آیا فیزیک ذرات می‌تواند مدل استاندارد را بازنویسی کند؟

انستیتوی فیزیک هسته‌ای لهستان در بیانیه‌ای اعلام کرد:

در پرتوی آخرین تحلیل‌ها از فروپاشی بیوتی مزون‌ها، عصری جدید، عصر فیزیک جدید، در راه است.

بیوتی مزون یا مزون B، ذره‌ای زیراتمی است و بنابر مدل استاندارد فیزیک ذرات، چارچوب نظری ۴۰ ساله‌ای که تعامل‌های بنیادین ذرات سازنده‌ی مختلف ماده و نیروهای اولیه را توصیف می‌کند، آن‌ها باید در زاویه و فرکانس‌های خاصی دچار فروپاشی شوند.

ایجاد یک چارچوب کاملا جدید، بسیار دشوار است.

پژوهشگران اخیرا دریافته‌اند که بیوتی مزون‌ها کاملا با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد مطابقت ندارند. به‌عنوان مثال، نشریه انستیتوی فوق الذکر، به دیتای سال ۲۰۱۱ و ۲۰۱۲ برخورد دهنده‌ی‌هادرونی بزرگ (LHC)، بزرگ‌ترین و قدرتمندترین شتاب دهنده‌ی ذرات در مرز فرانسه و سوییس، ارجاع می‌دهد. مارچین اخشانچ، فیزیک‌دان لهستانی، مدل تحلیلی جدیدی برای این دیتا ارائه داده است که مشخص می‌کند زاویه‌ی فروپاشی بیوتی مزون با آنچه که مدل استاندارد مشخص می‌کند، متفاوت است.

مارچین اخشانچ تاکید می‌کند که در دنیای فیزیک، یافته‌های جدید، کشف تلقی نمی‌شوند؛ زیرا انحراف‌های چنین دیتایی، چندان بزرگ نیستند. او در ایمیلی واضحا بیان می‌کند:

ما چنین مواردی را مشاهده می‌نامیم.

با این حال، این اختلاف مشاهده‌شده، بدین معنا است که مفهوم جاافتاده‌ی مدل استاندارد به بازبینی اندکی نیاز دارد. مدل استاندارد، جهان اطراف ما را در کوچک‌ترین ابعاد ممکن، در پایه‌ای‌ترین سطح، توضیح می‌دهد. این چارچوب نظری توضیح می‌دهد که ذرات سازنده‌ی جهان اطراف ما، ذرات بنیادی، چگونه با نیروهایی همچون الکترومغناطیس، در کنار یک‌دیگر قرار می‌گیرند.

با آن که مدل استاندارد برای فیزیک‌دان‌ها مفید بوده است؛ اما آن‌ها مدتی است که می‌دانند مدل استاندارد همه چیز را در مورد دنیای زیراتمی توضیح نمی دهد. همانطور که سرن اشاره می‌کند، این نظریه تنها برای سه نیرو از چهار نیرو و با حذف نیروی گرانش، قادر به توجیه پدیده‌ها است. مدل استاندارد قادر به توجیه پدیده‌ای همچون ماده‌ی تاریک، ماده‌ی اسرارآمیزی که در کنار انرژی تاریک، ۹۶ درصد از جهان را تشکیل داده است، نیست. سوال اینجاست که ذرات تازه کشف‌شده، چگونه در این نظریه جای خواهند گرفت. علاوه بر این، ابهاماتی نیز پیرامون ذره‌ی بوزون هیگز، جز اصلی مدل استاندارد وجود دارد.

پژوهشگران در سال ۲۰۱۲ اعلام کرده‌اند که توانسته‌اند با استفاده از برخورددهنده‌ی‌هادرونی بزرگ، ذره‌ای را کشف کنند که به نظر همان ذره‌ی گمشده است؛ اما پرونده‌ی بررسی این ذره، هنوز بسته نشده است. در وب سایت سرن، چنین توضیحی آمده است:

این ذره با تعریف‌های بوزون هیگز مطابقت دارد؛ اما برای تایید یکی بودن آن با ذره‌ی بوزون هیگز پیش‌بینی شده توسط مدل استاندارد، به تلاش بیشتری نیاز است.

آیا تمامی این حرف‌ها بدین معنا است که باید مدل استاندارد را کنار گذاشت و دوباره شروع کرد؟ نه به این شدت. جان کمپل، فیزیک‌دان نظری در لابراتوار ملی شتاب‌دهنده‌ی فرمی، برترین لابراتوار فیزیک ذرات در ایالات متحده، باور دارد که شاید اعمال تغییراتی در مدل استاندارد کافی باشد:

هر نظریه‌ی جایگزین مدل استاندارد، به مشاهدات تجربی بسیار در مدت زمانی بسیار طولانی نیاز دارد. ایجاد چارچوبی کاملا جدید که تمامی پدیده‌های مشاهده شده را با موفقیت، مانند مدل استاندارد توضیح دهد، دشوار است.

او می‌گوید که بهترین رویکرد می‌تواند اضافه کردن تبصره‌هایی به مدل استاندارد باشد که ذرات جدید را توصیف کرده و در مورد برهم کنش آن‌ها با ذرات گفته شده در مدل استاندارد توضیح دهد:

تبصره‌های ممکن بسیاری وجود دارد. اما تعداد این تبصره‌ها با توجه به اینکه نتایج آن‌ها نباید با مشاهدات کنونی تضاد داشته باشد، کاهش می‌یابد.

یکی از قابل‌توجه‌ترین تبصره‌ها، توضیحی خواهد بود که برای ماده‌ی تاریک در چارچوب مدل استاندارد بیان خواهد شد. کمپل می‌گوید:

چنین کشفی، تاثیری عمیق نه فقط در فیزیک ذرات، بلکه در کیهان‌شناسی بر جای خواهد گذاشت. با فرض نظریه‌ی ماده تاریک، ما قادر می‌شویم تا تاثیرات مورد انتظار را با دقت محاسبه کنیم. به عنوان مثال، ما درک بهتری از چگونگی مشاهده مستقیم و تاثیر آن بر کیهان به دست خواهیم آورد.