فهرست مندرجاتسپیدهدم فیزیک
(آن‌سوی مدل استاندارد)
[قبل] [بعد]
دوره‌ای جدید در فیزیک ذرات، به‌وسیله مشاهده ذرات ابرتقارنی در برخورددهنده تواترون (Tevatron) در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی (Fermi National Accelerator Laboratory) در باتاویای ایلینویز آغاز خواهد شد. یک کوارک و یک پاد کوارک (قرمز و آبی) مستقیم به‌هم برخورد می‌کنند تا دو ذره ابرتقارنی سنگین (کهربایی) روشنی شکل بگیرند. آن‌ها به‌ذرات W و Z نارنجی) و دو ذره ابرتقارنی سبک‌تر (کهربایی تیره) تبدیل می‌شوند. ذرات W و Z نیز به‌یک الکترون، یک پادالکترون و یک میوآن (muon) (همه به‌رنگ سبز) که قابل مشاهده هستند و همچنین یک پادنوترینوی مشاهده‌ناپذیر (خاکستری) تبدیل می‌شوند.
مدل استاندارد فیزیک ذرات در مرحله مهمی از تاریخچه خود قرار دارد؛ هم در اوج موفقیت و هم در مرز تحول. قرن‌ها بعد از آغاز تحقیق روی بخش‌های بنیادی که زیبایی و پیچیدگی جهان را می‌سازند، امروزه به‌نتیجه شگفت‌انگیز و ساده‌ای رسیده‌ایم؛ فقط شش ذره: الکترون، کوارک‌های بالا و پائین، گلوئون (gluon)، فوتون و بوزون هیگز. برای توضیح همه پدیده‌هایی که فیزیکدانان ذرات بنیادی می‌دانند اضافه کردن یازده ذره دیگر به‌جمع ذرات گفته شده کافی است. [به قاب سمت چپ نگاه کنید] این‌ها تصوراتی شبیه تصورات یونانیان قدیم نیست که می‌گفتند جهان از چهار عنصر خاک، هوا، آب و آتش تشکیل شده است. بلکه این نتایج از پیچیده‌ترین نظریه ریاضی در مورد طبیعت در طول تاریخ یعنی مدل استاندارد فیزیک ذرات حاصل شده است، به‌رغم معنی کلمه مدل، مدل استاندارد یک نظریه کامل برای شرح ذرات پایه و توضیح برهم‌کنش آن‌ها است. همه آنچه در دنیای ما رخ می‌دهد (به جز اثرهای گرانشی) قابل بیان با قوانین و معادلات مدل استاندارد است.
مدل استاندارد در دهه ۱۹۷۰ فرمول‌بندی شد و در اوایل دهه ۱۹۸۰ آزمایش‌ها به‌طور نسبی درست بودن آن را نشان دادند. نزدیک به سه دهه آزمایش‌های دقیق و موشکافانه نظریه را آزموده‌اند و تائید کرده‌اند که همه پیشبینیهای نظریه درست است. از یک‌سو این موفقیت ارزشمند است زیرا تائید می‌کند (در عمیق‌ترین سطح‌اش تاکنون) که ما واقعاً چگونگی کارکرد طبیعت را درک می‌کنیم. از سوی دیگر این موفقیت دلسردکننده است. قبل از پیدایش مدل استاندارد، فیزیکدآن‌ها برای نظریه جدید منتظر کشف ذرات جدید یا نشانه‌های جدید در مشاهدات تجربی بودند، قبل از اینکه نظریه قبلی قدیمی شود. اما برای مدل استاندارد آن‌ها سی سال منتظر ماندند تا مشاهدات نظریه را تائید کنند.
انتظارها به‌زودی به‌سر می‌رسد. آزمایشاتی که می‌توانند برخوردهایی تولید کنند با انرژی‌های بالاتر از قبل یا با دقت بالاتر برای پدیده‌های خاص بر لبه پیشرو مدل استاندارد قرار دارند. این نتایج مدل استاندارد را باطل نخواهند کرد. بلکه با کشف ذرات جدید و نیروهای توضیح داده نشده باعث پیشرفت آن خواهند شد. مهم‌ترین آزمایش توسط برخورددهنده تواترون (Tevatron) کاراتر شده شتاب‌دهنده فرمی (FNAL) در باتاویای ایلینویز انجام می‌شود که ارائه اطلاعات (data) را از سال ۲۰۰۱ آغاز کرده است. این آزمایش قرار است به‌طور مستقیم ذرات گریزپایی که مدل استاندارد را کامل می‌کنند (بوزون هیگز) و آن‌هایی را که توسط نظریه‌های تکامل‌یافته‌تر پیش‌بینی می‌شوند ابرهمزادها یا (SuperPartnerهای ذرات شناخته‌شده) تولید کند.
اطلاعات قابل ملاحظه‌ای هم از کارخانجات B می‌رسد، کارخانجات B برخورددهنده‌هایی در کالیفرنیا و ژاپن هستند که برای تولید کوارک‌های b (یکی از یازده ذره اضافی) و پادذره آن‌ها طراحی شده‌اند تا برای بررسی پدیده شکست تقارن CP استفاده شوند. CP (charge- parity) تقارنی مربوط به‌ذرات و پادذرات است و شکست آن به‌این معنی است که پادذرات دقیقاً منعکس‌کننده رفتار ذرات نیستند.
مقدار شکست تقارن CP که در آزمایشگاه دیده شده است با مدل استاندارد تطبیق دارد، اما دلایلی وجود دارد که مقادیر بیشتری شکست تقارن CP قابل تولید است. فیزیک بعد از مدل استاندارد این مقدار شکست اضافی تقارن CP را می‌تواند تولید کند.
فیزیکدآن‌ها همچنین خواص دقیق الکتریکی و مغناطیسی ذرات را بررسی می‌کنند. مدل استاندارد پیشگویی می‌کند که الکترون‌ها و کوارک‌ها مانند آهن رباهای بسیار ریزی با قدرت مشخصی رفتار می‌کنند و اینکه رفتار آن‌ها در یک میدان الکتریکی از روی بار الکتریکی آن‌ها کاملاً مشخص می‌شود. اغلب بسط‌های مدل استاندارد قدرت مغناطیسی و رفتار الکتریکی پیش‌بینی می‌کنند که با مدل استاندارد کمی متفاوت است. آزمایش‌ها جمع‌آوری اطلاعات را با دقت کافی آغاز کرده‌اند تا این اثرهای پیش‌بینی‌شده خیلی کوچک را ببینند.
خارج از زمین دانشمندان به‌دنبال پیدا کردن نوترینوهای خورشیدی و نوترینوهای امواج کیهانی هستند. این‌ها ذرات شبح‌گونه‌ای هستند که به‌ندرت برهم‌کنش می‌کنند و به‌تازگی جرم‌دار بودن آن‌ها اثبات شده است. این نتیجه‌ای بود که توسط نظریه بسط یافته مدل استاندارد پیش‌بینی شده بود. دور بعدی آزمایش‌ها شکل نظریه‌ای را که برای توصیف نوترینوهای جرم‌دار مشاهده شده است، روشن خواهد کرد.
به‌علاوه آزمایش‌هایی برای مشاهده ذرات مبهم تشکیل‌دهنده ماده تاریک سرد جهان و بررسی چگونگی واپاشی نوترون با دقت خیلی بالا در راه است. موفقیت در هر یک از برنامه‌ها نشآن‌های برای فیزیک بعد از مدل استاندارد است.
این تحقیق‌ها فیزیک ذرات را با اطلاعات غنی راهنمایی می‌کند. حدود سال ۲۰۰۷ برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) وارد عمل می‌شود. این برخورددهنده ابزاری با محیط ۲۷ کیلومتر در سرن (CERN) در حال ساخت است. سرن آزمایشگاه اروپایی برای فیزیک ذرات نزدیک به جنوا است. کامل‌کننده نتایج LHC که یک برخورددهنده پوزیترون- الکترون خطی ۳۰ کیلومتری است هم مراحل طراحی را پشت سر می‌گذارد.
با توجه به اشارات دیده‌شده برای فیزیک فراتر از مدل استاندارد خبرهایی به‌گوش می‌رسد مبنی بر اینکه مدل استاندارد غلط است و باید خود را برای دور ریختن‌اش آماده کنیم، اما این روش درستی نیست.
مثال معادلات ماکسون را در نظر بگیرید. این معادلات اواخر قرن نوزدهم برای توضیح نیروی الکترومغناطیس نوشته شدند. در اوایل قرن بیستم فهمیدیم که برای اندازه‌های اتمی احتیاج به نسخه کوانتومی معادلات ماکسون داریم. بعدها دیدیم که معادلات ماکسون کوانتومی جزیی از معادلات به‌دست آمده از مدل استاندارد هستند. به‌هر صورت ما نمی‌گوییم معادلات ماکسون غلط هستند، آن‌ها گسترش یافته‌اند. (هنوز هم از آن‌ها برای فناوری‌های الکترونیکی بی‌شماری استفاده می‌شود.)
[↑] بنای پایدار
به‌طور مشابه مدل استاندارد نیز ماندگار است. این مدل یک نظریه کامل ریاضیاتی است، یک بنای پیچ در پیچ و بسیار پایدار. این مدل می‌تواند یک قسمت از یک بنای 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 آزمایش‌های موفق تصادفی بوده‌اند. این نظریه برای همیشه برهم‌کنش‌های قوی، ضعیف و الکترومغناطیس را در دامنه انرژی خودش توضیح خواهد داد. مدل استاندارد به‌خوبی آزمایش شده است. این مدل وجود بوزون‌های w و Z، گلوآن و دو کوارک سنگین‌تر را پیش‌بینی کرد (کوارک سحر (افسون) و کوارک بالا. این ذرات پس از ارائه این مدل پیدا شدند که دقیقاً با مشخصات پیشگویی‌شده همخوانی دارد. دومین آزمایش بزرگ زاویه اختلاط (mixing) نظریه الکتروضعیف بود. این زاویه متغیری است که در توصیف برهم‌کنش‌های ضعیف و الکترومغناطیس نقش دارد. زاویه اختلاط در هر فرآیند الکتروضعیفی باید مقدار ثابتی داشته باشد. اگر مدل استاندارد غلط بود زاویه اختلاط باید برای یک فرآیند یک مقدار و برای فرآیند دیگر مقدار دیگری می‌داشت.
مشاهده شده است که این زاویه با دقت یک درصد برای همه فرآیندها یکی است. سوم اینکه برخورددهنده بزرگ الکترون- پوزیترون (LEP) در سرن حدود بیست میلیون بوزون Z را مشاهده کرده است. همه آن‌ها همان‌طور که از مدل استاندارد انتظار می‌رفت، واپاشی کردند، به‌طوری که برای هر آزمایش جزئیات انرژی و جهت ذرات خروجی با پیش‌بینی مدل استاندارد همخوانی داشت. این آزمایش‌ها، گوشه‌ای است از آزمون‌هایی که مدل استاندارد را قویاً تائید کردند.
مدل استاندارد در تالار افتخاراتش ۱۷ ذره و چند متغیر آزاد - مقادیری مانند جرم ذرات و قدرت برهم‌کنش‌ها - دارد این متغیرها می‌توانند هر مقداری داشته باشند و ما فقط با آزمایش می‌توانیم مقدار صحیح آن‌ها را تعیین کنیم. گاهی منتقدان متغیرهای زیاد مدل استاندارد را با نظریه‌های قرون وسطی برای توصیف مدار سیارات استفاده می‌کردند،مقایسه می‌کنند. آن‌ها تصور می‌کنند مدل استاندارد قدرت پیشگویی محدودی دارد، یا اینکه محتوای دلخواهی دارد و یا اینکه می‌تواند فقط با میزان کردن چند مقدار هر چیزی را توضیح دهد.
اما عکس این مسئله صحیح است: یک بار که جرم‌ها و قدرت‌های برهم کنش در فرآیند اندازه‌گیری شدند مقدار آن‌ها برای همه آزمایش‌ها و برای همه نظریه مشخص شده است و دیگر هیچ تغییری مجاز نیست. علاوه بر این امروزه شکل دقیق همه معادلات مدل استاندارد توسط نظریه مشخص شده است. همه مقادیر غیر از جرم بوزون هیگز اندازه‌گیری شده است. قبل از دستیابی به‌مدل‌های فراتر از مدل استاندارد، تنها چیزی که می‌تواند تغییر کند، دقت اطلاعات ما از مقادیر با توجه به‌نتایج جدید است و هرچه در این مسیر بیشتر پیشرفت کنیم دستیابی به‌دقت‌های بیشتر ساده‌تر که نمی‌شود، مشکل‌تر هم می‌شود؛ برای اینکه همه اطلاعات تجربی همچنان با یکدیگر سازگار باقی بمانند، مقادیر اندازه‌گیری شده باید تا حد بالاتری از دقت با یکدیگر همخوانی داشته باشند.شاید به‌نظر برسد اضافه کردن ذرات و برهم‌کنش‌های دیگر برای تقویت مدل استاندارد، آزادی‌های بیشتری ایجاد می‌کند اما لزوماً این طور نیست. جذاب‌ترین گزینه برای پیشرفت مدل استاندارد مدل استاندارد ابرتقارنی حداقل Minimal Supersymme tricSM Standard Model = MSSM است. ابرتقارن به‌هر ذره‌ای یک ذره ابرمتناظر (Superpartner) ابرتقارنی نسبت می‌دهد. در مورد جرم این ذرات ابرتقارنی مطالب کمی می‌دانیم، اما برهم‌کنش‌های آن‌ها توسط ابرتقارن مقید شده‌اند. هنگامی که جرم‌ها اندازه‌گیری شوند، پیشبینیهای MSSM به‌علت روابط ریاضی ابرتقارن مقیدتر از مدل استاندارد خواهد بود.
[↑] ده معما
اگر کارکرد مدل استاندارد چنین عالی است، چرا باید آن را بسط داد؟ یک نکته مهم در این باره وقتی خود را نشان می‌دهد که ما به‌دنبال هدف قدیمی وحدت نیروهای طبیعت بگردیم. در مدل استاندارد می‌توانیم نیروها را برون‌یابی کنیم و بپرسیم که رفتار آن‌ها در انرژی‌های بالاتر چگونه است. برای مثال نیروها در دماهای بسیار بالا - درست لحظاتی بعد از انفجار بزرگ (big bang) - چگونه بوده‌اند؟ در انرژی‌های پایین نیروی قوی حدود ۳۰ برابر قوی‌تر از نیروی ضعیف و بیش از ۱۰۰ برابر قوی‌تر از نیروی الکترومغناطیس است. وقتی برون‌یابی کنیم متوجه می‌شویم که قدرت این نیروها بسیار به‌هم نزدیک می‌شود اما هیچ‌گاه دقیقاً برابر نیست. اگر مدل استاندارد را به MSSM بسط دهیم نیروها در انرژی خاصی که بسیار زیاد است دقیقاً یکی می‌شوند. قاب صفحه را ببینید. حتی بهتر از این، نیروی گرانشی در انرژی‌های باز هم بالاتر به‌همان قدرت نیروهای دیگر می‌رسد که نشان‌دهنده ارتباط بین نیروهای مدل استاندارد و نیروی گرانشی است. چنین دستاوردهایی سرنخ‌های مهمی به‌دست می‌دهد که از MSSM حمایت می‌کند، دلایل دیگر برای لزوم بسط مدل استاندارد از پدیده‌هایی ناشی می‌شود که نمی‌توان آن‌ها را شرح داد و یا حتی سازگار کرد، از جمله
مطلوب‌ترین نظریه برای جانشینی مدل استاندارد مدل استاندارد ابرتقارنی حداقلی است. در این مدل، هر ذره شناخته شده یک ذره ابرهمزاد (Super Partner) دارد که این دو با ابرتقارن به‌هم مربوط می‌شوند. ذرات به دو دسته تقسیم می‌شوند: بوزون‌ها (مانند ذرات انتقال نیرو) که همگی می‌توانند در یک حالت مشابه قرار گیرند و فرمیون‌ها (مانند کوارک‌ها و لپتون‌ها) که نمی‌توانند حالت‌های مشابه داشته باشند. ذره ابرهمزاد با یک فرمیون همیشه یک نورون است و برعکس.
شاهد غیرمستقیم برای ابرتقارن از برون یابی برهم‌کنش‌ها در انرژی‌های زیاد پدید می‌آید. در مدل استاندارد، سه نیرو مشابه هستند اما قدرت آن‌ها مساوی نیست. (شکل بالا) وجود ابرهمزاد برون یابی را تغییر می‌دهد به‌صورتی که نیروها در یک انرژی به‌هم می‌رسند. (شکل پایین) این نکته سرنخی است بر اینکه اگر ابرتقارن درست باشد، نیروها وحدت یافته‌اند.
مشاهده‌کننده بزرگ ذرات تواترون توسط فیزیکدآن‌های آزمایشگاه فرمی بین سال‌های ۱۹۹۶ تا ۲۰۰۰ به‌روز شده است تا بتواند بوزون‌های هیگز و ابرتقارن را مشاهده کند.
یک - همه نظریه‌های امروزی به‌طور ضمنی بیان می‌کنند که جهان باید حتی در خالی‌ترین مناطق آن شامل تراکم شدید انرژی باشد. اثرات گرانشی این پدیده که آن را انرژی خلأ می‌نامند، یا می‌بایست جهان را مدت‌ها پیش درهم تنیده باشد یا باعث گسترش آن به‌مقداری بسیار بیش از اندازه کنونی شده باشد. مدل استاندارد نمی‌تواند برای فهمیدن این نکته که مسئله ثابت کیهان‌شناسی نامیده می‌شود، کمکی کند.
دو - مدت‌های دراز بر این گمان بوده‌اند که انبساط عالم بسیار آهسته است، چون مواد تشکیل‌دهنده جهان تحت جاذبه گرانشی یکدیگر هستند. در حال حاضر ما می‌دانیم که گسترش جهان شتاب‌دار است و آنچه که باعث این شتاب است (و انرژی تاریک نام دارد) در فیزیک مدل استاندارد جایی ندارد.
سه - دلایل بسیار خوبی وجود دارد که در اولین کسرهای ثانیه از انفجار بزرگ، جهان در مرحله انبساط بسیار سریعی به‌نام مرحله تورم قرار داشته است. میدآن‌هایی که می‌توانسته‌اند تورم را ایجاد کنند در محدوده مدل استاندارد قرار نمی‌گیرند.
چهار - اگر جهان با انفجار بزرگ یعنی انفجار مقدار عظیمی انرژی آغاز شده باشد، باید سهم ماده و پادماده در آن مساوی می‌بود [تقارن CP]. اما ستاره‌ها و سحابی‌ها از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها تشکیل شده‌اند و نه پادذرات آن‌ها. (پادماده متناظرشان] این ناتقارنی در ماده با مدل استاندارد قابل توجیه نیست.
پنج - حدود یک‌چهارم 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 به‌بوزون هیگز مربوط می‌شود) باعث جرم دار شدن ذرات می‌شود. مدل استاندارد نمی‌تواند ساختار بسیار خاص برهم کنش هیگز را توضیح دهد.
هفت - تصحیحات کوانتومی به‌وضوح برای بوزون هیگز جرم بزرگی را محاسبه می‌کنند که نتیجه آن جرم بسیار زیاد برای همه ذرات است. مدل استاندارد نمی‌تواند از چنین مشکلی اجتناب کند و در نتیجه مشکلات مفهومی مهمی را به‌وجود می‌آورد.
هشت - مدل استاندارد نمی‌تواند گرانش را دربر گیرد، زیرا ساخت این نیرو با سه نیروی دیگر یکسان نیست.
نه - مقدار جرم کوارک‌ها و لپتون‌ها (مثل الکترون نوترینوها) را نمی‌توان به‌وسیله مدل استاندارد توجیه کرد.
ده - مدل استاندارد دارای سه فرآیند تولید ذرات است. جهان پیرامون ما فقط از ذرات فرآیند اول پر شده و این فرآیند خودش به‌تنهایی یک نظریه سازگار ایجاد می‌کند. مدل استاندارد هر سه فرآیند را توصیف می‌کند، اما نمی‌تواند توضیح دهد چرا بیشتر از یک فرآیند وجود دارد.
در توضیح این مسایل لازم به ذکر است، وقتی که می‌گویم مدل استاندارد نمی‌تواند پدیده‌ای را توجیه کند، منظورم این نیست که نظریه تاکنون نتوانسته است آن را توجیه کند، ولی روزی خواهد توانست. بلکه مدل استاندارد بسیار مقید است و هرگز نخواهد توانست پدیده‌های فهرست شده بالا را توضیح دهد. تفسیرهای محتملی وجود دارد. یکی از دلایلی که توسعه به‌نظریه ابرتقارن را برای بسیاری از فیزیکدآن‌ها جذاب می‌کند، این است که این نظریه می‌تواند توضیحی را برای موارد بالا، غیر از مورد دوم و سه‌تای آخر ارائه دهد. نظریه ریسمان (که در آن ذرات به‌جای موجودات نقطه‌ای، موجودات یک‌بعدی بسیار کوچک هستند) سه تای آخر را توضیح می‌دهد. نگاه کنید به‌پدیده‌هایی که مدل استاندارد قادر به‌توضیح آن‌ها نیست، راهنماهایی برای چگونگی توسعه این مدل هستند. اینکه مدل استاندارد نمی‌تواند به‌سئوالاتی جواب بدهد، چندان عجیب نیست. هر نظریه موفقی در علم تعداد پاسخ به‌پرسش‌ها را افزایش می‌دهد ولی هنوز سئوالات بدون پاسخی هم وجود دارند. گذشته از این، بالا رفتن آگاهی سئوالات جدیدی پدید می‌آورد که قبلاً قابل بیان نبودند، اما تعداد پرسش‌های بنیادی پاسخ داده نشده کاهش می‌یابد.
بعضی از این ده معما نشان‌دهنده دلیل دیگری هستند که چرا امروزه فیزیک ذرات به‌دوران جدیدی وارد می‌شود. این مسئله روشن شده است که مسایل مهمی در کیهان‌شناسی پاسخ‌های خود را در فیزیک ذرات یافته‌اند و این دو مقوله در «کیهان‌شناسی ذرات» (Particle cosmology) در هم ادغام شدند. فقط از روی آموزه‌های کیهان‌شناختی فهمیدیم که جهان از ماده ساخته شده است (و نه از پادماده) و حدود یک‌چهارم جهان از ماده تاریک سرد تشکیل شده است. هرگونه درک نظری از این پدیده‌ها باید توضیح دهد چگونه آن‌ها طی تحول جهان بعد از انفجار بزرگ پدید آمده‌اند. اما کیهان‌شناسی به‌تنهایی نمی‌تواند بگوید که چه ذراتی ماده تاریک سرد را به‌وجود می‌آورند، یا چگونه عدم تقارن ماده عملاً به‌وجود می‌آید، یا منشأ تورم چیست. درک بزرگ‌ترین و کوچک‌ترین پدیده‌ها باید با همدیگر امکان‌پذیر باشد
[↑] هیگز
فیزیکدآن‌ها به‌شدت روی مدل‌های فراتر از مدل استاندارد کار می‌کنند تا پاسخ این معماها را بیابند، اما یک مسئله اساسی از خود مدل استاندارد هنوز حل نشده باقی مانده است. این نظریه برای جرم‌دار کردن لپتون‌ها، کوارک‌ها و بوزون‌های W و Z به‌میدان هیگز وابسته است در حالی که ذره هیگز هنوز به‌طور مستقیم دیده نشده است. هیگز اساساً شبیه میدان‌های دیگر نیست. برای فهم این موضوع، میدان الکترومغناطیس را در نظر بگیرید. بارهای الکتریکی باعث میدآن‌های الکترومغناطیس می‌شوند. مانند آن میدان‌های الکترومغناطیس در اطراف ما وجود دارد. (کافی است رادیو را روشن کنید تا وجود آن‌ها را احساس کنید) هر ناحیه‌ای از فضا وقتی که میدان الکترومغناطیسی در آن صفر باشد کم‌ترین مقدار انرژی خود را دارد. میدان صفر در غیاب ذرات باردار حالت طبیعی است. اما شگفت‌آور آن است که مدل استاندارد ایجاب می‌کند حالت کم‌ترین انرژی وقتی 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 برهم‌کنش می‌کنند، گذر ذرات از درون آن میدان مانند حرکت انسان درون آب است. برهم‌کنش به‌آن‌ها جرم و اینرسی می‌دهد.
بوزون هیگز به‌موضوع میدان هیگز مربوط می‌شود. در مدل استاندارد، از روی اصول اولیه نمی‌توان جرم ذرات و از جمله جرم خود بوزون هیگز را پیش‌بینی کرد. با وجود این، با اندازه‌گیری متغیرهای دیگر می‌توان جرم این ذرات را اندازه گرفت، همچنان که جرم بوزون‌های W و Z و کوارک بالا (top) را به‌این روش به‌دست آوردند. آن پیش‌بینی‌‌ها تائید شدند و اطمینان به‌فیزیک هیگز را افزایش دادند.
فیزیکدآن‌ها چیزهایی در مورد جرم هیگز می‌دانند. آزمایشگرها در برخورددهنده LEP حدود بیست کمیت را که توسط مدل استاندارد به‌هم مربوط می‌شوند، اندازه گرفته‌اند. هم‌اکنون همه مقادیر مورد نیاز برای محاسبه پیش‌بینی آن کمیت‌ها اندازه‌گیری شده‌اند، به‌جز جرم بوزون هیگز.
بنابراین این می‌توان برعکس کارکرد و از روی اطلاعات به‌دست آمده پرسید که چه جرمی برای هیگز بیشترین سازگاری را با این بیست کمیت دارد. جواب این است: جرم هیگز کمتر از ۲۰۰ گیگا الکترون ولت (Gev) است. جرم پروتون حدود Gev ٩ و کوارک بالا ١٧۴ Gev است که خود دلیل قاطعی برای وجود هیگز است.) اگر هیگز وجود نداشته باشد و مدل استاندارد اشتباه باشد، ارتباط این بیست کمیت با دقیقاً جرمی خاص برای هیگز اتفاق چشمگیری است. اطمینان ما وقتی بیشتر می‌شود که بدانیم رهیافت مشابهی برای پیش‌بینی دقیق جرم کوارک بالا (top) قبل از مشاهده مستقیم آن طی شده است.
LEP به‌طور مستقیم در پی ذرات هیگز هم هست اما حداکثر جرم قابل مشاهده در آن ١١۵ Gev است. در بالاترین حدی که LEP به‌آن می‌رسد، آزمایش‌های اندکی شامل ذراتی که شبیه بوزون هیگز رفتار می‌کنند اتفاق می‌افتند اما اطلاعات به‌دست آمده برای اطمینان از کشف واقعی ذره هیگز کافی نیست. نتایج به‌دست آمده جرمی بین ١١۵ Gev ٢٠٠ تا Gev را برای هیگز پیشنهاد می‌کنند.
در حال حاضر LEP برچیده می‌شود تا راه برای ساختن LHC که قرار است از سال ۲۰۰۷ جمع‌آوری اطلاعات را آغاز کند، هموار شود. در این بین جست‌وجو برای یافتن هیگز در تواترون آزمایشگاه فرمی (Fermilab) ادامه خواهد داشت. به‌شکل صفحه[۱] نگاه کنید. اگر تواترون با انرژی و کارایی طراحی شده عمل کند و زمان را به‌علت مشکلات فنی و مالی از دست ندهد، می‌تواند طی دو تا سه سال آینده در مورد وجود هیگز با جرم ١١۵ Gev اطمینان حاصل کند. اگر هیگز سنگین‌تر باشد، برای نشآن‌های واضح باید منتظر بود. اگر تواترون طبق برنامه کار کند، روی هم رفته هزار بوزون هیگز تولید خواهد کرد و می‌توان آزمایش کرد که آیا بوزون هیگز مانند پیش‌بینی‌‌ها رفتار می‌کند یا خیر. LHC کارخانه بوزون هیگز است، میلیون‌ها از آن را تولید می‌کند و امکان بررسی دقیق آن را فراهم می‌سازد. همچنین نظراتی مبنی بر این وجود دارد که ذرات سبک‌تر متناظر ابرتقارن پیش‌بینی شده توسط MSSM جرم‌هایی به‌اندازه کافی کوچک دارند که قابل تولید توسط تواترون هستند. تائیدیه مستقیم برای ابرتقارن طی چند سال آینده پدید خواهد آمد. گزینه اصلی برای ماده تاریک سرد جهان سبک‌ترین ذره ابرتقارنی است و برای اولین بار توسط تواترون به‌طور مستقیم مشاهده خواهد شد.
LHC تعداد زیادی از ذرات ابرتقارنی را ایجاد خواهد کرد، اگر وجود داشته باشند و آزمونی برای این مطلب است که آیا ابرتقارن جزیی از طبیعت است یا خیر
[↑] نظریه‌های موثر
برای درک عمیق رابطه مدل استاندارد با بقیه فیزیک و بررسی محدودیت و قدرت مدل در مقابله با آن، تفکر روی نظریه‌های موثر، مفید است. یک نظریه موثر توضیحی برای جنبه‌ای از طبیعت است با ورودی‌هایی که اصولاً در نظریه‌ای عمیق‌تر قابل محاسبه هستند. برای مثال، در فیزیک هسته‌ای جرم، بار و اسپین پروتون به‌عنوان ورودی فرض می‌شوند. در مدل استاندارد این کمیت‌ها با توجه به‌خواص کوارک‌ها و گلوآن‌ها محاسبه می‌شوند. فیزیک هسته‌ای یک نظریه موثر برای توصیف هسته است در حالی که مدل استاندارد یک نظریه موثر برای کوارک‌ها و گلوآن‌ها است.
از این منظر، هر نظریه موثر یک نظریه ناتمام و همچنین بنیادی است که البته به‌طور کامل بنیادی نیست. نردبان نظریه‌های موثر تا کجا ادامه پیدا خواهد کرد؟
MSSM مسایلی را که مدل استاندارد نمی‌تواند حل کند، حل می‌کند، اما هنوز یک نظریه موثر محسوب می‌شود، چون آن هم ورودی دارد. شاید این ورودی‌ها قابل محاسبه با نظریه ریسمان باشند.
حتی از منظر نظریه‌های موثر، فیزیک ذرات موقعیت خاصی دارد. فیزیک ذرات درک ما از طبیعت را افزایش می‌دهد تا نقطه‌ای که نظریه‌ای بدون ورودی فرمول‌بندی شود. نظریه ریسمان یا یکی از برادرخوانده‌هایش شاید بتوانند همه ورودی‌ها را محاسبه کنند - نه فقط جرم الکترون و کمیاتی نظیر این بلکه وجود فضازمان و اصول نظریه کوانتوم. اما ما هنوز یک یا دو نظریه موثر داریم که با هدف اصلی فاصله دارند[٢].
[↑] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی ارسال شده است.
[↑] پی‌نوشت‌ها
[۱]- Gordon Kane نظریه‌پرداز ذرات، استاد فیزیک در دانشگاه میشیگان در آن آربر (Ann Arbor) است. کارهای او روی آزمایش و گسترش مدل استاندارد فیزیک ذرات متمرکز است و به‌ویژه روی مدل فیزیک هیگز و بسط ابرتقارنی مدل استاندارد با توجه به‌رابطه آزمایش و نظریه و همچنین رابطه ابرتقارن با فیزیک ذرات و کیهان‌شناختی کار می‌کند. علایق او شامل بازی اسکواش، جست‌وجو در تاریخ نظریات و پاسخ به اینکه چرا علم در بعضی فرهنگ‌ها شکوفا شده است و در برخی نه.
[٢]-
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمه‌ها
□
