اندازه‌گیری جدید جرم بوزون دبلیو: علم فیزیک در آستانه تحول احتمالی

به نظر می‌رسد اندازه‌گیری‌های جدیدی از جرم یک ذره‌ی بنیادی به نام بوزون دبلیو با جرم مورد قبول در مدل استاندارد فیزیک ذرات در تضاد است. مدل استاندارد فیزیک ذرات درواقع درک کنونی ما از نحوه‌ی برهم‌کنش اجزای بنیادی سازنده‌ی جهان است. نتیجه‌ی اندازه‌گیری‌های اخیر که از یک دهه پیش در حال انجام بوده، به‌شدت مورد بررسی قرار خواهد گرفت؛ اما اگر همه چیز طبق انتظار پیش برود و نتایج تأیید شوند، می‌توانند به نظریه‌های کاملاً جدیدی از فیزیک منجر شود.

به‌باور مارتین مولدرز از آزمایشگاه فیزیک ذرات سرن در نزدیکی ژنو سوئیس، که تفسیری بر نتیجه‌گیری‌های اخیر برای مجله‌ی ساینس نوشته است، این بزرگ‌ترین کشف از زمان شروع مدل استاندارد در حدود ۶۰ سال پیش به‌ شمار خواهد رفت.

مدل استاندارد سه نیروی متمایز را توصیف می‌کند: الکترومغناطیس، نیروی قوی و نیروی ضعیف. ذراتی به نام بوزون به‌عنوان واسطه‌ی این نیروها بین ذرات ماده عمل می‌کنند. نیروی ضعیف که مسئول واپاشی رادیواکتیو است، از بوزون دبلیو به‌عنوان یکی از رابط‌های خود استفاده می‌کند. بوزون دبلیو به‌اندازه‌ای در مدل استاندارد دارای نقش کانونی است که فیزیکدانان از زمان مشاهده‌ی آن برای اولین بار در سال ۱۹۸۳ همواره سعی کرده‌اند جرم آن را با دقت بیشتری اندازه‌گیری کنند.

بااین‌حال می‌دانیم که مدل استاندارد اشتباه است. چراکه این مدل هیچ توضیحی برای گرانش، ماده‌ی تاریک و عدم وجود پادماده در جهان ما ندارد؛ از همین روی، فیزیکدانان دائماً به‌دنبال اندازه‌گیری‌های انحرافی هستند تا شاید در این میان یکی از اندازه‌گیری‌ها بتواند به شکل‌گیری تئوری‌های جدید منتهی شود.

حال آشوتوش کوتوال از دانشگاه دوک در کارولینای شمالی و همکارانش با استفاده از داده‌های برخورددهنده‌ی تواترون در ایالت ایلینوی، اندازه‌گیری جدیدی را برای جرم بوزون دبلیو اعلام کرده‌اند. طبق اندازه‌گیری‌های آن‌ها، جرم این بوزون ۸۰٫۴۳۳۵ گیگاالکترون‌ولت اعلام شده است.

جرم عمومی پذیرفته‌شده برای بوزون دبلیو ۸۰٫۳۷۹ گیگا‌الکترون‌ولت است و هرچند این اختلاف ممکن است در نگاه نخست کوچک به نظر برسد، ولی مقدار جدید دقیق‌ترین مقداری است که تاکنون برای این بوزون به دست می‌آید.

تصویری از شتاب‌دهنده تواترون در سال ۱۹۹۲

یک موضوع مهم‌تر هم در این میان وجود دارد: تفاوت جرم فعلی با مقدار عمومی پذیرفته‌شده برای جرم بوزون دبلیو دارای اهمیت آماری در حدود ۵ سیگما است؛ یعنی از حیث آماری احتمال اینکه الگوی به‌دست‌آمده‌ی اخیر برآمده از یک تصادف یا رویداد اتفاقی آماری باشد حدود یک در ۳٫۵ میلیون است.

فیزیکدانان معمولاً از سیگمای ۵ به‌عنوان سطح اهمیت کمینه برای قلمداد کردن یک دستاورد در دنیای فیزیک به‌عنوان کشف یا یافته‌ی جدید استفاده می‌کنند. جالب است که تفاوت بین اندازه‌گیری جرم جدید با جرم پیش‌بینی‌شده توسط مدل استاندارد حتی بیشتر است، یعنی برابر ۷ سیگما. یعنی احتمال اینکه چنین نتیجه‌ای حاصل یک تصادف یا شانس بوده باشد از نظر آماری تنها یک در ۷۸۰ میلیارد است.

ما فکر می‌کنیم که پاسخ به بررسی دقیق خودمان بستگی دارد.

گروه پژوهشی با تصادم دادن پرتوهای پروتون و پادپروتون به یکدیگر و تجزیه‌و‌تحلیل ذرات تولیدشده در برخورد، جرم بوزون را اندازه گیری کردند. تجزیه‌و‌تحلیل آنقدر پیچیده بود که پس از تعطیلی تواترون در سال ۲۰۱۱، رسیدن به نتیجه‌ی نهایی بیش از یک دهه طول کشید. اما این نتیجه ارزش صرف چنین زمانی را داشته و دستاوردهای احتمالی و همچنین پیامدهای بالقوه‌ی آن پرشمار به نظر می‌رسد. اولریک اگد از دانشگاه موناش استرالیا می‌گوید:

اگر جرم بوزون دبلیو تا این حد از انتظارات مدل استاندارد منحرف شود و اگر همه‌ی عدم قطعیت‌های [سیستماتیک] را هم درک کنیم، در آن صورت با اتفاق بسیار بزرگی مواجه خواهیم بود.

عبارت شرطی «اگر» در این بیانیه‌ها و نقل قول‌ها از سوی بسیاری از فیزیکدانان نکته‌ای مهم و کلیدی است. جامعه‌ی علمی این حوزه هرچند از نتیجه هیجان زده است، ولی درمورد واگرایی آن از اندازه‌گیری‌های قبلی قدری محتاط برخورد می‌کند. ماتیاس شات از سرن، که روی اندازه‌گیری قبلی بوزون دبلیو با استفاده از داده‌های آزمایش ATLAS کار می‌کرد، می‌گوید:

ما ابتدا باید اختلاف بین [این نتیجه] و همه‌ی آزمایش‌های دیگر را قبل فکر کردن به توضیح‌های فیزیکی فراتر از مدل استاندارد درک کنیم.

پی بردن به منبع اختلاف کار آسانی نیست. بوزون‌های دبلیو به سرعت به ذرات دیگری همچون الکترون، نوترینوی الکترونی، میون یا میون نوترینوی سنگین‌تر فروپاشیده می‌شوند. تشخیص نوترینوها کار سختی است، بنابراین کوتوال و تیمش مجبور شدند از روی مقادیر زیادی داده‌ها محل آن‌ها را استنباط کنند. به‌گفته‌ی اگد، توده‌های بوزون دبلیو در ردیف سخت‌ترین اندازه‌گیری‌های تجربی شناخته‌شده‌ تا به‌امروز قرار می‌گیرند.

اندازه‌گیری پروژه ATLAS در سال ۲۰۱۸ برای جرم بوزون دبلیو جدیدترین اندازه‌گیری تا به امروز است؛ اما نتیجه‌ی اتلس شاید کمک چندانی به حل معمای پیش روی دانشمندان نداشته باشد. کوتوال می‌گوید اتلس از دو پرتوی پروتونی به جای پرتوی ثانویه‌ی آنتی‌پروتونی استفاده می‌کرد و همین امر، مقایسه‌ی نتایج و رسیدن به یک برداشت کارامد را سخت‌تر می‌کند.

اگر فیزیکدانان نتوانند ایراد خاصی در کار کوتوال و تیمش پیدا کنند، گام بعدی تولید و به‌تعبیری تکرار اندازه‌گیری دیگری است که می‌تواند ازطریق انجام سه آزمایش در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ حاصل شود. هری کلیف از دانشگاه کمبریج بر این باور است که تنها برخورددهنده‌‌ای روی زمین که انرژی کافی برای ایجاد بوزون‌های دبلیو را دارد، برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ است. برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ پس از تعطیل شدنش از سال ۲۰۱۸، در سال جاری میلادی در حال آماده‌سازی برای راه‌اندازی مجدد است. اما مولدرز می‌گوید داده‌های جمع‌آوری‌شده برای آزمایش CMS در اجرای قبلی می‌تواند اندازه‌گیری جدید بوزون دبلیو را تا سال آینده‌ی میلادی رقم بزند.

اگر نتیجه‌ی اخیر ثابت شود، یافته‌های جدید هم به جرگه‌ی ناهمسانی‌ها و موارد غیرعادی و غیرقابل توضیح دیگری مانند نتایج به‌دست‌آمده از آزمایش Muon g-2 و اختلافات پیداشده در شتاب‌دهنده‌ی هادرونی مربوط به ذرات زیر اتمی موسوم به کوارک‌های پایین خواهد پیوست؛ مواردی که ممکن است نیازمند نظریه‌های جدیدی در علم فیزیک باشند. درحالی‌که در حال حاضر هیچ رقیب روشنی برای چنین نظریه‌ی استاندارد وجود ندارد، اما کوتوال بر این باور است که شاید برخی از انواع ابرتقارن که ایجاب‌کننده‌ی وجود مجموعه‌ای کاملاً جدید از ذرات است، جرم بیشتر برای بوزون دبلیو را به‌خوبی توجیه کنند.

با وجود اینکه تولید نتیجه ۱۰ سال طول کشیده است، ولی کوتوال تصریح می‌کند که این تنها آغازی برای درک اهمیت آن است؛ زیرا فیزیکدانان در سراسر جهان هم‌اکنون به داده‌ها دسترسی دارند و می‌توانند روی آن‌ها کار کنند. او می‌گوید:

علم مورد بررسی قرار خواهد گرفت و ما هم به تفکر در مورد آن ادامه خواهیم داد.

مقاله‌ی ژورنالی مرتبط با این پژوهش را می‌توانید ازطریق این لینک مشاهده کنید.