سپیده دم فیزیک ؛ آن سوى مدل استاندارد

 

دوره اى جدید در فیزیک ذرات، به وسیله مشاهده ذرات ابرتقارنى در برخورددهنده تواترون (Tevatron)  در آزمایشگاه شتاب دهنده ملى فرمى (Fermi National Accelerator Laboratory)  در باتاویاى ایلینویز آغاز خواهد شد. یک کوارک و یک پاد کوارک (قرمز و آبى) مستقیم به هم برخورد مى کنند تا دو ذره ابرتقارنى سنگین (کهربایى) روشنى شکل بگیرند. آنها به ذرات W و Z نارنجى) و دو ذره ابرتقارنى سبک تر (کهربایى تیره) تبدیل مى شوند. ذرات W و Z  نیز به یک الکترون، یک پادالکترون و یک میوآن (muon) ( همه به رنگ سبز) که قابل مشاهده هستند و همچنین یک پادنوترینوى مشاهده ناپذیر (خاکسترى) تبدیل مى شوند.

مدل استاندارد فیزیک ذرات در مرحله مهمى از تاریخچه خود قرار دارد؛ هم در اوج موفقیت و هم در مرز تحول. قرن ها بعد از آغاز تحقیق روى بخش هاى بنیادى که زیبایى و پیچیدگى جهان را مى سازند، امروزه به نتیجه شگفت ا نگیز و ساده اى رسیده ایم ؛ فقط شش ذره: الکترون، کوارک هاى بالا و پائین، گلوئون (gluon)،  فوتون و بوزون هیگز. براى توضیح همه پدیده هایى که فیزیکدانان ذرات بنیادى مى  دانند اضافه کردن یازده ذره دیگر به جمع ذرات گفته شده کافى است. [به قاب سمت چپ نگاه کنید] اینها تصوراتى شبیه تصورات یونانیان قدیم نیست که مى گفتند جهان از چهار عنصر خاک، هوا، آب و آتش تشکیل شده است. بلکه این نتایج از پیچیده ترین نظریه ریاضى در مورد طبیعت در طول تاریخ یعنى مدل استاندارد فیزیک ذرات حاصل شده است، به رغم معنى کلمه مدل، مدل اسصتاندارد یک نظریه کامل براى شرح ذرات پایه و توضیح برهم کنش آنها است. همه آنچه در دنیاى ما رخ مى دهد (به جز اثرهاى گرانشى) قابل بیان با قوانین و معادلات مدل استاندارد است..
مدل استاندارد در دهه ۱۹۷۰ فرمول بندى شد و در اوایل دهه ۱۹۸۰ آزمایش ها به طور نسبى درست بودن آن را نشان دادند. نزدیک به سه دهه آزمایش هاى دقیق و موشکافانه نظریه را آزموده اند و تائید کرده اند که همه پیش بینى هاى نظریه درست است. از یک سو این موفقیت ارزشمند است زیرا تائید مى کند (در عمیق ترین سطح اش تاکنون) که ما واقعاً چگونگى کارکرد طبیعت را درک مى کنیم. از سوى دیگر این موفقیت دلسردکننده است. قبل از پیدایش مدل استاندارد، فیزیکدان ها براى نظریه جدید منتظر کشف ذرات جدید یا نشانه هاى جدید در مشاهدات تجربى بودند، قبل از اینکه نظریه قبلى قدیمى شود. اما براى مدل استاندارد آنها سى سال منتظر ماندند تا مشاهدات نظریه را تائید کنند.
انتظارها به زودى به سر مى رسد. آزمایشاتى که مى توانند برخوردهایى تولید کنند با انرژى هاى بالاتر از قبل یا با دقت بالاتر براى پدیده هاى خاص بر لبه پیشرو مدل استاندارد قرار دارند. این نتایج مدل استاندارد را باطل نخواهند کرد. بلکه با کشف ذرات جدید و نیروهاى توضیح داده نشده باعث پیشرفت آن خواهند شد. مهم ترین آزمایش توسط برخورد دهنده تواترون (Tevatron)  کاراتر شده شتاب دهنده فرمى (FNAL)  در باتاویاى ایلینویز انجام مى شود که ارائه اطلاعات  (data)  را از سال ۲۰۰۱ آغاز کرده است. این آزمایش قرار است به طور مستقیم ذرات گریزپایى که مدل استاندارد را کامل مى کنند بوزون هیگز) و آنهایى را که توسط نظریه هاى تکامل یافته تر پیش بینى مى شوند ابرهمزادها یا (SuperPartner هاى ذرات شناخته شده) تولید کند.
اطلاعات قابل ملاحظه اى هم از کارخانجات  B  مى رسد، کارخانجات B  برخورددهنده هایى در کالیفرنیا و ژاپن هستند که براى تولید کوارک هاى b  یکى از یازده ذره اضافى) و پادذره آنها طراحى شده اند تا براى بررسى پدیده شکست تقارن CP استفاده شوند. CP) charge- parity) تقارنى مربوط به ذرات و پادذرات است و شکست آن به این معنى است که پادذرات دقیقاً منعکس کننده رفتار ذرات نیستند.
مقدار شکست تقارن  CP  که در آزمایشگاه دیده شده است با مدل استاندارد تطبیق دارد، اما دلایلى وجود دارد که مقادیر بیشترى شکست تقارن CP  قابل تولید است. فیزیک بعد از مدل استاندارد این مقدار شکست اضافى تقارن  CP  را مى تواند تولید کند.

 

 

فیزیکدان ها همچنین خواص دقیق الکتریکى و مغناطیسى ذرات را بررسى مى کنند. مدل استاندارد پیشگویى مى کند که الکترون ها و کوارک ها مانند آهن رباهاى بسیار ریزى با قدرت مشخصى رفتار مى کنند و اینکه رفتار آنها در یک میدان الکتریکى از روى بار الکتریکى آنها کاملاً مشخص مى شود. اغلب بسط هاى مدل استاندارد قدرت مغناطیسى و رفتار الکتریکى پیش بینى  مى کنند که با مدل استاندارد کمى متفاوت است. آزمایش ها جمع آورى اطلاعات را با دقت کافى آغاز کرده اند تا این اثرهاى پیش بینى شده خیلى کوچک را ببینند.
خارج از زمین دانشمندان به دنبال پیدا کردن نوترینوهاى خورشیدى و نوترینوهاى امواج کیهانى هستند. اینها ذرات شبح گونه اى هستند که به ندرت برهم کنش مى کنند و به تازگى جرم دار بودن آنها اثبات شده است. این نتیجه اى بود که توسط نظریه بسط یافته مدل استاندارد پیش بینى شده بود. دور بعدى آزمایش ها شکل نظریه اى را که براى توصیف نوترینوهاى جرم دار مشاهده شده است، روشن خواهد کرد.
به علاوه آزمایش هایى براى مشاهده ذرات مبهم تشکیل دهنده ماده تاریک سرد جهان و بررسى چگونگى واپاشى نوترون با دقت خیلى بالا در راه است. موفقیت در هر یک از برنامه ها نشانه اى براى فیزیک بعد از مدل استاندارد است.
این تحقیق ها فیزیک ذرات را با اطلاعات غنى راهنمایى مى کند. حدود سال ۲۰۰۷ برخورددهنده  هادرونى بزرگ (LHC)  وارد عمل مى شود. این برخورددهنده ابزارى با محیط ۲۷ کیلومتر در سرن (CERN)  در حال ساخت است. سرن آزمایشگاه اروپایى براى فیزیک ذرات نزدیک به جنوا است.  کامل کننده نتایج  LHC  که یک برخورددهنده پوزیترون- الکترون خطى ۳۰ کیلومترى است هم مراحل طراحى را پشت سر مى گذارد.
با توجه به اشارات دیده شده براى فیزیک فراتر از مدل استاندارد خبرهایى به گوش مى رسد مبنى بر اینکه مدل استاندارد غلط است و باید خود را براى دور ریختن اش آماده کنیم، اما این روش درستى نیست.
مثال معادلات ماکسون را در نظر بگیرید. این معادلات اواخر قرن نوزدهم براى توضیح نیروى الکترومغناطیس نوشته شدند. در اوایل قرن بیستم فهمیدیم که براى اندازه هاى اتمى احتیاج به نسخه کوانتومى معادلات ماکسون داریم. بعدها دیدیم که معادلات ماکسون کوانتومى جزیى از معادلات به دست آمده از مدل استاندارد هستند. به هر صورت ما نمى گوییم معادلات ماکسون غلط هستند، آنها گسترش یافته اند. (هنوز هم از آنها براى فناورى هاى الکترونیکى بى شمارى استفاده مى شود.)

• بناى پایدار
به طور مشابه مدل استاندارد نیز ماندگار است. این مدل یک نظریه کامل ریاضیاتى است، یک بناى پیچ درپیچ و بسیار پایدار. این مدل مى تواند یک قسمت از یک بناى بزرگتر باشد، اما اشتباه نیست. هیچ قسمت از این نظریه فرو نخواهد ریخت، مگر اینکه همه ساختار نظریه فرو بریزد. اگر نظریه اشتباه بود، همه آزمایش هاى موفق تصادفى بوده اند. این نظریه براى همیشه برهم کنش هاى قوى، ضعیف و الکترومغناطیس را در دامنه انرژى خودش توضیح خواهد داد. مدل استاندارد به خوبى آزمایش شده است. این مدل وجود بوزون هاى  w و Z،  گلوآن و دو کوارک سنگین تر را پیش بینى کرد (کوارک سحر (افسون) و کوارک بالا. این ذرات پس از ارائه این مدل پیدا شدند که دقیقاً با مشخصات پیشگویى شده همخوانى دارد.دومین آزمایش بزرگ زاویه اختلاط (mixing)  نظریه الکتروضعیف بود. این زاویه متغیرى است که در توصیف برهم کنش هاى ضعیف و الکترومغناطیس  نقش دارد. زاویه اختلاط در هر فرآیند الکتروضعیفى باید مقدار ثابتى داشته باشد. اگر مدل استاندارد غلط بود زاویه اختلاط باید براى یک فرآیند یک مقدار و براى فرآیند دیگر مقدار دیگرى مى داشت.
مشاهده شده است که این زاویه با دقت یک درصد براى همه فرآیندها یکى است. سوم اینکه برخورددهنده بزرگ الکترون- پوزیترون (LEP)  در سرن حدود بیست میلیون بوزون Z  را مشاهده کرده است. همه آنها همان طور که از مدل استاندارد انتظار مى رفت، واپاشى کردند، به طورى که براى هر آزمایش جزئیات انرژى و جهت ذرات خروجى با پیش بینى مدل استاندارد همخوانى داشت. این آزمایش ها، گوشه اى است از آزمون هایى که مدل استاندارد را قویاً تائید کردند.
مدل استاندارد در تالار افتخاراتش ۱۷ ذره و چند متغیر آزاد- مقادیرى مانند جرم ذرات و قدرت برهم کنش ها- دارد این متغیرها مى توانند هر مقدارى داشته باشند و ما فقط با آزمایش مى توانیم مقدار صحیح آنها را تعیین کنیم. گاهى منتقدان متغیرهاى زیاد مدل استاندارد را با نظریه هاى قرون وسطى براى توصیف  مدار سیارات استفاده مى کردند،مقایسه مى کنند. آنها تصور مى کنند مدل استاندارد قدرت پیشگویى محدودى دارد، یا اینکه محتواى دلخواهى دارد و یا اینکه مى تواند فقط با میزان کردن چند مقدار هر چیزى را توضیح دهد.
اما عکس این مسئله صحیح است: یک بار که جرم ها و قدرت هاى برهم کنش در فرآیند اندازه گیرى شدند مقدار آنها براى همه آزمایش ها و براى همه نظریه مشخص شده است و دیگر هیچ تغییرى مجاز نیست. علاوه بر این امروزه شکل دقیق همه معادلات مدل استاندارد توسط نظریه مشخص شده است. همه مقادیر غیر از جرم بوزون هیگز اندازه گیرى شده است. قبل از دستیابى به مدل هاى فراتر از مدل استاندارد، تنها چیزى که مى تواند تغییر کند، دقت اطلاعات ما از مقادیر با توجه به نتایج جدید است و هرچه در این مسیر بیشتر پیشرفت کنیم دستیابى به دقت هاى بیشتر ساده تر که نمى شود، مشکل تر هم مى شود؛ براى اینکه همه اطلاعات تجربى همچنان با یکدیگر سازگار باقى بمانند، مقادیر اندازه گیرى شده باید تا حد بالاترى از دقت با یکدیگر همخوانى داشته باشند.شاید به نظر برسد اضافه کردن ذرات و برهم کنش هاى دیگر براى تقویت مدل استاندارد، آزادى هاى بیشترى ایجاد مى کند اما لزوماً این طور نیست. جذاب ترین گزینه براى پیشرفت مدل استاندارد مدل استاندارد ابرتقارنى حداقل Minimal Supersymme tricSM Standard) (Model= MSSM  است. ابرتقارن به هر ذره اى یک ذره ابرمتناظر (Superpartner)  ابرتقارنى نسبت مى    دهد. در مورد جرم این ذرات ابرتقارنى مطالب کمى مى دانیم، اما برهم کنش هاى آنها توسط ابرتقارن مقید شده اند. هنگامى که جرم ها اندازه گیرى شوند، پیش بینى هاى MSSM  به علت روابط ریاضى ابرتقارن مقیدتر از مدل استاندارد خواهد بود.

• ده معما
اگر کارکرد مدل استاندارد چنین عالى است، چرا باید آن را بسط داد؟ یک نکته مهم در این باره وقتى خود را نشان مى دهد که ما به دنبال هدف قدیمى وحدت نیروهاى طبیعت بگردیم. در مدل استاندارد مى توانیم نیروها را برون یابى کنیم و بپرسیم که رفتار آنها در انرژى هاى بالاتر چگونه است. براى مثال نیروها در دماهاى بسیار بالا- درست لحظاتى بعد از انفجار بزرگ (big bang)-  چگونه بوده اند؟ در انرژى هاى پایین نیروى قوى حدود ۳۰ برابر قوى تر از نیروى ضعیف و بیش از۱۰۰ برابر قوى تر از نیروى الکترومغناطیس است. وقتى برون یابى کنیم متوجه مى شویم که قدرت  این نیروها بسیار به هم نزدیک مى  شود اما هیچ گاه دقیقاً برابر نیست. اگر مدل  استاندارد را به MSSM  بسط دهیم نیروها در انرژى خاصى که بسیار زیاد است دقیقاً یکى مى شوند. قاب صفحه را ببینید. حتى بهتر از این، نیروى گرانشى در انرژى هاى باز هم بالاتر به همان قدرت نیروهاى دیگر مى رسد که نشان دهنده  ارتباط بین نیروهاى مدل استاندارد و نیروى گرانشى است. چنین دستاوردهایى سرنخ هاى مهمى به دست مى  دهد که از MSSM  حمایت مى کند، دلایل دیگر براى لزوم بسط مدل استاندارد از پدیده هایى ناشى مى شود که نمى توان آنها را شرح داد و یا حتى سازگار کرد، از جمله

 

 

مطلوب ترین نظریه براى جانشینى مدل استاندارد مدل استاندارد ابرتقارنى حداقلى است. در این مدل، هر ذره شناخته شده یک ذره ابرهمزاد (Super Partner)  دارد که این دو با ابرتقارن به هم مربوط مى شوند. ذرات به دو دسته تقسیم مى شوند: بوزون ها (مانند ذرات انتقال نیرو) که همگى مى توانند در یک حالت مشابه قرار گیرند و فرمیون ها (مانند کوارک ها و لپتون ها) که نمى توانند حالت هاى مشابه داشته باشند. ذره ابرهمزاد با یک فرمیون همیشه یک نورون است و برعکس.
شاهد غیرمستقیم براى ابرتقارن از برون یابى برهم کنش ها در انرژى هاى زیاد پدید مى آید. در مدل استاندارد، سه نیرو مشابه هستند اما قدرت آنها مساوى نیست. (شکل بالا) وجود ابرهمزاد برون یابى را تغییر مى دهد به صورتى که نیروها در یک انرژى به هم مى رسند. (شکل پایین) این نکته سرنخى است بر اینکه اگر ابرتقارن درست باشد، نیروها وحدت یافته اند.
مشاهده کننده بزرگ ذرات تواترون توسط فیزیکدان هاى آزمایشگاه فرمى بین سال هاى ۱۹۹۶ تا ۲۰۰۰ به روز شده است تا بتواند بوزون هاى هیگز و ابرتقارن را مشاهده کند.

یک - همه نظریه هاى امروزى به طور ضمنى بیان مى کنند که جهان باید حتى در خالى ترین مناطق آن شامل تراکم شدید انرژى باشد. اثرات گرانشى این پدیده که آن را انرژى خلأ مى نامند، یا مى بایست جهان را مدت ها پیش درهم تنیده باشد یا باعث گسترش آن به مقدارى بسیار بیش از اندازه کنونى شده باشد. مدل استاندارد نمى تواند براى فهمیدن این نکته که مسئله ثابت کیهان شناسى نامیده مى شود، کمکى کند.
دو - مدت هاى دراز بر این گمان بوده اند که انبساط عالم بسیار آهسته است، چون مواد تشکیل دهنده جهان تحت جاذبه گرانشى یکدیگر هستند. در حال حاضر ما مى دانیم که گسترش جهان شتاب دار است و آنچه که باعث این شتاب است (و انرژى تاریک نام دارد) در فیزیک مدل استاندارد جایى ندارد.
سه - دلایل بسیار خوبى وجود دارد که در اولین کسرهاى ثانیه از انفجار بزرگ، جهان در مرحله انبساط بسیار سریعى به نام مرحله تورم قرار داشته است. میدان هایى که مى توانسته اند تورم را ایجاد کنند در محدوده مدل استاندارد قرار نمى گیرند.
چهار - اگر جهان با انفجار بزرگ یعنى انفجار مقدار عظیمى انرژى آغاز شده باشد، باید سهم ماده و پادماده در آن مساوى مى بود [تقارن CP].  اما ستاره ها و سحابى ها از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها تشکیل شده اند و نه پادذرات آنها. (پادماده متناظرشان] این ناتقارنى در ماده با مدل استاندارد قابل توجیه نیست.
پنج - حدود یک چهارم جهان ماده تاریک سرد و غیرقابل مشاهده است که خارج از قلمرو ذرات مدل استاندارد قرار دارد.
شش - در مدل استاندارد برهم کنش با میدان هیگز (که به بوزون هیگز مربوط مى شود) باعث جرم دار شدن ذرات مى شود. مدل استاندارد نمى تواند ساختار بسیار خاص برهم کنش هیگز را توضیح دهد.
هفت - تصحیحات کوانتومى به وضوح براى بوزون هیگز جرم  بزرگى را محاسبه مى کنند که نتیجه آن جرم بسیار زیاد براى همه ذرات است. مدل استاندارد نمى تواند از چنین مشکلى اجتناب کند و در نتیجه مشکلات مفهومى مهمى را به وجود مى آورد.
هشت - مدل استاندارد نمى تواند گرانش را دربر گیرد، زیرا ساخت این نیرو با سه نیروى دیگر یکسان نیست.
نه - مقدار جرم کوارک ها و لپتون ها (مثل الکترون نوترینوها) را نمى توان به وسیله مدل استاندارد توجیه کرد.
ده - مدل استاندارد داراى سه فرآیند تولید ذرات است. جهان پیرامون ما فقط از ذرات فرآیند اول پر شده و این فرآیند خودش به تنهایى یک نظریه سازگار ایجاد مى کند. مدل استاندارد هر سه فرآیند را توصیف مى کند، اما نمى تواند توضیح دهد چرا بیشتر از یک فرآیند وجود دارد.
در توضیح این مسائل لازم به ذکر است، وقتى که مى گویم مدل استاندارد نمى تواند پدیده اى را توجیه کند، منظورم این نیست که نظریه تاکنون نتوانسته است آن را توجیه کند، ولى روزى خواهد توانست. بلکه مدل استاندارد بسیار مقید است و هرگز نخواهد توانست پدیده هاى فهرست شده بالا را توضیح دهد. تفسیرهاى محتملى وجود دارد. یکى از دلایلى که توسعه به نظریه ابرتقارن را براى بسیارى از فیزیکدان ها جذاب مى کند، این است که این نظریه مى تواند توضیحى را براى موارد بالا، غیر از مورد دوم و سه تاى آخر ارائه دهد. نظریه ریسمان (که در آن ذرات به جاى موجودات نقطه اى، موجودات یک بعدى بسیار کوچک هستند) سه تاى آخر را توضیح مى دهد. نگاه کنید به پدیده هایى که مدل استاندارد قادر به توضیح آنها نیست، راهنماهایى براى چگونگى توسعه این مدل هستند. اینکه مدل استاندارد نمى تواند به سئوالاتى جواب بدهد، چندان عجیب نیست. هر نظریه موفقى در علم تعداد پاسخ به پرسش ها را افزایش مى دهد ولى هنوز سئوالات بدون پاسخى هم وجود دارند. گذشته از این، بالا رفتن آگاهى سئوالات جدیدى پدید مى آورد که قبلاً قابل بیان نبودند، اما تعداد پرسش هاى بنیادى پاسخ داده نشده کاهش مى یابد.
بعضى از این ده معما نشان دهنده دلیل دیگرى هستند که چرا امروزه فیزیک ذرات به دوران جدیدى وارد مى شود. این مسئله روشن شده است که مسائل مهمى در کیهان شناسى پاسخ هاى خود را در فیزیک ذرات یافته اند و این دو مقوله در «کیهان شناسى ذرات» (Particle cosmology)  در هم ادغام شدند. فقط از روى آموزه هاى کیهان شناختى فهمیدیم که جهان از ماده ساخته شده است (و نه از پادماده) و حدود یک چهارم جهان از ماده تاریک سرد تشکیل شده است. هرگونه درک نظرى از این پدیده ها باید توضیح دهد چگونه آنها طى تحول جهان بعد از انفجار بزرگ پدید آمده اند. اما کیهان شناسى به تنهایى نمى تواند بگوید که چه ذراتى ماده تاریک سرد را به وجود مى آورند، یا چگونه عدم تقارن ماده عملاً به وجود مى آید، یا منشاء تورم چیست. درک بزرگ ترین و کوچک ترین پدیده ها باید با همدیگر امکان پذیر باشد

هیگز

فیزیکدان ها به شدت روى مدل هاى فراتر از مدل استاندارد کار مى کنند تا پاسخ این معماها را بیابند، اما یک مسئله اساسى از خود مدل استاندارد هنوز حل نشده باقى مانده است. این نظریه براى جرم دار کردن لپتون ها، کوارک ها و بوزون هاى W و Z  به میدان هیگز وابسته است در حالى که ذره هیگز هنوز به طور مستقیم دیده نشده است. هیگز اساساً شبیه میدان هاى دیگر نیست. براى فهم این موضوع، میدان الکترومغناطیس را در نظر بگیرید. بارهاى الکتریکى باعث میدان هاى الکترومغناطیس مى شوند. مانند آن میدان هاى الکترومغناطیس در اطراف ما وجود دارد. (کافى است رادیو را روشن کنید تا وجود آنها را احساس کنید) هر ناحیه اى از فضا وقتى که میدان الکترومغناطیسى در آن صفر باشد کمترین مقدار انرژى خود را دارد. میدان صفر در غیاب ذرات باردار حالت طبیعى است. اما شگفت آ ور آن است که مدل استاندارد ایجاب مى کند حالت کمترین انرژى وقتى اتفاق بیفتد که میدان هیگز مقدار غیرصفر داشته باشد. در نتیجه، میدان غیرصفر هیگز دنیا را پر کرده است و ذرات همیشه هنگام عبور از آن با آن برهم کنش مى کنند، گذر ذرات از درون آن میدان مانند حرکت انسان درون آب است. برهم کنش به آنها جرم و اینرسى مى دهد.
بوزون هیگز به موضوع میدان هیگز مربوط مى شود. در مدل استاندارد، از روى اصول اولیه نمى توان جرم ذرات و از جمله جرم خود بوزون هیگز را پیش بینى کرد. با وجود این، با اندازه گیرى متغیرهاى دیگر مى توان جرم این ذرات را اندازه گرفت، همچنان که جرم بوزون هاى  W و Z  و کوارک بالا (top) را به این روش به دست آوردند. آن پیش بینى ها تائید شدند و اطمینان به فیزیک هیگز را افزایش دادند.
فیزیکدان ها چیزهایى در مورد جرم هیگز مى دانند. آزمایشگرها در برخورددهنده LEP  حدود بیست کمیت را که توسط مدل استاندارد به هم مربوط مى شوند، اندازه گرفته اند. هم اکنون همه مقادیر مورد نیاز براى محاسبه پیش بینى آن کمیت ها اندازه گیرى شده اند، به جز جرم بوزون هیگز.
بنابراین این مى توان برعکس کارکرد و از روى اطلاعات به دست آمده پرسید که چه جرمى براى هیگز بیشترین سازگارى را با این بیست کمیت دارد. جواب این است: جرم هیگز کمتر از ۲۰۰ گیگا الکترون ولت (Gev)  است. جرم پروتون حدود Gev 9  و کوارک بالا 174 Gev   است که خود دلیل قاطعى براى وجود هیگز است.) اگر هیگز وجود نداشته باشد و مدل استاندارد اشتباه باشد، ارتباط این بیست کمیت با دقیقاً جرمى خاص براى هیگز اتفاق چشمگیرى است. اطمینان ما وقتى بیشتر مى شود که بدانیم رهیافت مشابهى براى پیش بینى دقیق جرم کوارک بالا  (top)  قبل از مشاهده مستقیم آن طى شده است.
 

LEP  به طور مستقیم در پى ذرات هیگز هم هست اما حداکثر جرم قابل مشاهده در آن Gev 115  است. در بالاترین حدى که  LEP  به آن مى رسد، آزمایش هاى اندکى شامل ذراتى که شبیه بوزون هیگز رفتار مى کنند اتفاق مى افتند اما اطلاعات به دست آمده براى اطمینان از کشف واقعى ذره هیگز کافى نیست. نتایج به دست آمده جرمى بین Gev ۱۱۵ تاGev 200 را براى هیگز پیشنهاد مى کنند.
در حال حاضر LEP  برچیده مى شود تا راه براى ساختن  LHC  که قرار است از سال ۲۰۰۷ جمع آورى اطلاعات را آغاز کند، هموار شود. در این بین جست وجو براى یافتن هیگز در تواترون آزمایشگاه فرمى (Fermilab)  ادامه خواهد داشت. به شکل صفحه* نگاه کنید. اگر تواترون با انرژى و کارایى طراحى شده عمل کند و زمان را به علت مشکلات فنى و مالى از دست ندهد، مى تواند طى دو تا سه سال آینده در مورد وجود هیگز با جرم Gev ۱۱۵ اطمینان حاصل کند. اگر هیگز سنگین تر باشد، براى نشانه اى واضح باید منتظر بود. اگر تواترون طبق برنامه کار کند، روى هم رفته هزار بوزون هیگز تولید خواهد کرد و مى توان آزمایش کرد که آیا بوزون هیگز مانند پیش بینى ها رفتار مى کند یا خیر. LHC  کارخانه بوزون هیگز است، میلیون ها از آن را تولید مى کند و امکان بررسى دقیق آن را فراهم مى سازد. همچنین نظراتى مبنى بر این وجود دارد که ذرات سبک تر متناظر ابرتقارن پیش بینى شده توسط MSSM  جرم هایى به اندازه کافى کوچک دارند که قابل تولید توسط تواترون هستند. تائیدیه مستقیم براى ابرتقارن طى چند سال آینده پدید خواهد آمد. گزینه اصلى براى ماده تاریک سرد جهان سبک ترین ذره ابرتقارنى است و براى اولین بار توسط تواترون به طور مستقیم مشاهده خواهد شد.

LHC  تعداد زیادى از ذرات ابرتقارنى را ایجاد خواهد کرد، اگر وجود داشته باشند و آزمونى براى این مطلب است که آیا ابرتقارن جزیى از طبیعت است یا خیر 

 

نظریه هاى موثر

براى درک عمیق رابطه مدل استاندارد با بقیه فیزیک و بررسى محدودیت و قدرت مدل در مقابله با آن، تفکر روى نظریه هاى موثر، مفید است. یک نظریه موثر توضیحى براى جنبه اى از طبیعت است با ورودى هایى که اصولاً در نظریه اى عمیق تر قابل محاسبه هستند. براى مثال، در فیزیک هسته اى جرم، بار و اسپین پروتون به عنوان ورودى فرض مى شوند. در مدل استاندارد این کمیت ها با توجه به خواص کوارک ها و گلوآن ها محاسبه مى شوند. فیزیک هسته اى یک نظریه موثر براى توصیف هسته است در حالى که مدل استاندارد یک نظریه موثر براى کوارک ها و گلوآن ها است.
از این منظر، هر نظریه موثر یک نظریه ناتمام و همچنین بنیادى است که البته به طور کامل بنیادى نیست. نردبان نظریه هاى موثر تا کجا ادامه پیدا خواهد کرد؟

MSSM  مسائلى را که مدل استاندارد نمى تواند حل کند، حل مى کند، اما هنوز یک نظریه موثر محسوب مى شود، چون آن هم ورودى دارد. شاید این ورودى ها قابل محاسبه با نظریه ریسمان باشند.
حتى از منظر نظریه هاى موثر، فیزیک ذرات موقعیت خاصى دارد. فیزیک ذرات درک ما از طبیعت را افزایش مى دهد تا نقطه اى که نظریه اى بدون ورودى فرمول بندى شود. نظریه ریسمان یا یکى از برادرخوانده هایش شاید بتوانند همه ورودى ها را محاسبه کنند _ نه فقط جرم الکترون و کمیاتى نظیر این بلکه وجود فضازمان و اصول نظریه کوانتوم. اما ما هنوز یک یا دو نظریه موثر داریم که با هدف اصلى فاصله دارند.

 

* Gordon Kane  نظریه پرداز ذرات، استاد فیزیک در دانشگاه میشیگان در آن آربر (Ann Arbor)  است. کارهاى او روى آزمایش و گسترش مدل استاندارد فیزیک ذرات متمرکز است و به ویژه روى مدل فیزیک هیگز و بسط ابرتقارنى مدل استاندارد با توجه به رابطه آزمایش و نظریه  و همچنین رابطه ابرتقارن با فیزیک ذرات و کیهان شناختى کار مى کند. علایق او شامل بازى اسکواش، جست وجو در تاریخ نظریات و پاسخ به اینکه چرا علم در بعضى فرهنگ ها شکوفا شده است و در برخى نه.

www.sciam.com

نقل از سی پی اچ

فرستنده : بهزاد طهماسب زاده