ذرات بنیادی

[آبجی]

جهان ، بزرگترين مجموعه ممكن است كه از ذرات بنيادي شكل يافته است. اين ذرات توسط نيروهاي گرانشي ، الكترومغناطيسي و هسته‌اي به هم پيوند يافته‌اند. سلسله مراتب ساختماني آن در فضا ( از هسته‌هاي اتم گرفته تا ابر كهكشانها) و سير تكاملي آن (از گوي آتشين تا اشكال كنوني) توسط ويژگيهاي ذرات بنيادي و برهمكنش آنها اداره مي‌شود. بنابراين ، تشريح ساختمان جهان و تكامل آن بر اساس خواص و برهمكنش ذرات بنيادي صورت مي‌گيرد. ماده جهان از ذرات بنيادي تشكيل شده است. اجسام ، بدن انسان ، ستارگان و ... سيستم‌هايي متشكل از ذرات بنيادي هستند كه از نظر تعداد و نحوه جفت و جور شدن با هم تفاوت دارند. بنابراين ، وجود ذرات بنيادي بايد در تمام پديده هاي جهان ملموس باشد. فيزيك ذرات بنيادي درك عميقتر و ديد بالايي را در مورد ساختمان و تكامل اجسام منفرد مانند اتم‌ها ، مولكول‌ها ، بلورها ، صخره‌ها ، سيارات ، ستارگان ، منظومه‌هاي ستاره‌اي و كل جهان ارائه مي‌دهد. براي همين مطالعه ذرات بنيادي براي فيزيك معاصر و بخصوص اختر فيزيك و كيهان شناسي اهميت اساسي دارد.
خواص ذرات بنيادي
ذرات بنيادي ديده نمي‌شوند. فقط از اثري كه مي‌گذارند و يا پديده‌هايي را كه سبب مي‌شوند ، پي به وجودشان برده مي‌شود. برخي خواص ذرات بنيادي با تعميم مفاهيم فيزيك كلاسيك ناشي مي‌شود. مانند ؛ جرم ، انرژي و بارالكتريكي برخي ديگر از خواص ذرات بنيادي ريشه در مكانيك نسبيتي دارد. مانند ؛ زمان ويژه ، طول ويژه
عمده خواص ذرات بنيادي با تئوري‌هاي مكانيك كوانتومي تشريح مي‌شوند. براي درك اين رفتارها ، پديده‌هاي كوانتومي از جمله اسپين ، بار لپتوني ، بار باريوني ، اسپين ايزوتوپي ، شگفتي ، زوجيت ، كوانتوم عمل ، نابودي زوج ، توليد زوج ، اصل طرد پاولي ، اصل دوگانگي موج و ذره و ... بايستي بررسي شوند.

هر ذره ، توسط مجموعه‌اي از اعداد مشخص مي‌شود كه آن را از ديگر ذرات مجزا مي‌كند. و ويژگيهاي آنرا توضيح مي‌دهد.

ويژگيهايي همچون جرم سكون ، بارالكتريكي ، اسپين ، بار باريوني ، بار لپتوني ، شگفتي ، اسپين ايزوتوپي ، زوجيت براي ذرات بنيادي ساكن هستند اما خواص اندازه حركت خطي ، اندازه حركت زاويه‌اي ، انرژي كل به دنياي اطراف ارتباط دارند.

جرم ذرات بنيادي

جرم ذرات بنيادي بسيار كوچك است ، از اينرو آنها را مي‌توان تا سرعت بالايي رساند. مانند فوتونها كه بدون جرم بوده و بالاترين سرعت ممكن «سرعت نور) را دارا هستند. سبكترين ذره با جرم غير صفر الكترون است با جرمي در حدودme = 9x10-28 gr اغلب به عنوان واحدي براي سنجش جرم ساير ذرات به كار مي‌برند. جرم پروتون برابر mp=1836me و جرم نوترون mn=1838.6me مي‌باشد.

انرژي ذرات بنيادي

انرژي به سبب تغييرپذيري زيادش بر كل جهان حاكم است كه ساختمان فضايي ، تكامل زماني تمام سيستم‌ها از ذرات بنيادي گرفته تا خوشه‌هاي كهكشاني را تعيين مي‌كند. اين تنوع انرژي به چند برهمكنش معدود بين ذرات بنيادي مي‌تواند تقليل يابد.

عدد باريوني

ذرات سنگين ، باريون نام دارند. چنانچه باريونها به حال خود رها شوند ، متلاشي مي‌گردند. تنها باريون پايدار پروتون است. در تمام فرايندهاي مشاهده شده ، تعداد باريونها همواره بقا دارد «قانون بقاي باريون ?N=0).قانون بقاي باريون پايداري پروتونها را بيان مي‌كند ، باريوني سبكتر از پروتون وجود ندارد. آزمايشات نشان داده‌اند كه مدت زماني كه طول مي‌كشد تا پروتون تلاشي يابد طولاني تراز 1022 سال ، يعني <1012 بار طولاني تر از عمر جهان باشد. عدد بار يوني را با N نشان مي‌دهند كه براي باريونها (پروتون ، نوترون ، هيپرونها) N=+1 ، براي پاد باريونها N=-1 براي ساير ذرات مزونها ، لپتونها) N=0 ، براي هسته‌ها N>+1 ( N برابرعدد جرمي A است) و براي پاد هسته ها N<-1(Nبرابر -A است) مي باشد.

عدد لپتوني

فرميونهاي سبك همان لپتونها هستند كه عدد لپتوني را با L نشان مي‌دهند. براي ليپون‌ها «الكترون ، موئون ، نوترينو) اين عدد برابر L=+1 ، براي غير ليپونها (باريونها ، بوزونها) اين عدد برابر L=0 و براي پاليتونها «پوزيترون ، موئون مثبت ، پادنوترينو) اين عدد برابر L=-1 مي‌باشدو قانون بقاي ليپتون بصورت ?L=0 مي‌باشد. يعني مجموع تمام ليپتونها قبل و بعد از واكنش مقدار ثابتي دارند.

ايزواسپين

برهمكنش قوي نوكلئون‌ها در هسته ، به بار الكتريكي بستگي ندارد. اندركنش‌هاي N-P ، N-N ، P-P ، همگي شبيه هم هستند و تفاوت چنداني بين نكلئونهاي باردار و خنثي وجود ندارد. كه اختلاف آنها به وسطه ايزواسپين بيان مي‌شود.

شگفتي

شگفتي (strangeress) به منظور توضيح يك رفتار عجيب بين هيپرونها و مزونهاي K (كائونها) معرفي شده است. اين ذرات توسط برهمكنش قوي به وجود آمده‌اند و از طريق برهمكنش ضعيف متلاشي مي‌شوند.

زوجيت

زوجيت يكي از ويژگيهاي اساسي ذرات بنيادي است كه متناظر با انعكاس آينه اي مختصات فضايي است. اين ويژگي ، يك خاصيت تقارني تابع موج است. زوجيت ممكن است مثبت يا منفي باشد بر حسب آنكه تابع موج در اثر انعكاس فضايي ، زوج يا فرد باشد. زوجيت در بر همكنش‌هاي قوي و الكترومغناطيسي بقا دارد. اما در برهمكنش‌هاي ضعيف نقض مي شود.

چكيده

ذرات بنيادي واحدهاي اساسي براي ساختمان جهان مي باشند و بر اساس جرم در حال سكونشان به بار يونها (ذرات سنگين) ، لپتونها (ذرات سبك) و مزونها (ذرات ميان وزن) طبقه بندي مي شوند.

بيشتر ذرات بنيادي و احتمال تمام آنها مي توانند در نتيجه تبديل انرژي به ماده به وجود آيند حداقل انرژي لازم براي توليد گروهي از ذرات از معادله انرژي انيشتين بدست مي آيد.

در چگالي هاي زياد ذرات ناپايدار «نوترون ، هيپرونها ، مزونها) پايدار مي شوند. و نيز ذرات پايدار «الكترون و پروتون) مي‌توانند در اثر برخوردهاي متقابل با ذرات خود نابود شوند.

چنانچه واحدهاي اساسي پايدار (ذرات بنيادي پايدار) ، داراي وجود تضمين شده‌اي نباشند، هيچ چيز در جهان مادي وجود تضمين شده‌اي نخواهد داشت

[آبجی]

سپيده دم فيزيك ؛ آن سوى مدل استاندارد



گوردون كين



ترجمه: نيما خسروى


دوره اى جديد در فيزيك ذرات، به وسيله مشاهده ذرات ابرتقارنى در برخورددهنده تواترون (Tevatron) در آزمايشگاه شتاب دهنده ملى فرمى (Fermi National Accelerator Laboratory) در باتاوياى ايلينويز آغاز خواهد شد. يك كوارك و يك پاد كوارك (قرمز و آبى) مستقيم به هم برخورد مى كنند تا دو ذره ابرتقارنى سنگين (كهربايى) روشنى شكل بگيرند. آنها به ذرات W و Z نارنجى) و دو ذره ابرتقارنى سبك تر (كهربايى تيره) تبديل مى شوند. ذرات W و Z نيز به يك الكترون، يك پادالكترون و يك ميوآن (muon) ( همه به رنگ سبز) كه قابل مشاهده هستند و همچنين يك پادنوترينوى مشاهده ناپذير (خاكسترى) تبديل مى شوند.

مدل استاندارد فيزيك ذرات در مرحله مهمى از تاريخچه خود قرار دارد؛ هم در اوج موفقيت و هم در مرز تحول. قرن ها بعد از آغاز تحقيق روى بخش هاى بنيادى كه زيبايى و پيچيدگى جهان را مى سازند، امروزه به نتيجه شگفت ا نگيز و ساده اى رسيده ايم ؛ فقط شش ذره: الكترون، كوارك هاى بالا و پائين، گلوئون (gluon)، فوتون و بوزون هيگز. براى توضيح همه پديده هايى كه فيزيكدانان ذرات بنيادى مى دانند اضافه كردن يازده ذره ديگر به جمع ذرات گفته شده كافى است. [به قاب سمت چپ نگاه كنيد] اينها تصوراتى شبيه تصورات يونانيان قديم نيست كه مى گفتند جهان از چهار عنصر خاك، هوا، آب و آتش تشكيل شده است. بلكه اين نتايج از پيچيده ترين نظريه رياضى در مورد طبيعت در طول تاريخ يعنى مدل استاندارد فيزيك ذرات حاصل شده است، به رغم معنى كلمه مدل، مدل اسصتاندارد يك نظريه كامل براى شرح ذرات پايه و توضيح برهم كنش آنها است. همه آنچه در دنياى ما رخ مى دهد (به جز اثرهاى گرانشى) قابل بيان با قوانين و معادلات مدل استاندارد است..
مدل استاندارد در دهه ۱۹۷۰ فرمول بندى شد و در اوايل دهه ۱۹۸۰ آزمايش ها به طور نسبى درست بودن آن را نشان دادند. نزديك به سه دهه آزمايش هاى دقيق و موشكافانه نظريه را آزموده اند و تائيد كرده اند كه همه پيش بينى هاى نظريه درست است. از يك سو اين موفقيت ارزشمند است زيرا تائيد مى كند (در عميق ترين سطح اش تاكنون) كه ما واقعاً چگونگى كاركرد طبيعت را درك مى كنيم. از سوى ديگر اين موفقيت دلسردكننده است. قبل از پيدايش مدل استاندارد، فيزيكدان ها براى نظريه جديد منتظر كشف ذرات جديد يا نشانه هاى جديد در مشاهدات تجربى بودند، قبل از اينكه نظريه قبلى قديمى شود. اما براى مدل استاندارد آنها سى سال منتظر ماندند تا مشاهدات نظريه را تائيد كنند.
انتظارها به زودى به سر مى رسد. آزمايشاتى كه مى توانند برخوردهايى توليد كنند با انرژى هاى بالاتر از قبل يا با دقت بالاتر براى پديده هاى خاص بر لبه پيشرو مدل استاندارد قرار دارند. اين نتايج مدل استاندارد را باطل نخواهند كرد. بلكه با كشف ذرات جديد و نيروهاى توضيح داده نشده باعث پيشرفت آن خواهند شد. مهم ترين آزمايش توسط برخورد دهنده تواترون (Tevatron) كاراتر شده شتاب دهنده فرمى (FNAL) در باتاوياى ايلينويز انجام مى شود كه ارائه اطلاعات (data) را از سال ۲۰۰۱ آغاز كرده است. اين آزمايش قرار است به طور مستقيم ذرات گريزپايى كه مدل استاندارد را كامل مى كنند بوزون هيگز) و آنهايى را كه توسط نظريه هاى تكامل يافته تر پيش بينى مى شوند ابرهمزادها يا (SuperPartner هاى ذرات شناخته شده) توليد كند.
اطلاعات قابل ملاحظه اى هم از كارخانجات B مى رسد، كارخانجات B برخورددهنده هايى در كاليفرنيا و ژاپن هستند كه براى توليد كوارك هاى b يكى از يازده ذره اضافى) و پادذره آنها طراحى شده اند تا براى بررسى پديده شكست تقارن CP استفاده شوند. CP) charge- parity) تقارنى مربوط به ذرات و پادذرات است و شكست آن به اين معنى است كه پادذرات دقيقاً منعكس كننده رفتار ذرات نيستند.
مقدار شكست تقارن CP كه در آزمايشگاه ديده شده است با مدل استاندارد تطبيق دارد، اما دلايلى وجود دارد كه مقادير بيشترى شكست تقارن CP قابل توليد است. فيزيك بعد از مدل استاندارد اين مقدار شكست اضافى تقارن CP را مى تواند توليد كند.







فيزيكدان ها همچنين خواص دقيق الكتريكى و مغناطيسى ذرات را بررسى مى كنند. مدل استاندارد پيشگويى مى كند كه الكترون ها و كوارك ها مانند آهن رباهاى بسيار ريزى با قدرت مشخصى رفتار مى كنند و اينكه رفتار آنها در يك ميدان الكتريكى از روى بار الكتريكى آنها كاملاً مشخص مى شود. اغلب بسط هاى مدل استاندارد قدرت مغناطيسى و رفتار الكتريكى پيش بينى مى كنند كه با مدل استاندارد كمى متفاوت است. آزمايش ها جمع آورى اطلاعات را با دقت كافى آغاز كرده اند تا اين اثرهاى پيش بينى شده خيلى كوچك را ببينند.
خارج از زمين دانشمندان به دنبال پيدا كردن نوترينوهاى خورشيدى و نوترينوهاى امواج كيهانى هستند. اينها ذرات شبح گونه اى هستند كه به ندرت برهم كنش مى كنند و به تازگى جرم دار بودن آنها اثبات شده است. اين نتيجه اى بود كه توسط نظريه بسط يافته مدل استاندارد پيش بينى شده بود. دور بعدى آزمايش ها شكل نظريه اى را كه براى توصيف نوترينوهاى جرم دار مشاهده شده است، روشن خواهد كرد.
به علاوه آزمايش هايى براى مشاهده ذرات مبهم تشكيل دهنده ماده تاريك سرد جهان و بررسى چگونگى واپاشى نوترون با دقت خيلى بالا در راه است. موفقيت در هر يك از برنامه ها نشانه اى براى فيزيك بعد از مدل استاندارد است.
اين تحقيق ها فيزيك ذرات را با اطلاعات غنى راهنمايى مى كند. حدود سال ۲۰۰۷ برخورددهنده هادرونى بزرگ (LHC) وارد عمل مى شود. اين برخورددهنده ابزارى با محيط ۲۷ كيلومتر در سرن (CERN) در حال ساخت است. سرن آزمايشگاه اروپايى براى فيزيك ذرات نزديك به جنوا است. كامل كننده نتايج LHC كه يك برخورددهنده پوزيترون- الكترون خطى ۳۰ كيلومترى است هم مراحل طراحى را پشت سر مى گذارد.
با توجه به اشارات ديده شده براى فيزيك فراتر از مدل استاندارد خبرهايى به گوش مى رسد مبنى بر اينكه مدل استاندارد غلط است و بايد خود را براى دور ريختن اش آماده كنيم، اما اين روش درستى نيست.
مثال معادلات ماكسون را در نظر بگيريد. اين معادلات اواخر قرن نوزدهم براى توضيح نيروى الكترومغناطيس نوشته شدند. در اوايل قرن بيستم فهميديم كه براى اندازه هاى اتمى احتياج به نسخه كوانتومى معادلات ماكسون داريم. بعدها ديديم كه معادلات ماكسون كوانتومى جزيى از معادلات به دست آمده از مدل استاندارد هستند. به هر صورت ما نمى گوييم معادلات ماكسون غلط هستند، آنها گسترش يافته اند. (هنوز هم از آنها براى فناورى هاى الكترونيكى بى شمارى استفاده مى شود.)


• بناى پايدار
به طور مشابه مدل استاندارد نيز ماندگار است. اين مدل يك نظريه كامل رياضياتى است، يك بناى پيچ درپيچ و بسيار پايدار. اين مدل مى تواند يك قسمت از يك بناى بزرگتر باشد، اما اشتباه نيست. هيچ قسمت از اين نظريه فرو نخواهد ريخت، مگر اينكه همه ساختار نظريه فرو بريزد. اگر نظريه اشتباه بود، همه آزمايش هاى موفق تصادفى بوده اند. اين نظريه براى هميشه برهم كنش هاى قوى، ضعيف و الكترومغناطيس را در دامنه انرژى خودش توضيح خواهد داد. مدل استاندارد به خوبى آزمايش شده است. اين مدل وجود بوزون هاى w و Z، گلوآن و دو كوارك سنگين تر را پيش بينى كرد (كوارك سحر (افسون) و كوارك بالا. اين ذرات پس از ارائه اين مدل پيدا شدند كه دقيقاً با مشخصات پيشگويى شده همخوانى دارد.دومين آزمايش بزرگ زاويه اختلاط (mixing) نظريه الكتروضعيف بود. اين زاويه متغيرى است كه در توصيف برهم كنش هاى ضعيف و الكترومغناطيس نقش دارد. زاويه اختلاط در هر فرآيند الكتروضعيفى بايد مقدار ثابتى داشته باشد. اگر مدل استاندارد غلط بود زاويه اختلاط بايد براى يك فرآيند يك مقدار و براى فرآيند ديگر مقدار ديگرى مى داشت.
مشاهده شده است كه اين زاويه با دقت يك درصد براى همه فرآيندها يكى است. سوم اينكه برخورددهنده بزرگ الكترون- پوزيترون (LEP) در سرن حدود بيست ميليون بوزون Z را مشاهده كرده است. همه آنها همان طور كه از مدل استاندارد انتظار مى رفت، واپاشى كردند، به طورى كه براى هر آزمايش جزئيات انرژى و جهت ذرات خروجى با پيش بينى مدل استاندارد همخوانى داشت. اين آزمايش ها، گوشه اى است از آزمون هايى كه مدل استاندارد را قوياً تائيد كردند.
مدل استاندارد در تالار افتخاراتش ۱۷ ذره و چند متغير آزاد- مقاديرى مانند جرم ذرات و قدرت برهم كنش ها- دارد اين متغيرها مى توانند هر مقدارى داشته باشند و ما فقط با آزمايش مى توانيم مقدار صحيح آنها را تعيين كنيم. گاهى منتقدان متغيرهاى زياد مدل استاندارد را با نظريه هاى قرون وسطى براى توصيف مدار سيارات استفاده مى كردند،مقايسه مى كنند. آنها تصور مى كنند مدل استاندارد قدرت پيشگويى محدودى دارد، يا اينكه محتواى دلخواهى دارد و يا اينكه مى تواند فقط با ميزان كردن چند مقدار هر چيزى را توضيح دهد.
اما عكس اين مسئله صحيح است: يك بار كه جرم ها و قدرت هاى برهم كنش در فرآيند اندازه گيرى شدند مقدار آنها براى همه آزمايش ها و براى همه نظريه مشخص شده است و ديگر هيچ تغييرى مجاز نيست. علاوه بر اين امروزه شكل دقيق همه معادلات مدل استاندارد توسط نظريه مشخص شده است. همه مقادير غير از جرم بوزون هيگز اندازه گيرى شده است. قبل از دستيابى به مدل هاى فراتر از مدل استاندارد، تنها چيزى كه مى تواند تغيير كند، دقت اطلاعات ما از مقادير با توجه به نتايج جديد است و هرچه در اين مسير بيشتر پيشرفت كنيم دستيابى به دقت هاى بيشتر ساده تر كه نمى شود، مشكل تر هم مى شود؛ براى اينكه همه اطلاعات تجربى همچنان با يكديگر سازگار باقى بمانند، مقادير اندازه گيرى شده بايد تا حد بالاترى از دقت با يكديگر همخوانى داشته باشند.شايد به نظر برسد اضافه كردن ذرات و برهم كنش هاى ديگر براى تقويت مدل استاندارد، آزادى هاى بيشترى ايجاد مى كند اما لزوماً اين طور نيست. جذاب ترين گزينه براى پيشرفت مدل استاندارد مدل استاندارد ابرتقارنى حداقل Minimal Supersymme tricSM Standard) (Model= MSSM است. ابرتقارن به هر ذره اى يك ذره ابرمتناظر (Superpartner) ابرتقارنى نسبت مى دهد. در مورد جرم اين ذرات ابرتقارنى مطالب كمى مى دانيم، اما برهم كنش هاى آنها توسط ابرتقارن مقيد شده اند. هنگامى كه جرم ها اندازه گيرى شوند، پيش بينى هاى MSSM به علت روابط رياضى ابرتقارن مقيدتر از مدل استاندارد خواهد بود.


• ده معما
اگر كاركرد مدل استاندارد چنين عالى است، چرا بايد آن را بسط داد؟ يك نكته مهم در اين باره وقتى خود را نشان مى دهد كه ما به دنبال هدف قديمى وحدت نيروهاى طبيعت بگرديم. در مدل استاندارد مى توانيم نيروها را برون يابى كنيم و بپرسيم كه رفتار آنها در انرژى هاى بالاتر چگونه است. براى مثال نيروها در دماهاى بسيار بالا- درست لحظاتى بعد از انفجار بزرگ (big bang)- چگونه بوده اند؟ در انرژى هاى پايين نيروى قوى حدود ۳۰ برابر قوى تر از نيروى ضعيف و بيش از۱۰۰ برابر قوى تر از نيروى الكترومغناطيس است. وقتى برون يابى كنيم متوجه مى شويم كه قدرت اين نيروها بسيار به هم نزديك مى شود اما هيچ گاه دقيقاً برابر نيست. اگر مدل استاندارد را به MSSM بسط دهيم نيروها در انرژى خاصى كه بسيار زياد است دقيقاً يكى مى شوند. قاب صفحه را ببينيد. حتى بهتر از اين، نيروى گرانشى در انرژى هاى باز هم بالاتر به همان قدرت نيروهاى ديگر مى رسد كه نشان دهنده ارتباط بين نيروهاى مدل استاندارد و نيروى گرانشى است. چنين دستاوردهايى سرنخ هاى مهمى به دست مى دهد كه از MSSM حمايت مى كند، دلايل ديگر براى لزوم بسط مدل استاندارد از پديده هايى ناشى مى شود كه نمى توان آنها را شرح داد و يا حتى سازگار كرد، از جمله







مطلوب ترين نظريه براى جانشينى مدل استاندارد مدل استاندارد ابرتقارنى حداقلى است. در اين مدل، هر ذره شناخته شده يك ذره ابرهمزاد (Super Partner) دارد كه اين دو با ابرتقارن به هم مربوط مى شوند. ذرات به دو دسته تقسيم مى شوند: بوزون ها (مانند ذرات انتقال نيرو) كه همگى مى توانند در يك حالت مشابه قرار گيرند و فرميون ها (مانند كوارك ها و لپتون ها) كه نمى توانند حالت هاى مشابه داشته باشند. ذره ابرهمزاد با يك فرميون هميشه يك نورون است و برعكس.
شاهد غيرمستقيم براى ابرتقارن از برون يابى برهم كنش ها در انرژى هاى زياد پديد مى آيد. در مدل استاندارد، سه نيرو مشابه هستند اما قدرت آنها مساوى نيست. (شكل بالا) وجود ابرهمزاد برون يابى را تغيير مى دهد به صورتى كه نيروها در يك انرژى به هم مى رسند. (شكل پايين) اين نكته سرنخى است بر اينكه اگر ابرتقارن درست باشد، نيروها وحدت يافته اند.
مشاهده كننده بزرگ ذرات تواترون توسط فيزيكدان هاى آزمايشگاه فرمى بين سال هاى ۱۹۹۶ تا ۲۰۰۰ به روز شده است تا بتواند بوزون هاى هيگز و ابرتقارن را مشاهده كند.

يك - همه نظريه هاى امروزى به طور ضمنى بيان مى كنند كه جهان بايد حتى در خالى ترين مناطق آن شامل تراكم شديد انرژى باشد. اثرات گرانشى اين پديده كه آن را انرژى خلأ مى نامند، يا مى بايست جهان را مدت ها پيش درهم تنيده باشد يا باعث گسترش آن به مقدارى بسيار بيش از اندازه كنونى شده باشد. مدل استاندارد نمى تواند براى فهميدن اين نكته كه مسئله ثابت كيهان شناسى ناميده مى شود، كمكى كند.
دو - مدت هاى دراز بر اين گمان بوده اند كه انبساط عالم بسيار آهسته است، چون مواد تشكيل دهنده جهان تحت جاذبه گرانشى يكديگر هستند. در حال حاضر ما مى دانيم كه گسترش جهان شتاب دار است و آنچه كه باعث اين شتاب است (و انرژى تاريك نام دارد) در فيزيك مدل استاندارد جايى ندارد.
سه - دلايل بسيار خوبى وجود دارد كه در اولين كسرهاى ثانيه از انفجار بزرگ، جهان در مرحله انبساط بسيار سريعى به نام مرحله تورم قرار داشته است. ميدان هايى كه مى توانسته اند تورم را ايجاد كنند در محدوده مدل استاندارد قرار نمى گيرند.
چهار - اگر جهان با انفجار بزرگ يعنى انفجار مقدار عظيمى انرژى آغاز شده باشد، بايد سهم ماده و پادماده در آن مساوى مى بود [تقارن CP]. اما ستاره ها و سحابى ها از پروتون ها، نوترون ها و الكترون ها تشكيل شده اند و نه پادذرات آنها. (پادماده متناظرشان] اين ناتقارنى در ماده با مدل استاندارد قابل توجيه نيست.
پنج - حدود يك چهارم جهان ماده تاريك سرد و غيرقابل مشاهده است كه خارج از قلمرو ذرات مدل استاندارد قرار دارد.
شش - در مدل استاندارد برهم كنش با ميدان هيگز (كه به بوزون هيگز مربوط مى شود) باعث جرم دار شدن ذرات مى شود. مدل استاندارد نمى تواند ساختار بسيار خاص برهم كنش هيگز را توضيح دهد.
هفت - تصحيحات كوانتومى به وضوح براى بوزون هيگز جرم بزرگى را محاسبه مى كنند كه نتيجه آن جرم بسيار زياد براى همه ذرات است. مدل استاندارد نمى تواند از چنين مشكلى اجتناب كند و در نتيجه مشكلات مفهومى مهمى را به وجود مى آورد.
هشت - مدل استاندارد نمى تواند گرانش را دربر گيرد، زيرا ساخت اين نيرو با سه نيروى ديگر يكسان نيست.
نه - مقدار جرم كوارك ها و لپتون ها (مثل الكترون نوترينوها) را نمى توان به وسيله مدل استاندارد توجيه كرد.
ده - مدل استاندارد داراى سه فرآيند توليد ذرات است. جهان پيرامون ما فقط از ذرات فرآيند اول پر شده و اين فرآيند خودش به تنهايى يك نظريه سازگار ايجاد مى كند. مدل استاندارد هر سه فرآيند را توصيف مى كند، اما نمى تواند توضيح دهد چرا بيشتر از يك فرآيند وجود دارد.
در توضيح اين مسائل لازم به ذكر است، وقتى كه مى گويم مدل استاندارد نمى تواند پديده اى را توجيه كند، منظورم اين نيست كه نظريه تاكنون نتوانسته است آن را توجيه كند، ولى روزى خواهد توانست. بلكه مدل استاندارد بسيار مقيد است و هرگز نخواهد توانست پديده هاى فهرست شده بالا را توضيح دهد. تفسيرهاى محتملى وجود دارد. يكى از دلايلى كه توسعه به نظريه ابرتقارن را براى بسيارى از فيزيكدان ها جذاب مى كند، اين است كه اين نظريه مى تواند توضيحى را براى موارد بالا، غير از مورد دوم و سه تاى آخر ارائه دهد. نظريه ريسمان (كه در آن ذرات به جاى موجودات نقطه اى، موجودات يك بعدى بسيار كوچك هستند) سه تاى آخر را توضيح مى دهد. نگاه كنيد به پديده هايى كه مدل استاندارد قادر به توضيح آنها نيست، راهنماهايى براى چگونگى توسعه اين مدل هستند. اينكه مدل استاندارد نمى تواند به سئوالاتى جواب بدهد، چندان عجيب نيست. هر نظريه موفقى در علم تعداد پاسخ به پرسش ها را افزايش مى دهد ولى هنوز سئوالات بدون پاسخى هم وجود دارند. گذشته از اين، بالا رفتن آگاهى سئوالات جديدى پديد مى آورد كه قبلاً قابل بيان نبودند، اما تعداد پرسش هاى بنيادى پاسخ داده نشده كاهش مى يابد.
بعضى از اين ده معما نشان دهنده دليل ديگرى هستند كه چرا امروزه فيزيك ذرات به دوران جديدى وارد مى شود. اين مسئله روشن شده است كه مسائل مهمى در كيهان شناسى پاسخ هاى خود را در فيزيك ذرات يافته اند و اين دو مقوله در «كيهان شناسى ذرات» (Particle cosmology) در هم ادغام شدند. فقط از روى آموزه هاى كيهان شناختى فهميديم كه جهان از ماده ساخته شده است (و نه از پادماده) و حدود يك چهارم جهان از ماده تاريك سرد تشكيل شده است. هرگونه درك نظرى از اين پديده ها بايد توضيح دهد چگونه آنها طى تحول جهان بعد از انفجار بزرگ پديد آمده اند. اما كيهان شناسى به تنهايى نمى تواند بگويد كه چه ذراتى ماده تاريك سرد را به وجود مى آورند، يا چگونه عدم تقارن ماده عملاً به وجود مى آيد، يا منشاء تورم چيست. درك بزرگ ترين و كوچك ترين پديده ها بايد با همديگر امكان پذير باشد



هيگز


فيزيكدان ها به شدت روى مدل هاى فراتر از مدل استاندارد كار مى كنند تا پاسخ اين معماها را بيابند، اما يك مسئله اساسى از خود مدل استاندارد هنوز حل نشده باقى مانده است. اين نظريه براى جرم دار كردن لپتون ها، كوارك ها و بوزون هاى W و Z به ميدان هيگز وابسته است در حالى كه ذره هيگز هنوز به طور مستقيم ديده نشده است. هيگز اساساً شبيه ميدان هاى ديگر نيست. براى فهم اين موضوع، ميدان الكترومغناطيس را در نظر بگيريد. بارهاى الكتريكى باعث ميدان هاى الكترومغناطيس مى شوند. مانند آن ميدان هاى الكترومغناطيس در اطراف ما وجود دارد. (كافى است راديو را روشن كنيد تا وجود آنها را احساس كنيد) هر ناحيه اى از فضا وقتى كه ميدان الكترومغناطيسى در آن صفر باشد كمترين مقدار انرژى خود را دارد. ميدان صفر در غياب ذرات باردار حالت طبيعى است. اما شگفت آ ور آن است كه مدل استاندارد ايجاب مى كند حالت كمترين انرژى وقتى اتفاق بيفتد كه ميدان هيگز مقدار غيرصفر داشته باشد. در نتيجه، ميدان غيرصفر هيگز دنيا را پر كرده است و ذرات هميشه هنگام عبور از آن با آن برهم كنش مى كنند، گذر ذرات از درون آن ميدان مانند حركت انسان درون آب است. برهم كنش به آنها جرم و اينرسى مى دهد.
بوزون هيگز به موضوع ميدان هيگز مربوط مى شود. در مدل استاندارد، از روى اصول اوليه نمى توان جرم ذرات و از جمله جرم خود بوزون هيگز را پيش بينى كرد. با وجود اين، با اندازه گيرى متغيرهاى ديگر مى توان جرم اين ذرات را اندازه گرفت، همچنان كه جرم بوزون هاى W و Z و كوارك بالا (top) را به اين روش به دست آوردند. آن پيش بينى ها تائيد شدند و اطمينان به فيزيك هيگز را افزايش دادند.
فيزيكدان ها چيزهايى در مورد جرم هيگز مى دانند. آزمايشگرها در برخورددهنده LEP حدود بيست كميت را كه توسط مدل استاندارد به هم مربوط مى شوند، اندازه گرفته اند. هم اكنون همه مقادير مورد نياز براى محاسبه پيش بينى آن كميت ها اندازه گيرى شده اند، به جز جرم بوزون هيگز.
بنابراين اين مى توان برعكس كاركرد و از روى اطلاعات به دست آمده پرسيد كه چه جرمى براى هيگز بيشترين سازگارى را با اين بيست كميت دارد. جواب اين است: جرم هيگز كمتر از ۲۰۰ گيگا الكترون ولت (Gev) است. جرم پروتون حدود Gev 9 و كوارك بالا 174 Gev است كه خود دليل قاطعى براى وجود هيگز است.) اگر هيگز وجود نداشته باشد و مدل استاندارد اشتباه باشد، ارتباط اين بيست كميت با دقيقاً جرمى خاص براى هيگز اتفاق چشمگيرى است. اطمينان ما وقتى بيشتر مى شود كه بدانيم رهيافت مشابهى براى پيش بينى دقيق جرم كوارك بالا (top) قبل از مشاهده مستقيم آن طى شده است.


LEP به طور مستقيم در پى ذرات هيگز هم هست اما حداكثر جرم قابل مشاهده در آن Gev 115 است. در بالاترين حدى كه LEP به آن مى رسد، آزمايش هاى اندكى شامل ذراتى كه شبيه بوزون هيگز رفتار مى كنند اتفاق مى افتند اما اطلاعات به دست آمده براى اطمينان از كشف واقعى ذره هيگز كافى نيست. نتايج به دست آمده جرمى بين Gev ۱۱۵ تاGev 200 را براى هيگز پيشنهاد مى كنند.
در حال حاضر LEP برچيده مى شود تا راه براى ساختن LHC كه قرار است از سال ۲۰۰۷ جمع آورى اطلاعات را آغاز كند، هموار شود. در اين بين جست وجو براى يافتن هيگز در تواترون آزمايشگاه فرمى (Fermilab) ادامه خواهد داشت. به شكل صفحه* نگاه كنيد. اگر تواترون با انرژى و كارايى طراحى شده عمل كند و زمان را به علت مشكلات فنى و مالى از دست ندهد، مى تواند طى دو تا سه سال آينده در مورد وجود هيگز با جرم Gev ۱۱۵ اطمينان حاصل كند. اگر هيگز سنگين تر باشد، براى نشانه اى واضح بايد منتظر بود. اگر تواترون طبق برنامه كار كند، روى هم رفته هزار بوزون هيگز توليد خواهد كرد و مى توان آزمايش كرد كه آيا بوزون هيگز مانند پيش بينى ها رفتار مى كند يا خير. LHC كارخانه بوزون هيگز است، ميليون ها از آن را توليد مى كند و امكان بررسى دقيق آن را فراهم مى سازد. همچنين نظراتى مبنى بر اين وجود دارد كه ذرات سبك تر متناظر ابرتقارن پيش بينى شده توسط MSSM جرم هايى به اندازه كافى كوچك دارند كه قابل توليد توسط تواترون هستند. تائيديه مستقيم براى ابرتقارن طى چند سال آينده پديد خواهد آمد. گزينه اصلى براى ماده تاريك سرد جهان سبك ترين ذره ابرتقارنى است و براى اولين بار توسط تواترون به طور مستقيم مشاهده خواهد شد.

LHC تعداد زيادى از ذرات ابرتقارنى را ايجاد خواهد كرد، اگر وجود داشته باشند و آزمونى براى اين مطلب است كه آيا ابرتقارن جزيى از طبيعت است يا خير





نظريه هاى موثر


براى درك عميق رابطه مدل استاندارد با بقيه فيزيك و بررسى محدوديت و قدرت مدل در مقابله با آن، تفكر روى نظريه هاى موثر، مفيد است. يك نظريه موثر توضيحى براى جنبه اى از طبيعت است با ورودى هايى كه اصولاً در نظريه اى عميق تر قابل محاسبه هستند. براى مثال، در فيزيك هسته اى جرم، بار و اسپين پروتون به عنوان ورودى فرض مى شوند. در مدل استاندارد اين كميت ها با توجه به خواص كوارك ها و گلوآن ها محاسبه مى شوند. فيزيك هسته اى يك نظريه موثر براى توصيف هسته است در حالى كه مدل استاندارد يك نظريه موثر براى كوارك ها و گلوآن ها است.
از اين منظر، هر نظريه موثر يك نظريه ناتمام و همچنين بنيادى است كه البته به طور كامل بنيادى نيست. نردبان نظريه هاى موثر تا كجا ادامه پيدا خواهد كرد؟

MSSM مسائلى را كه مدل استاندارد نمى تواند حل كند، حل مى كند، اما هنوز يك نظريه موثر محسوب مى شود، چون آن هم ورودى دارد. شايد اين ورودى ها قابل محاسبه با نظريه ريسمان باشند.
حتى از منظر نظريه هاى موثر، فيزيك ذرات موقعيت خاصى دارد. فيزيك ذرات درك ما از طبيعت را افزايش مى دهد تا نقطه اى كه نظريه اى بدون ورودى فرمول بندى شود. نظريه ريسمان يا يكى از برادرخوانده هايش شايد بتوانند همه ورودى ها را محاسبه كنند _ نه فقط جرم الكترون و كمياتى نظير اين بلكه وجود فضازمان و اصول نظريه كوانتوم. اما ما هنوز يك يا دو نظريه موثر داريم كه با هدف اصلى فاصله دارند.



* Gordon Kane نظريه پرداز ذرات، استاد فيزيك در دانشگاه ميشيگان در آن آربر (Ann Arbor) است. كارهاى او روى آزمايش و گسترش مدل استاندارد فيزيك ذرات متمركز است و به ويژه روى مدل فيزيك هيگز و بسط ابرتقارنى مدل استاندارد با توجه به رابطه آزمايش و نظريه و همچنين رابطه ابرتقارن با فيزيك ذرات و كيهان شناختى كار مى كند. علايق او شامل بازى اسكواش، جست وجو در تاريخ نظريات و پاسخ به اينكه چرا علم در بعضى فرهنگ ها شكوفا شده است و در برخى نه.


منبع : : كوانتوم و فيزيك جديد :