزمون مرزهای مدل استاندارد فیزیک ذرات به شمار می‌روند.

برای دهه‌ها، یکی از پرسش‌های جذاب و بنیادین فیزیک ذرات این بود که آیا «کوارک تاپ» (Top Quark)، سنگین‌ترین ذره بنیادی شناخته‌شده در طبیعت، می‌تواند پیش از واپاشی با سایر کوارک‌ها ترکیب شده و ذره‌ای مرکب موسوم به «هادرون» تشکیل دهد.

به نقل از روابط عمومی دانشگاه تهران، کوارک‌ها از بنیادی‌ترین اجزای سازنده ماده هستند و پروتون‌ها و نوترون‌های هسته اتم نیز از کنار هم قرار گرفتن آن‌ها ساخته شده‌اند. در میان شش نوع کوارک شناخته‌شده، کوارک تاپ با جرمی حدود ۱۷۳ گیگاالکترون‌ولت، سنگین‌ترین عضو این خانواده است، اما ویژگی منحصربه‌فرد آن تنها جرم بسیار زیادش نیست؛ بلکه طول عمر فوق‌العاده کوتاه آن، در حدود ۵×〖۱۰〗^(-۲۵) ثانیه، است. این زمان حتی از مقیاس زمانی لازم برای «هادرونی‌شدن» (Hadronization) نیز کوتاه‌تر است. ازاین‌رو، برای سال‌ها تصور می‌شد که کوارک تاپ پیش از آنکه فرصت ترکیب با سایر کوارک‌ها و تشکیل یک هادرون را پیدا کند، واپاشی می‌شود.

این طول عمر کوتاه، مبنای این دیدگاه بود که حالت‌های مقیدی مانند «تاپونیوم» (Toponium)، یعنی سامانه‌ای متشکل از یک کوارک تاپ و یک پادکوارک تاپ، نمی‌توانند تشکیل شوند؛ دیدگاهی که حتی در بسیاری از منابع و کتاب‌های مرجع فیزیک ذرات نیز مطرح شده بود. همین ترکیب منحصربه‌فرد جرم بسیار زیاد و طول عمر بسیار کوتاه، کوارک تاپ را طی چند دهه گذشته به یکی از مهم‌ترین موضوعات پژوهش در حوزه فیزیک ذرات و جست‌وجوی پدیده‌های فراتر از مدل استاندارد تبدیل کرده است.

*