این مقاله در ابتدا در تاریخ منتشر شده است گفتگو. این نشریه مقاله را در اختیار Space.com قرار داد رای کارشناسان: Op-Ed & Insights.
آرون مک گوان، مدرس فیزیک و ستاره شناسی در موسسه فناوری روچستر
اگر از فیزیکدانی مانند من بخواهید توضیح دهد که جهان چگونه کار می کند، پاسخ تنبل من ممکن است این باشد که "این از مدل استاندارد پیروی می کند."
مدل استاندارد، فیزیک بنیادی نحوه عملکرد جهان را توضیح می دهد. بیش از 50 گردش به دور خورشید را تحمل کرده است، اگرچه فیزیکدانان تجربی دائماً در حال حفاری برای شکاف در پایه های مدل هستند.
او به استثنای معدود این کنترل را با گذراندن یک آزمون آزمایشی پس از یک آزمون آزمایشی با نتایج استثنایی تحمل کرد. اما این مدل بسیار موفق دارای نقص‌های مفهومی است که نشان می‌دهد اطلاعات کمی در مورد نحوه عملکرد جهان وجود دارد.
من یک فیزیکدان نوترینو هستم. نوترینوها سه ذره از 17 ذره اساسی در مدل استاندارد هستند. آنها در هر زمانی از روز از هر فردی روی زمین عبور می کنند. من خواص برهمکنش‌های بین نوترینوها و ذرات طبیعی ماده را مطالعه می‌کنم.
مطالب مرتبط: شبیه سازی عظیم جهان راز نوترینوهای شبح مانند را کشف می کند.
در سال 2021، فیزیکدانان در سراسر جهان مجموعه ای از آزمایشات را برای بررسی مدل استاندارد انجام دادند. تیم ها پارامترهای اساسی مدل را دقیق تر از همیشه اندازه گیری کردند. دیگران پیرامون دانش را بررسی کرده‌اند، جایی که بهترین اندازه‌گیری‌های تجربی کاملاً با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد مطابقت ندارند. در نهایت، گروه‌ها فناوری‌های قدرتمندتری ساختند که مدل را به محدودیت‌های خود برسانند و به طور بالقوه ذرات و میدان‌های جدیدی را کشف کنند. اگر این تلاش ها موفقیت آمیز باشد، می تواند به نظریه کامل تری درباره جهان در آینده منجر شود.
پر کردن سوراخ ها در یک مدل استاندارد
در سال 1897، جی جی تامسون اولین ذره بنیادی، الکترون را کشف کرد که از لوله‌ها و سیم‌های خلاء شیشه‌ای استفاده نمی‌کرد. با گذشت بیش از 100 سال، فیزیکدانان هنوز در حال کشف بخش های جدیدی از مدل استاندارد هستند.
مدل استاندارد یک چارچوب پیش بینی است که دو کار را انجام می دهد. ابتدا توضیح می دهد که ذرات اساسی ماده چیست. اینها چیزهایی مانند الکترون ها و کوارک ها هستند که پروتون ها و نوترون ها را می سازند. دوم، او پیش‌بینی می‌کند که چگونه این ذرات ماده با استفاده از «ذرات پیام‌رسان» با یکدیگر تعامل دارند. آنها بوزون نامیده می شوند - آنها شامل فوتون ها و بوزون معروف هیگز هستند - و نیروهای اساسی طبیعت را با هم ارتباط برقرار می کنند. بوزون هیگز پس از چندین دهه کار در سرن، بزرگترین برخورد دهنده ذرات در اروپا، تا سال 2012 کشف نشد.
مدل استاندارد در پیش‌بینی بسیاری از جنبه‌های چگونگی کارکرد جهان فوق‌العاده خوب است، اما حفره‌هایی وجود دارد.
به ویژه، هیچ توصیفی از گرانش ندارد. در حالی که نظریه نسبیت عام اینشتین نحوه عملکرد گرانش را توصیف می کند، فیزیکدانان هنوز ذره ای را کشف نکرده اند که نیروی گرانش را منتقل کند. یک "نظریه همه چیز" مناسب هر کاری را که مدل استاندارد می تواند انجام دهد، انجام می دهد، اما همچنین شامل ذرات پیام رسان است که نحوه برهمکنش گرانش با ذرات دیگر را به اطلاع می رساند.
کار دیگری که مدل استاندارد نمی تواند انجام دهد این است که توضیح دهد چرا یک ذره جرم خاصی دارد - فیزیکدانان باید جرم ذرات را مستقیماً با استفاده از آزمایش اندازه گیری کنند. تنها پس از اینکه آزمایش‌ها این جرم‌ها را به فیزیکدانان دادند، می‌توان از آنها برای پیش‌بینی استفاده کرد. هر چه اندازه گیری ها بهتر باشد، پیش بینی های بهتری می توان انجام داد.
اخیراً، فیزیکدانان تیمی در سرن میزان قدرت بوزون هیگز را اندازه گیری کردند. گروه دیگری از سرن نیز در حال اندازه گیری جرم بوزون هیگز با دقت بیشتری از همیشه هستند. در نهایت، پیشرفت هایی در اندازه گیری جرم نوترینو وجود دارد. فیزیکدانان می دانند که جرم نوترینوها بیشتر از صفر است، اما کمتر از مقداری که در حال حاضر شناسایی شده است. تیمی در آلمان به اصلاح تکنیک هایی که می تواند به آنها امکان اندازه گیری مستقیم جرم نوترینو را بدهد، ادامه داده است.
نکاتی از نیروها یا ذرات جدید
در آوریل 2021، اعضای آزمایش Muon g-2 در Fermilab اولین اندازه گیری خود را از گشتاور مغناطیسی میون اعلام کردند. میون یکی از ذرات اصلی در مدل استاندارد است و این اندازه گیری یکی از خواص آن دقیق ترین تا به امروز است. دلیل اهمیت این آزمایش این است که اندازه گیری به طور کامل با پیش بینی مدل استاندارد برای گشتاور مغناطیسی مطابقت ندارد. به طور کلی، میون ها به درستی رفتار نمی کنند. این یافته ممکن است به ذرات کشف نشده ای اشاره کند که با میون ها تعامل دارند.
اما در همان زمان، 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 آزمایشی میون منطبق است.
اختلاف بین پیش‌بینی‌های پذیرفته‌شده قبلی، این نتیجه جدید، و پیش‌بینی جدید باید قبل از اینکه فیزیکدانان بتوانند تشخیص دهند که آیا نتیجه آزمایش واقعاً خارج از مدل استاندارد است، تطبیق داده شود.
فیزیکدانان باید بین ایجاد ایده‌های گیج‌کننده درباره واقعیت که نظریه‌ها را می‌سازند و پیشرفت فناوری تا جایی که آزمایش‌های جدید بتوانند آن نظریه‌ها را آزمایش کنند، در نوسان باشند. سال 2021 سال خوبی برای تکمیل ابزارهای آزمایشی فیزیک بود.
نخست، بزرگترین شتاب‌دهنده ذرات جهان، برخورددهنده بزرگ هادرون در سرن، تعطیل شد و دستخوش برخی بهبودهای چشمگیر شد. فیزیکدانان به تازگی تاسیسات را در اکتبر راه اندازی مجدد کرده اند و قصد دارند جمع آوری داده های بعدی را در ماه مه 2022 آغاز کنند. ارتقاء قدرت برخورد دهنده را افزایش داده است به طوری که می تواند برخوردهایی را در 14 TeV ایجاد کند، در مقایسه با محدودیت قبلی 13 TeV. این بدان معناست که دسته‌هایی از پروتون‌های کوچک که در پرتوهای اطراف شتاب‌دهنده دایره‌ای حرکت می‌کنند، انرژی یکسانی را با یک قطار مسافری 800000 پوندی (360000 کیلوگرمی) حمل می‌کنند که با سرعت 100 مایل در ساعت (160 کیلومتر در ساعت) حرکت می‌کند. در این انرژی‌های باورنکردنی، فیزیکدانان می‌توانند ذرات جدیدی را کشف کنند که آنقدر سنگین هستند که در انرژی‌های پایین‌تر دیده نمی‌شوند.
برخی دیگر از پیشرفت‌های فناوری برای پشتیبانی از جستجوی ماده تاریک انجام شده است. بسیاری از اخترفیزیکدانان بر این باورند که ذرات ماده تاریک که در حال حاضر در مدل استاندارد قرار نمی‌گیرند، ممکن است به برخی سؤالات حل نشده درباره نحوه خمش گرانش به دور ستاره‌ها - به نام عدسی‌های گرانشی - و سرعت حرکت ستاره‌ها پاسخ دهند. پروژه‌هایی مانند جستجوی برودتی برای ماده تاریک هنوز ذرات ماده تاریک را پیدا نکرده‌اند، اما تیم‌ها در حال توسعه آشکارسازهای بزرگ‌تر و حساس‌تر هستند تا در آینده نزدیک به کار گرفته شوند.
به ویژه برای کار من با نوترینوها، توسعه آشکارسازهای جدید عظیمی مانند Hyper-Kamiokande و DUNE است. با استفاده از این آشکارسازها، دانشمندان امیدوارند بتوانند به سوالاتی در مورد عدم تقارن اساسی در نحوه نوسان نوترینوها پاسخ دهند. آنها همچنین برای نظارت بر واپاشی پروتون، یک پدیده پیشنهادی که برخی نظریه ها می گویند باید اتفاق بیفتد، استفاده خواهند شد.
2021 برخی از راه‌هایی را که در آن مدل استاندارد در توضیح هر رمز و راز در جهان شکست می‌خورد، برجسته کرد. اما اندازه‌گیری‌های جدید و فناوری‌های جدید به فیزیکدانان کمک می‌کنند تا در جستجوی نظریه همه چیز به جلو حرکت کنند.
این مقاله توسط The Conversation با مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.
تمام سوالات و بحث های Expert Voices را دنبال کنید - و بخشی از بحث شوید - در فیس بوک و توییتر. نظرات بیان شده متعلق به نویسنده است و لزوماً منعکس کننده نظرات ناشر نیست.