سپیده دم فیزیک ؛ آن سوی مدل استاندارد

دوره ای جدید در فیزیك ذرات، به وسیله مشاهده ذرات ابرتقارنی در برخورددهنده تواترون (Tevatron) در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی (Fermi National Accelerator Laboratory) در باتاویای ایلینویز آغاز خواهد شد. یك كوارك و یك پاد كوارك (قرمز و آبی) مستقیم به هم برخورد می كنند تا دو ذره ابرتقارنی سنگین (كهربایی) روشنی شكل بگیرند. آنها به ذرات W و Z (نارنجی) و دو ذره ابرتقارنی سبك تر (كهربایی تیره) تبدیل می شوند. ذرات W و Z نیز به یك الكترون، یك پادالكترون و یك میوآن (muon) (همه به رنگ سبز) كه قابل مشاهده هستند و همچنین یك پادنوترینوی مشاهده ناپذیر (خاكستری) تبدیل می شوند.
مدل استاندارد فیزیك ذرات در مرحله مهمی از تاریخچه خود قرار دارد؛ هم در اوج موفقیت و هم در مرز تحول.
قرن ها بعد از آغاز تحقیق روی بخش های بنیادی كه زیبایی و پیچیدگی جهان را می سازند، امروزه به نتیجه شگفت ا نگیز و ساده ای رسیده ایم ؛ فقط شش ذره: الكترون، كوارك های بالا و پائین، گلوئون (gluon)، فوتون و بوزون هیگز. برای توضیح همه پدیده هایی كه فیزیكدانان ذرات بنیادی می دانند اضافه كردن یازده ذره دیگر به جمع ذرات گفته شده كافی است. [به قاب سمت چپ نگاه كنید] اینها تصوراتی شبیه تصورات یونانیان قدیم نیست كه می گفتند جهان از چهار عنصر خاك، هوا، آب و آتش تشكیل شده است. بلكه این نتایج از پیچیده ترین نظریه ریاضی در مورد طبیعت در طول تاریخ یعنی مدل استاندارد فیزیك ذرات حاصل شده است، به رغم معنی كلمه مدل، مدل اسصتاندارد یك نظریه كامل برای شرح ذرات پایه و توضیح برهم كنش آنها است. همه آنچه در دنیای ما رخ می دهد (به جز اثرهای گرانشی) قابل بیان با قوانین و معادلات مدل استاندارد است.
مدل استاندارد در دهه ۱۹۷۰ فرمول بندی شد و در اوایل دهه ۱۹۸۰ آزمایش ها به طور نسبی درست بودن آن را نشان دادند. نزدیك به سه دهه آزمایش های دقیق و موشكافانه نظریه را آزموده اند و تائید كرده اند كه همه پیش بینی های نظریه درست است. از یك سو این موفقیت ارزشمند است زیرا تائید می كند (در عمیق ترین سطح اش تاكنون) كه ما واقعاً چگونگی كاركرد طبیعت را درك می كنیم. از سوی دیگر این موفقیت دلسردكننده است. قبل از پیدایش مدل استاندارد، فیزیكدان ها برای نظریه جدید منتظر كشف ذرات جدید یا نشانه های جدید در مشاهدات تجربی بودند، قبل از اینكه نظریه قبلی قدیمی شود. اما برای مدل استاندارد آنها سی سال منتظر ماندند تا مشاهدات نظریه را تائید كنند.
انتظارها به زودی به سر می رسد. آزمایشاتی كه می توانند برخوردهایی تولید كنند با انرژی های بالاتر از قبل یا با دقت بالاتر برای پدیده های خاص بر لبه پیشرو مدل استاندارد قرار دارند.
این نتایج مدل استاندارد را باطل نخواهند كرد. بلكه با كشف ذرات جدید و نیروهای توضیح داده نشده باعث پیشرفت آن خواهند شد. مهم ترین آزمایش توسط برخورد دهنده تواترون (Tevatron) كاراتر شده شتاب دهنده فرمی (FNAL) در باتاویای ایلینویز انجام می شود كه ارائه اطلاعات (data) را از سال ۲۰۰۱ آغاز كرده است. این آزمایش قرار است به طور مستقیم ذرات گریزپایی كه مدل استاندارد را كامل می كنند (بوزون هیگز) و آنهایی را كه توسط نظریه های تكامل یافته تر پیش بینی می شوند ابرهمزادها یا (SuperPartner های ذرات شناخته شده) تولید كند.
اطلاعات قابل ملاحظه ای هم از كارخانجات B می رسد، كارخانجات B برخورددهنده هایی در كالیفرنیا و ژاپن هستند كه برای تولید كوارك های b (یكی از یازده ذره اضافی) و پادذره آنها طراحی شده اند تا برای بررسی پدیده شكست تقارن CP استفاده شوند. CP) charge- parity) تقارنی مربوط به ذرات و پادذرات است و شكست آن به این معنی است كه پادذرات دقیقاً منعكس كننده رفتار ذرات نیستند.
مقدار شكست تقارن CP كه در آزمایشگاه دیده شده است با مدل استاندارد تطبیق دارد، اما دلایلی وجود دارد كه مقادیر بیشتری شكست تقارن CP قابل تولید است. فیزیك بعد از مدل استاندارد این مقدار شكست اضافی تقارن CP را می تواند تولید كند.
فیزیكدان ها همچنین خواص دقیق الكتریكی و مغناطیسی ذرات را بررسی می كنند. مدل استاندارد پیشگویی می كند كه الكترون ها و كوارك ها مانند آهن رباهای بسیار ریزی با قدرت مشخصی رفتار می كنند و اینكه رفتار آنها در یك میدان الكتریكی از روی بار الكتریكی آنها كاملاً مشخص می شود. اغلب بسط های مدل استاندارد قدرت مغناطیسی و رفتار الكتریكی پیش بینی می كنند كه با مدل استاندارد كمی متفاوت است. آزمایش ها جمع آوری اطلاعات را با دقت كافی آغاز كرده اند تا این اثرهای پیش بینی شده خیلی كوچك را ببینند.
خارج از زمین دانشمندان به دنبال پیدا كردن نوترینوهای خورشیدی و نوترینوهای امواج كیهانی هستند. اینها ذرات شبح گونه ای هستند كه به ندرت برهم كنش می كنند و به تازگی جرم دار بودن آنها اثبات شده است. این نتیجه ای بود كه توسط نظریه بسط یافته مدل استاندارد پیش بینی شده بود. دور بعدی آزمایش ها شكل نظریه ای را كه برای توصیف نوترینوهای جرم دار مشاهده شده است، روشن خواهد كرد.
به علاوه آزمایش هایی برای مشاهده ذرات مبهم تشكیل دهنده ماده تاریك سرد جهان و بررسی چگونگی واپاشی نوترون با دقت خیلی بالا در راه است. موفقیت در هر یك از برنامه ها نشانه ای برای فیزیك بعد از مدل استاندارد است.
این تحقیق ها فیزیك ذرات را با اطلاعات غنی راهنمایی می كند. حدود سال ۲۰۰۷ برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) وارد عمل می شود. این برخورددهنده ابزاری با محیط ۲۷ كیلومتر در سرن (CERN) در حال ساخت است. سرن آزمایشگاه اروپایی برای فیزیك ذرات نزدیك به جنوا است.
كامل كننده نتایج LHC كه یك برخورددهنده پوزیترون- الكترون خطی ۳۰ كیلومتری است هم مراحل طراحی را پشت سر می گذارد.
با توجه به اشارات دیده شده برای فیزیك فراتر از مدل استاندارد خبرهایی به گوش می رسد مبنی بر اینكه مدل استاندارد غلط است و باید خود را برای دور ریختن اش آماده كنیم، اما این روش درستی نیست.
مثال معادلات ماكسون را در نظر بگیرید. این معادلات اواخر قرن نوزدهم برای توضیح نیروی الكترومغناطیس نوشته شدند. در اوایل قرن بیستم فهمیدیم كه برای اندازه های اتمی احتیاج به نسخه كوانتومی معادلات ماكسون داریم. بعدها دیدیم كه معادلات ماكسون كوانتومی جزیی از معادلات به دست آمده از مدل استاندارد هستند. به هر صورت ما نمی گوییم معادلات ماكسون غلط هستند، آنها گسترش یافته اند. (هنوز هم از آنها برای فناوری های الكترونیكی بی شماری استفاده می شود.)
● بنای پایدار
به طور مشابه مدل استاندارد نیز ماندگار است. این مدل یك نظریه كامل ریاضیاتی است، یك بنای پیچ درپیچ و بسیار پایدار. این مدل می تواند یك قسمت از یك بنای بزرگتر باشد، اما اشتباه نیست. هیچ قسمت از این نظریه فرو نخواهد ریخت، مگر اینكه همه ساختار نظریه فرو بریزد. اگر نظریه اشتباه بود، همه آزمایش های موفق تصادفی بوده اند. این نظریه برای همیشه برهم كنش های قوی، ضعیف و الكترومغناطیس را در دامنه انرژی خودش توضیح خواهد داد. مدل استاندارد به خوبی آزمایش شده است. این مدل وجود بوزون های w و Z، گلوآن و دو كوارك سنگین تر را پیش بینی كرد (كوارك سحر (افسون) و كوارك بالا).
این ذرات پس از ارائه این مدل پیدا شدند كه دقیقاً با مشخصات پیشگویی شده همخوانی دارد.دومین آزمایش بزرگ زاویه اختلاط (mixing) نظریه الكتروضعیف بود. این زاویه متغیری است كه در توصیف برهم كنش های ضعیف و الكترومغناطیس نقش دارد. زاویه اختلاط در هر فرآیند الكتروضعیفی باید مقدار ثابتی داشته باشد. اگر مدل استاندارد غلط بود زاویه اختلاط باید برای یك فرآیند یك مقدار و برای فرآیند دیگر مقدار دیگری می داشت.
مشاهده شده است كه این زاویه با دقت یك درصد برای همه فرآیندها یكی است.
سوم اینكه برخورددهنده بزرگ الكترون- پوزیترون (LEP) در سرن حدود بیست میلیون بوزون Z را مشاهده كرده است. همه آنها همان طور كه از مدل استاندارد انتظار می رفت، واپاشی كردند، به طوری كه برای هر آزمایش جزئیات انرژی و جهت ذرات خروجی با پیش بینی مدل استاندارد همخوانی داشت. این آزمایش ها، گوشه ای است از آزمون هایی كه مدل استاندارد را قویاً تائید كردند.
مدل استاندارد در تالار افتخاراتش ۱۷ ذره و چند متغیر آزاد- مقادیری مانند جرم ذرات و قدرت برهم كنش ها- دارد [به قاب صفحه۱۸ نگاه كنید] این متغیرها می توانند هر مقداری داشته باشند و ما فقط با آزمایش می توانیم مقدار صحیح آنها را تعیین كنیم. گاهی منتقدان متغیرهای زیاد مدل استاندارد را با نظریه های قرون وسطی برای توصیف مدار سیارات استفاده می كردند،مقایسه می كنند. آنها تصور می كنند مدل استاندارد قدرت پیشگویی محدودی دارد، یا اینكه محتوای دلخواهی دارد و یا اینكه می تواند فقط با میزان كردن چند مقدار هر چیزی را توضیح دهد.
اما عكس این مسئله صحیح است: یك بار كه جرم ها و قدرت های برهم كنش در فرآیند اندازه گیری شدند مقدار آنها برای همه آزمایش ها و برای همه نظریه مشخص شده است و دیگر هیچ تغییری مجاز نیست. علاوه بر این امروزه شكل دقیق همه معادلات مدل استاندارد توسط نظریه مشخص شده است. همه مقادیر غیر از جرم بوزون هیگز اندازه گیری شده است. قبل از دستیابی به مدل های فراتر از مدل استاندارد، تنها چیزی كه می تواند تغییر كند، دقت اطلاعات ما از مقادیر با توجه به نتایج جدید است و هرچه در این مسیر بیشتر پیشرفت كنیم دستیابی به دقت های بیشتر ساده تر كه نمی شود، مشكل تر هم می شود؛ برای اینكه همه اطلاعات تجربی همچنان با یكدیگر سازگار باقی بمانند، مقادیر اندازه گیری شده باید تا حد بالاتری از دقت با یكدیگر همخوانی داشته باشند.شاید به نظر برسد اضافه كردن ذرات و برهم كنش های دیگر برای تقویت مدل استاندارد، آزادی های بیشتری ایجاد می كند اما لزوماً این طور نیست. جذاب ترین گزینه برای پیشرفت مدل استاندارد مدل استاندارد ابرتقارنی حداقل Minimal Supersymme tricSM Standard) (Model= MSSM است. ابرتقارن به هر ذره ای یك ذره ابرمتناظر (Superpartner) ابرتقارنی نسبت می دهد. در مورد جرم این ذرات ابرتقارنی مطالب كمی می دانیم، اما برهم كنش های آنها توسط ابرتقارن مقید شده اند. هنگامی كه جرم ها اندازه گیری شوند، پیش بینی های MSSM به علت روابط ریاضی ابرتقارن مقیدتر از مدل استاندارد خواهد بود.
● ده معما
اگر كاركرد مدل استاندارد چنین عالی است، چرا باید آن را بسط داد؟ یك نكته مهم در این باره وقتی خود را نشان می دهد كه ما به دنبال هدف قدیمی وحدت نیروهای طبیعت بگردیم. در مدل استاندارد می توانیم نیروها را برون یابی كنیم و بپرسیم كه رفتار آنها در انرژی های بالاتر چگونه است. برای مثال نیروها در دماهای بسیار بالا- درست لحظاتی بعد از انفجار بزرگ (big bang)- چگونه بوده اند؟ در انرژی های پایین نیروی قوی حدود ۳۰ برابر قوی تر از نیروی ضعیف و بیش از۱۰۰ برابر قوی تر از نیروی الكترومغناطیس است. وقتی برون یابی كنیم متوجه می شویم كه قدرت این نیروها بسیار به هم نزدیك می شود اما هیچ گاه دقیقاً برابر نیست.اگر مدل استاندارد را به MSSM بسط دهیم نیروها در انرژی خاصی كه بسیار زیاد است دقیقاً یكی می شوند. قاب صفحه را ببینید. حتی بهتر از این، نیروی گرانشی در انرژی های باز هم بالاتر به همان قدرت نیروهای دیگر می رسد كه نشان دهنده ارتباط بین نیروهای مدل استاندارد و نیروی گرانشی است. چنین دستاوردهایی سرنخ های مهمی به دست می دهد كه از MSSM حمایت می كند، دلایل دیگر برای لزوم بسط مدل استاندارد از پدیده هایی ناشی می شود كه نمی توان آنها را شرح داد و یا حتی سازگار كرد، از جمله:
● شاهدی برای ابرتقارن
مطلوب ترین نظریه برای جانشینی مدل استاندارد مدل استاندارد ابرتقارنی حداقلی است. در این مدل، هر ذره شناخته شده یك ذره ابرهمزاد (Super Partner) دارد كه این دو با ابرتقارن به هم مربوط می شوند. ذرات به دو دسته تقسیم می شوند: بوزون ها (مانند ذرات انتقال نیرو) كه همگی می توانند در یك حالت مشابه قرار گیرند و فرمیون ها (مانند كوارك ها و لپتون ها) كه نمی توانند حالت های مشابه داشته باشند. ذره ابرهمزاد با یك فرمیون همیشه یك نورون است و برعكس.
شاهد غیرمستقیم برای ابرتقارن از برون یابی برهم كنش ها در انرژی های زیاد پدید می آید. در مدل استاندارد، سه نیرو مشابه هستند اما قدرت آنها مساوی نیست. (شكل بالا) وجود ابرهمزاد برون یابی را تغییر می دهد به صورتی كه نیروها در یك انرژی به هم می رسند. (شكل پایین) این نكته سرنخی است بر اینكه اگر ابرتقارن درست باشد، نیروها وحدت یافته اند.
مشاهده كننده بزرگ ذرات تواترون توسط فیزیكدان های آزمایشگاه فرمی بین سال های ۱۹۹۶ تا ۲۰۰۰ به روز شده است تا بتواند بوزون های هیگز و ابرتقارن را مشاهده كند.
۱- همه نظریه های امروزی به طور ضمنی بیان می كنند كه جهان باید حتی در خالی ترین مناطق آن شامل تراكم شدید انرژی باشد. اثرات گرانشی این پدیده كه آن را انرژی خلأ می نامند، یا می بایست جهان را مدت ها پیش درهم تنیده باشد یا باعث گسترش آن به مقداری بسیار بیش از اندازه كنونی شده باشد. مدل استاندارد نمی تواند برای فهمیدن این نكته كه مسئله ثابت كیهان شناسی نامیده می شود، كمكی كند.
۲- مدت های دراز بر این گمان بوده اند كه انبساط عالم بسیار آهسته است، چون مواد تشكیل دهنده جهان تحت جاذبه گرانشی یكدیگر هستند. در حال حاضر ما می دانیم كه گسترش جهان شتاب دار است و آنچه كه باعث این شتاب است (و انرژی تاریك نام دارد) در فیزیك مدل استاندارد جایی ندارد.
۳- دلایل بسیار خوبی وجود دارد كه در اولین كسرهای ثانیه از انفجار بزرگ، جهان در مرحله انبساط بسیار سریعی به نام مرحله تورم قرار داشته است. میدان هایی كه می توانسته اند تورم را ایجاد كنند در محدوده مدل استاندارد قرار نمی گیرند.
۴- اگر جهان با انفجار بزرگ یعنی انفجار مقدار عظیمی انرژی آغاز شده باشد، باید سهم ماده و پادماده در آن مساوی می بود [تقارن CP]. اما ستاره ها و سحابی ها از پروتون ها، نوترون ها و الكترون ها تشكیل شده اند و نه پادذرات آنها. (پادماده متناظرشان] این ناتقارنی در ماده با مدل استاندارد قابل توجیه نیست.
۵- حدود یك چهارم جهان ماده تاریك سرد و غیرقابل مشاهده است كه خارج از قلمرو ذرات مدل استاندارد قرار دارد.
۶- در مدل استاندارد برهم كنش با میدان هیگز (كه به بوزون هیگز مربوط می شود) باعث جرم دار شدن ذرات می شود. مدل استاندارد نمی تواند ساختار بسیار خاص برهم كنش هیگز را توضیح دهد.
۷- تصحیحات كوانتومی به وضوح برای بوزون هیگز جرم بزرگی را محاسبه می كنند كه نتیجه آن جرم بسیار زیاد برای همه ذرات است. مدل استاندارد نمی تواند از چنین مشكلی اجتناب كند و در نتیجه مشكلات مفهومی مهمی را به وجود می آورد.
۸- مدل استاندارد نمی تواند گرانش را دربر گیرد، زیرا ساخت این نیرو با سه نیروی دیگر یكسان نیست.
۹- مقدار جرم كوارك ها و لپتون ها (مثل الكترون نوترینوها) را نمی توان به وسیله مدل استاندارد توجیه كرد.
۱۰- مدل استاندارد دارای سه فرآیند تولید ذرات است. جهان پیرامون ما فقط از ذرات فرآیند اول پر شده و این فرآیند خودش به تنهایی یك نظریه سازگار ایجاد می كند. مدل استاندارد هر سه فرآیند را توصیف می كند، اما نمی تواند توضیح دهد چرا بیشتر از یك فرآیند وجود دارد.
در توضیح این مسائل لازم به ذكر است، وقتی كه می گویم مدل استاندارد نمی تواند پدیده ای را توجیه كند، منظورم این نیست كه نظریه تاكنون نتوانسته است آن را توجیه كند، ولی روزی خواهد توانست. بلكه مدل استاندارد بسیار مقید است و هرگز نخواهد توانست پدیده های فهرست شده بالا را توضیح دهد. تفسیرهای محتملی وجود دارد. یكی از دلایلی كه توسعه به نظریه ابرتقارن را برای بسیاری از فیزیكدان ها جذاب می كند، این است كه این نظریه می تواند توضیحی را برای موارد بالا، غیر از مورد دوم و سه تای آخر ارائه دهد. نظریه ریسمان (كه در آن ذرات به جای موجودات نقطه ای، موجودات یك بعدی بسیار كوچك هستند) سه تای آخر را توضیح می دهد. نگاه كنید به پدیده هایی كه مدل استاندارد قادر به توضیح آنها نیست، راهنماهایی برای چگونگی توسعه این مدل هستند. اینكه مدل استاندارد نمی تواند به سئوالاتی جواب بدهد، چندان عجیب نیست. هر نظریه موفقی در علم تعداد پاسخ به پرسش ها را افزایش می دهد ولی هنوز سئوالات بدون پاسخی هم وجود دارند. گذشته از این، بالا رفتن آگاهی سئوالات جدیدی پدید می آورد كه قبلاً قابل بیان نبودند، اما تعداد پرسش های بنیادی پاسخ داده نشده كاهش می یابد.
بعضی از این ده معما نشان دهنده دلیل دیگری هستند كه چرا امروزه فیزیك ذرات به دوران جدیدی وارد می شود. این مسئله روشن شده است كه مسائل مهمی در كیهان شناسی پاسخ های خود را در فیزیك ذرات یافته اند و این دو مقوله در «كیهان شناسی ذرات» (Particle cosmology) در هم ادغام شدند. فقط از روی آموزه های كیهان شناختی فهمیدیم كه جهان از ماده ساخته شده است (و نه از پادماده) و حدود یك چهارم جهان از ماده تاریك سرد تشكیل شده است. هرگونه درك نظری از این پدیده ها باید توضیح دهد چگونه آنها طی تحول جهان بعد از انفجار بزرگ پدید آمده اند. اما كیهان شناسی به تنهایی نمی تواند بگوید كه چه ذراتی ماده تاریك سرد را به وجود می آورند، یا چگونه عدم تقارن ماده عملاً به وجود می آید، یا منشاء تورم چیست. درك بزرگ ترین و كوچك ترین پدیده ها باید با همدیگر امكان پذیر باشد.
● هیگز
فیزیكدان ها به شدت روی مدل های فراتر از مدل استاندارد كار می كنند تا پاسخ این معماها را بیابند، اما یك مسئله اساسی از خود مدل استاندارد هنوز حل نشده باقی مانده است. این نظریه برای جرم دار كردن لپتون ها، كوارك ها و بوزون های W و Z به میدان هیگز وابسته است در حالی كه ذره هیگز هنوز به طور مستقیم دیده نشده است. هیگز اساساً شبیه میدان های دیگر نیست. برای فهم این موضوع، میدان الكترومغناطیس را در نظر بگیرید. بارهای الكتریكی باعث میدان های الكترومغناطیس می شوند. مانند آن میدان های الكترومغناطیس در اطراف ما وجود دارد. (كافی است رادیو را روشن كنید تا وجود آنها را احساس كنید) هر ناحیه ای از فضا وقتی كه میدان الكترومغناطیسی در آن صفر باشد كمترین مقدار انرژی خود را دارد. میدان صفر در غیاب ذرات باردار حالت طبیعی است. اما شگفت آ ور آن است كه مدل استاندارد ایجاب می كند حالت كمترین انرژی وقتی اتفاق بیفتد كه میدان هیگز مقدار غیرصفر داشته باشد. در نتیجه، میدان غیرصفر هیگز دنیا را پر كرده است و ذرات همیشه هنگام عبور از آن با آن برهم كنش می كنند، گذر ذرات از درون آن میدان مانند حركت انسان درون آب است. برهم كنش به آنها جرم و اینرسی می دهد.
بوزون هیگز به موضوع میدان هیگز مربوط می شود. در مدل استاندارد، از روی اصول اولیه نمی توان جرم ذرات و از جمله جرم خود بوزون هیگز را پیش بینی كرد. با وجود این، با اندازه گیری متغیرهای دیگر می توان جرم این ذرات را اندازه گرفت، همچنان كه جرم بوزون های W و Z و كوارك بالا (top) را به این روش به دست آوردند. آن پیش بینی ها تائید شدند و اطمینان به فیزیك هیگز را افزایش دادند.
فیزیكدان ها چیزهایی در مورد جرم هیگز می دانند. آزمایشگرها در برخورددهنده LEP حدود بیست كمیت را كه توسط مدل استاندارد به هم مربوط می شوند، اندازه گرفته اند. هم اكنون همه مقادیر مورد نیاز برای محاسبه پیش بینی آن كمیت ها اندازه گیری شده اند، به جز جرم بوزون هیگز.
بنابراین این می توان برعكس كاركرد و از روی اطلاعات به دست آمده پرسید كه چه جرمی برای هیگز بیشترین سازگاری را با این بیست كمیت دارد. جواب این است: جرم هیگز كمتر از ۲۰۰ گیگا الكترون ولت (Gev) است. (جرم پروتون حدود Gev ۹/۰ و كوارك بالا Gev ۱۷۴ است كه خود دلیل قاطعی برای وجود هیگز است.) اگر هیگز وجود نداشته باشد و مدل استاندارد اشتباه باشد، ارتباط این بیست كمیت با دقیقاً جرمی خاص برای هیگز اتفاق چشمگیری است. اطمینان ما وقتی بیشتر می شود كه بدانیم رهیافت مشابهی برای پیش بینی دقیق جرم كوارك بالا (top) قبل از مشاهده مستقیم آن طی شده است.
LEP به طور مستقیم در پی ذرات هیگز هم هست اما حداكثر جرم قابل مشاهده در آن Gev ۱۱۵ است. در بالاترین حدی كه LEP به آن می رسد، آزمایش های اندكی شامل ذراتی كه شبیه بوزون هیگز رفتار می كنند اتفاق می افتند اما اطلاعات به دست آمده برای اطمینان از كشف واقعی ذره هیگز كافی نیست. نتایج به دست آمده جرمی بینGev ۱۱۵ تاGev ۲۰۰را برای هیگز پیشنهاد می كنند.
در حال حاضر LEP برچیده می شود تا راه برای ساختن LHC كه قرار است از سال ۲۰۰۷ جمع آوری اطلاعات را آغاز كند، هموار شود. در این بین جست وجو برای یافتن هیگز در تواترون آزمایشگاه فرمی (Fermilab) ادامه خواهد داشت. به شكل صفحه* نگاه كنید. اگر تواترون با انرژی و كارایی طراحی شده عمل كند و زمان را به علت مشكلات فنی و مالی از دست ندهد، می تواند طی دو تا سه سال آینده در مورد وجود هیگز با جرم Gev ۱۱۵ اطمینان حاصل كند. اگر هیگز سنگین تر باشد، برای نشانه ای واضح باید منتظر بود. اگر تواترون طبق برنامه كار كند، روی هم رفته هزار بوزون هیگز تولید خواهد كرد و می توان آزمایش كرد كه آیا بوزون هیگز مانند پیش بینی ها رفتار می كند یا خیر. LHC كارخانه بوزون هیگز است، میلیون ها از آن را تولید می كند و امكان بررسی دقیق آن را فراهم می سازد. همچنین نظراتی مبنی بر این وجود دارد كه ذرات سبك تر متناظر ابرتقارن پیش بینی شده توسط MSSM جرم هایی به اندازه كافی كوچك دارند كه قابل تولید توسط تواترون هستند. تائیدیه مستقیم برای ابرتقارن طی چند سال آینده پدید خواهد آمد. گزینه اصلی برای ماده تاریك سرد جهان سبك ترین ذره ابرتقارنی است و برای اولین بار توسط تواترون به طور مستقیم مشاهده خواهد شد. LHC تعداد زیادی از ذرات ابرتقارنی را ایجاد خواهد كرد، اگر وجود داشته باشند و آزمونی برای این مطلب است كه آیا ابرتقارن جزیی از طبیعت است یا خیر.
● نظریه های موثر
برای درك عمیق رابطه مدل استاندارد با بقیه فیزیك و بررسی محدودیت و قدرت مدل در مقابله با آن، تفكر روی نظریه های موثر، مفید است. یك نظریه موثر توضیحی برای جنبه ای از طبیعت است با ورودی هایی كه اصولاً در نظریه ای عمیق تر قابل محاسبه هستند. برای مثال، در فیزیك هسته ای جرم، بار و اسپین پروتون به عنوان ورودی فرض می شوند. در مدل استاندارد این كمیت ها با توجه به خواص كوارك ها و گلوآن ها محاسبه می شوند. فیزیك هسته ای یك نظریه موثر برای توصیف هسته است در حالی كه مدل استاندارد یك نظریه موثر برای كوارك ها و گلوآن ها است.
از این منظر، هر نظریه موثر یك نظریه ناتمام و همچنین بنیادی است كه البته به طور كامل بنیادی نیست. نردبان نظریه های موثر تا كجا ادامه پیدا خواهد كرد؟ MSSM مسائلی را كه مدل استاندارد نمی تواند حل كند، حل می كند، اما هنوز یك نظریه موثر محسوب می شود، چون آن هم ورودی دارد. شاید این ورودی ها قابل محاسبه با نظریه ریسمان باشند.
حتی از منظر نظریه های موثر، فیزیك ذرات موقعیت خاصی دارد. فیزیك ذرات درك ما از طبیعت را افزایش می دهد تا نقطه ای كه نظریه ای بدون ورودی فرمول بندی شود. نظریه ریسمان یا یكی از برادرخوانده هایش شاید بتوانند همه ورودی ها را محاسبه كنند _ نه فقط جرم الكترون و كمیاتی نظیر این بلكه وجود فضازمان و اصول نظریه كوانتوم. اما ما هنوز یك یا دو نظریه موثر داریم كه با هدف اصلی فاصله دارند.

گوردون كین*
ترجمه: نیما خسروی
www.sciam.com
*Gordon Kane نظریه پرداز ذرات، استاد فیزیك در دانشگاه میشیگان در آن آربر (Ann Arbor) است. كارهای او روی آزمایش و گسترش مدل استاندارد فیزیك ذرات متمركز است و به ویژه روی مدل فیزیك هیگز و بسط ابرتقارنی مدل استاندارد با توجه به رابطه آزمایش و نظریه و همچنین رابطه ابرتقارن با فیزیك ذرات و كیهان شناختی كار می كند. علایق او شامل بازی اسكواش، جست وجو در تاریخ نظریات و پاسخ به اینكه چرا علم در بعضی فرهنگ ها شكوفا شده است و در برخی نه.

منبع : روزنامه شرق