چه چیزی فراتر از مدل استاندارد نهفته است؟

فیزیکدانان چیزهای زیادی در مورد اساسی ترین ویژگی های جهان می دانند، اما مطمئناً همه چیز را نمی دانند. سال 2021 سال بزرگی برای فیزیک بود – چه چیزی آموخته شد و چه چیزی در آینده در راه است؟

برخورد دهنده بزرگ هادرونی در اروپا

ماکسیمیلیان بریس، سرن

اگر از فیزیکدانی مانند من بخواهید توضیح دهد که جهان چگونه کار می‌کند، پاسخ من ممکن است این باشد: “از مدل استاندارد پیروی می‌کند.”

مدل استاندارد، فیزیک بنیادی نحوه عملکرد جهان را توضیح می‌دهد. علیرغم اینکه فیزیکدانان تجربی دائماً برای یافتن شکاف در پایه‌های مدل جستجو می‌کنند، بیش از 50 سفر به دور خورشید را تحمل کرده است.

به جز چند استثنا، در برابر این موشکافی ایستادگی کرده است و آزمون آزمایشی را پشت سر گذاشته است. اما این مدل بسیار موفق دارای شکاف‌های مفهومی است که نشان می‌دهد باید در مورد نحوه عملکرد کیهان چیزهای بیشتری آموخت.

من یک فیزیکدان نوترینو هستم. نوترینوها نشان دهنده سه ذره از 17 ذره اساسی در مدل استاندارد هستند. آنها در تمام ساعات روز توسط هر فرد روی زمین عبور می‌کنند. من خواص برهمکنش بین نوترینوها و ذرات ماده عادی را مطالعه می‌کنم.

در سال 2021، فیزیکدانان در سراسر جهان تعدادی آزمایش را انجام دادند که مدل استاندارد را بررسی کردند. تیم‌ها پارامترهای اساسی مدل را دقیق‌تر از همیشه اندازه گیری کردند. دیگران حواشیرا بررسی کردند که بهترین اندازه‌گیری‌های تجربی کاملاً با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد مطابقت ندارد و در نهایت، گروه‌ها فناوری‌های قدرتمندتری ساختند که مدل را به محدودیت‌های خود برسانند و ذرات و میدان‌های جدید را کشف کنند. اگر این تلاش‌ها به نتیجه برسند، می‌توانند به نظریه کامل‌تری درباره جهان در آینده منجر شوند.

مدل استاندارد فیزیک به دانشمندان این امکان را می‌دهد که پیش‌بینی‌های فوق‌العاده دقیقی در مورد نحوه عملکرد جهان انجام دهند، اما همه چیز را توضیح نمی‌دهد.

پر کردن حفره‌ها در مدل استاندارد

در سال 1897، جی.جی. تامسون اولین ذره بنیادی، الکترون را کشف کرد. با گذشت بیش از 100 سال، فیزیکدانان هنوز در حال کشف قطعات جدیدی از مدل استاندارد هستند.

مدل استاندارد یک چارچوب پیش‌بینی شده است که دو کار را انجام می‌دهد. ابتدا توضیح می‌دهد که ذرات اساسی ماده چیست. اینها چیزهایی مانند الکترون‌ها و کوارک‌هایی هستند که پروتون‌ها و نوترون‌ها را می‌سازند. دوم، نحوه تعامل این ذرات ماده با یکدیگر را با استفاده از «ذرات پیام‌رسان» پیش‌بینی می‌کند. اینها بوزون نامیده می‌شوند – آنها شامل فوتون‌ها و بوزون معروف هیگز هستند – و نیروهای اساسی طبیعت را با هم مرتبط می‌کنند. بوزون هیگز تا سال 2012 پس از چندین دهه کار در سرن، برخورد دهنده بزرگ ذرات در اروپا، کشف نشد.

مدل استاندارد در پیش‌بینی بسیاری از جنبه‌های چگونگی کارکرد جهان فوق‌العاده خوب است، اما حفره‌هایی دارد.

قابل ذکر است که هیچ توصیفی از گرانش ندارد. در حالی که نظریه نسبیت عام انیشتین نحوه عملکرد گرانش را توصیف می‌کند، فیزیکدانان هنوز ذره‌ای را کشف نکرده‌اند که نیروی گرانش را منتقل کند. “نظریه همه چیز” مناسب هر کاری است که مدل استاندارد می‌تواند انجام دهد، اما همچنین شامل ذرات پیام‌رسان است که نحوه برهمکنش گرانش با ذرات دیگر را به اطلاع می‌رساند.

کار دیگری که مدل استاندارد نمی‌تواند انجام دهد این است که توضیح دهد چرا هر ذره جرم خاصی دارد – فیزیکدانان باید جرم ذرات را مستقیماً با استفاده از آزمایش اندازه‌گیری کنند. تنها پس از اینکه آزمایش‌ها این جرم‌ها را به فیزیکدانان دادند، می‌توان از آن‌ها برای پیش‌بینی استفاده کرد. هر چه اندازه‌گیری ها بهتر باشد، پیش‌بینی‌های بهتری می‌توان انجام داد.

اخیراً، فیزیکدانان تیمی در سرن اندازه‌گیری کردند که بوزون هیگز چقدر قوی است. گروه دیگری از سرن نیز جرم بوزون هیگز را دقیق‌تر از همیشه اندازه‌گیری کردند و در نهایت، در اندازه گیری جرم نوترینوها نیز پیشرفت‌هایی حاصل شد. فیزیکدانان می‌دانند که نوترینوها جرمی بیش از صفر دارند اما کمتر از مقداری که در حال حاضر قابل تشخیص هستند. تیمی در آلمان به اصلاح تکنیک‌هایی که می‌تواند به آنها امکان اندازه‌گیری مستقیم جرم نوترینوها را بدهد، ادامه داده است.

پروژه‌هایی مانند آزمایش Muon g-2 تفاوت‌های بین اندازه‌گیری‌های تجربی و پیش‌بینی‌های مدل استاندارد را برجسته می‌کنند که به مشکلاتی در جایی در فیزیک اشاره می‌کند.

Reidar Hahn/WikimediaCommons، CC BY-SA

نکاتی از نیروها یا ذرات جدید

در آوریل 2021، اعضای آزمایش Muon g-2 در فرمی‌لب اولین اندازه‌گیری خود را از گشتاور مغناطیسی میون اعلام کردند. میون یکی از ذرات بنیادی در مدل استاندارد است. دلیل اهمیت این آزمایش این بود که اندازه‌گیری کاملاً با پیش‌بینی مدل استاندارد گشتاور مغناطیسی مطابقت نداشت. اساسا، میون‌ها آنطور که باید رفتار نمی‌کنند. این یافته می‌تواند به ذرات کشف نشده‌ای اشاره کند که با میون‌ها تعامل دارند.

اما به طور همزمان، در آوریل 2021، فیزیکدان زولتان فودور و همکارانش نشان دادند که چگونه از یک روش ریاضی به نام شبکه QCD برای محاسبه دقیق گشتاور مغناطیسی میون استفاده کردند. پیش‌بینی نظری آنها با پیش‌بینی‌های قدیمی متفاوت است، هنوز در مدل استاندارد کار می‌کند و مهمتر از همه، با اندازه‌گیری‌های تجربی میون مطابقت دارد.

اختلاف بین پیش‌بینی‌های پذیرفته‌شده قبلی، این نتیجه و پیش‌بینی جدید باید قبل از اینکه فیزیکدانان بدانند آیا نتیجه آزمایش واقعاً فراتر از مدل استاندارد است یا خیر، آشتی داده شود.

ابزارهای جدید به فیزیکدانان کمک می‌کند تا ماده تاریک و چیزهای دیگری را جستجو کنند که می‌توانند به توضیح اسرار جهان کمک کنند. مارک گارلیک/کتابخانه عکس علمی توسط گتی ایماژ

ارتقاء ابزارهای فیزیک

فیزیکدانان باید بین ایجاد ایده‌های خارق‌العاده درباره واقعیت که نظریه‌ها را می‌سازند و فناوری‌های پیشرفته تا جایی در تعادل باشند که آزمایش‌های جدید بتوانند آن نظریه‌ها را آزمایش کنند. سال 2021 سال بزرگی برای پیشرفت ابزارهای آزمایشی فیزیک بود.

نخست، بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده ذرات جهان، برخورددهنده بزرگ هادرونی در سرن، تعطیل شد و تحت برخی ارتقاءهای اساسی قرار گرفت. فیزیکدانان به تازگی تاسیسات را در اکتبر راه‌اندازی مجدد کردند و قصد دارند مجموعه بعدی داده‌های جمع‌آوری شده را در ماه می 2022 آغاز کنند. به روزرسانی‌ها قدرت برخورد دهنده را افزایش داده است به طوری که می‌تواند برخوردهایی را در 14 TeV  را بیشتر از حد قبلی 13 TeV ایجاد کند. این بدان معناست که دسته‌ای از پروتون‌های ریز که به صورت پرتوهایی در اطراف شتاب‌دهنده دایره‌ای حرکت می‌کنند، همان انرژی را حمل می‌کنند که یک قطار مسافری 800000 پوندی (360000 کیلوگرمی) که با سرعت 100 مایل در ساعت (160 کیلومتر در ساعت) حرکت می‌کند. در این انرژی‌های باورنکردنی، فیزیکدانان ممکن است ذرات جدیدی را کشف کنند که برای دیدن در انرژی‌های پایین‌تر بسیار سنگین بودند.

برخی دیگر از پیشرفت‌های فناوری برای کمک به جستجوی ماده تاریک انجام شد. بسیاری از اخترفیزیکدانان بر این باورند که ذرات ماده تاریک، که در حال حاضر با مدل استاندارد مطابقت ندارند، می‌توانند به برخی سؤالات مشهور در مورد نحوه خمش گرانش به دور ستاره‌ها – به نام عدسی گرانشی – و همچنین سرعت چرخش ستاره‌ها در کهکشان‌های مارپیچی پاسخ دهند. پروژه‌هایی مانند جستجوی ماده تاریک برودتی هنوز نتوانسته‌اند ذرات ماده تاریک را پیدا کنند، اما تیم‌ها در حال توسعه آشکارسازهای بزرگ‌تر و حساستر هستند تا در آینده نزدیک به کار گرفته شوند.

به ویژه توسعه آشکارسازهای جدید عظیمی مانند Hyper-Kamiokande و DUNE مرتبط با کار من با نوترینوها است. با استفاده از این آشکارسازها، دانشمندان امیدوارند بتوانند به سؤالات مربوط به عدم تقارن اساسی در نحوه نوسان نوترینوها پاسخ دهند. آنها همچنین برای مشاهده واپاشی پروتون استفاده خواهند شد، پدیده‌ای پیشنهادی باید رخ دهد که تئوری‌های خاصی پیش‌بینی می‌کنند.

در سال 2021 برخی از راه‌هایی را که مدل استاندارد در توضیح هر رمز و راز جهان شکست می‌خورد، مشخص کرد. اما اندازه‌گیری‌های جدید و فناوری جدید به فیزیکدانان کمک می‌کند تا در جستجوی نظریه همه چیز به جلو حرکت کنند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

What lies beyond the Standard Model?

By Aaron Mcgowan The Conversation  |  Published: Tuesday, December 28, 2021

https://astronomy.com/news/2021/12/what-lies-beyond-the-standard-model