Real Time Web Analytics هر آنچه باید در مورد نظریه وحدت بزرگ فیزیک بدانید: اتحاد نیروهای طبیعت به جز گرانش سرکش! | دیپ لوک

هر آنچه باید در مورد نظریه وحدت بزرگ فیزیک بدانید: اتحاد نیروهای طبیعت به جز گرانش سرکش!

0

آلبرت اینشتین، سال‌های پایانی عمرش را در جستجوی نظریه‌ی همه چیز گذراند، اما متاسفانه تلاشش به نتیجه نرسید. نظریه همه چیز، نه تنها آرزوی اینشتین، بلکه هدف غایی تمام فیزیکدانانی است که در جستجوی کشف رازهای طبیعت هستند. نظریه همه چیز به نظریه‌ای اتلاق می‌شود که بتواند هر چهار نیروی بنیادی طبعیت، یعنی گرانش، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف و الکترومغناطیس را با هم متحد کند، چیزی که تاکنون، به‌طور کامل تحقق نیافته، چرا که گرانش، نیروی سرکشی است که به این راحتی، در قاب سه نیروی دیگر، جای نمی‌گیرد. سه نیروی بنیادی دیگر، تحت نظریه‌ای به نام وحدت بزرگ فیزیک با هم متحد شده‌اند. در این مقاله، به طور مختصر و مفید با این نظریه آشنا خواهید شد. با دیپ لوک همراه باشید…

لاورنس کراوس - نظریه وحدت بزرگ فیزیک
لاورنس کراوس – نظریه وحدت بزرگ فیزیک

لاورنس کراوس، فیزیکدان و کیهان‌شناس برجسته‌ی دانشگاه دولتی آریزونا است. او نویسنده کتاب‌های پر فروش جهانی از هیچ و فیزیک پیشگامان فضا می‌باشد. در ادامه مطلبی از یکی از کتابهای در دست انتشار او که در مورد تاریخچه نظریه وحدت بزرگ فیزیک است را می‌خوانید. این نوشتار ترجمه‌ی مطلب منتشرشده توسط وی در سایت معتبر Nautilus است.

فیزیک ذرات، قبل از کشف ذره هیگز در سال ۲۰۱۲ میلادی، با دو کابوس مواجه بود. اول اینکه برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC)، هیچ را مشاهده کند؛ در این صورت، احتمالا LHC، آخرین شتابدهنده‌ی بزرگی می‌بود که برای بررسی ساختار بنیادی کیهان ساخته شده است. دوم اینکه LHC‌، ذره هیگز که توسط پیتر هیگز فیزیکدان نظری در سال ۱۹۶۴ پیش بینی شده بود را کشف خواهد کرد یا نه. هر زمان که قسمتی از حقایق را آشکار کردیم، حقایق دیگری هم با آن کشف شد، بنابراین هر پیشرفت مهم و جدیدی در علم، معمولا به سوال و جواب و چالش بیشتری منجر شده و از طرفی به مسیر و روش‌های جواب دادن ما به این سوالات، کمک خواهد کرد. کشف موفقیت آمیز ذره هیگز و تأیید وجود یک میدان هیگز زمینه و نامرئی در فضا (در جهان کوانتومی، هر ذره به یک میدان مرتبط است)، تایید عمیقی برای پیشرفت های علمی برجسته قرن بیستم بود.

هرچندکه عبارت شلدون گلاشو همچنان درست به نظر می‌رسد:‌

هیگز مانند یک توالت است! همه جزئیاتی را که ترجیح می‌دهیم درباره آن صحبت نکنیم، پنهان می‌کند.

میدان هیگز با اکثر ذرات بنیادی که در فضا سیر می‌کنند، برهمکنش می‌کند و با ایجاد یک نیروی مقاوم که حرکت آنها را کند می‌کند باعث جرمدار شدن آنها می‌شود. بنابراین اندازه‌گیری جرم‌ ذرات بنیادی که جهان تجربی ما را ساخته‌اند، چیزی شبیه تصور و خیال ما از آنهاست که در دنیای ما نمود می‌یابد. این ایده زیباست و به مدل استاندارد که سه مورد از چهار نیروی شناخته شده‌ی طبیعت و چگونگی برهمکنش این نیروها با ماده را توضیح می‌دهد، اضافه شده است. در واقع ایده هیگز به نظریه استاندارد، اضافه شده تا آنچه برای مدلسازی دقیق جهان تجربی نیاز است را کامل کند (اما واقعا برای آن، الزامی نیست). خوشبختانه جهان می‌تواند با ذرات بدون جرم و نیروی ضعیف دوربرد (که در کنار نیروی قوی، گرانش و الکترومغناطیس، چهار نیروی شناخته شده طبیعت را تشکیل می‌دهند) هم وجود داشته باشد. فیزیک هیگز در مدل استاندارد دقیق نیست، چرا که هیگز می‌توانست ۲۰ برابر سنگین‌تر یا ۱۰۰ برابر سبک‌تر باشد!

چرا و چگونه هیگز وجود دارد؟ و چرا چنین جرمی دارد؟ اگر هیگز وجود نداشته باشد، جهانی که ما می‌بینیم هم وجود نخواهد داشت.‌ درک فیزیک مربوط به هیگز، درک چگونگی به‌وجود آمدن ماست. وقتی می‌پرسیم چرا ما اینجاییم؟ در واقع در سطح بنیادی‌تری می‌توانیم بپرسیم چرا هیگز اینجاست؟ و مدل استاندارد هیچ پاسخی به این سؤال نمی‌دهد! با این حال، جزییاتی وجود دارد که از ترکیب نظریه و آزمایش بدست می‌آید. اندکی بعد از اینکه ساختار اساسی مدل استاندارد در سال ۱۹۷۴ کاملا تثبیت شد، و قبل ازاینکه جزئیات از نظر تجربی و آزمایشگاهی در دهه بعد تأیید شوند، دو گروه مختلف از فیزیکدانان در هاروارد که شلدون گلاشو و استیون واینبرگ در آنجا کار می‌کردند، متوجه نکته‌ی جذابی شدند. گلاشو همراه با هاوارد جرجی به جستجوی الگوهایی میان ذرات و نیروهای موجود پرداختند و با استفاده از ریاضیات نظریه گروه به دنبال احتمالات جدید گشتند.

واینبرگ، گلاشو و عبدالسلام نشان دادند که در مدل استاندارد، نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی طبیعت در مقیاس انرژی بالا، به یک نیروی واحد، متحد می‌شوند که آن را نیروی الکتروضعیف نامگذاری کرده‌اند. این بدان معناست که ریاضیات حاکم بر نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی یکسان هستند. هر دو نیرو با تقارن ریاضی یکسانی مقید می‌شوند و بازتاب متفاوتی از یک نظریه اساسی و واحد هستند. تقارن، به‌واسطه برهمکنش میدان هیگز با ذرات حامل نیروی ضعیف، به‌طور خودبخود می‌شکند، نه به خاطر برهمکنش با ذره های حامل نیروی الکترومغناطیسی. این شکست خودبخود تقارن طبیعت، باعث می‌شود که این دو نیرو به عنوان دو نیروی مجزا و جداگانه در مقیاس هایی که ما می‌توانیم اندازه گیری کنیم ظاهر شوند: با کوتاه برد بودن نیروی ضعیف و بلند برد ماندن نیروی الکترومغناطیسی.

جرجی و گلاشو تلاش کردند تا ایده متحد کردن نیروها را برای نیروی قوی هم گسترش دهند و نشان دادند که تمام ذرات شناخته شده و سه نیروی طبیعت (هسته ای ضعیف، هسته ای قوی و الکترومغناطیس) می‌توانند به طور طبیعی در یک ساختار بنیادی متقارن و یگانه، با هم متحد شوند. سپس حدس زدند که این تقارن می‌تواند در مقیاس های انرژی خیلی بالا (و مقیاس مسافت کم)، یعنی فراتر از محدوده انرژی آزمایش‌های فعلی و با باقی گذاردن دو تقارن ناشکسته جداگانه به‌طور خودبخودی به نیروهای مجزای الکتروضعیف و قوی بشکند. پس از آن در یک مقیاس انرژی پایینتر و با مسافت زیاد، تقارن الکتروضعیف با تجزیه نیروی الکتروضعیف به نیروی ضعیف کوتاه برد و نیروی الکترومغناطیسی بلند برد خواهد شکست. آنها با فروتنی کامل این نظریه را نظریه وحدت بزرگ (GUT) نامیدند. در همان زمان، واینبرگ و جرجی همراه با هلن کویین با دنبال کردن کارهای فرانک ویلچک، دیوید گراس و دیوید پولیتزر متوجه نکته‌ی جالبی شدند. در حالی که برهمکنش قوی در مقیاس های با مسافت کوتاه‌تر، ضعیفتر است، برهمکنش های ضعیف و الکترومغناطیسی قوی‌ترند.

وقتی آنها محاسبات را انجام دادند، دریافتند که چنین وحدتی ممکن به نظر می‌رسد. اما فقط اگر مقیاس وحدت از لحاظ مقیاس، در حدود ۱۵ مرتبه کمتر از اندازه پروتون باشد. اگر تمام ذراتی که در طبیعت مشاهده می‌کنیم با این روش متحد شوند، آنگاه ذرات جدیدی (با نام بوزون های پیمانه‌ای) وجود خواهند داشت که انتقالات بین کوارک‌ها را ایجاد می‌کنند (که پروتون‌ها و نوترون‌ها هم، اینگونه تشکیل می‌شوند) و همچنین انتقالات بین الکترون‌ها و نوترینوها را انجام می‌دهند. این بدین معناست که پروتون‌ها می‌توانند به ذرات سبک‌تر، واپاشی کنند که می‌توانیم آنها را مشاهده کنیم. به تعبیر گلاشو، الماس‌ها جاویدان نیستند!

حتی پس از آن هم معلوم بود که پروتون‌ها باید طول عمر باورنکردنی داشته باشند؛ نه تنها به این دلیل که ما هنوز با گذشت تقریبا ۱۴ میلیارد سال پس از بیگ بنگ، وجود داریم، بلکه به خاطر اینکه همه ما در کودکی از سرطان نمی‌میریم! اگر پروتون‌ها با طول عمر متوسط کمتر از تقریبا یک میلیارد میلیارد سال واپاشی کنند، آن وقت به اندازه کافی پروتون در بدن ما در کودکی واپاشی خواهد کرد تا با تولید تابش کافی باعث کشته شدن ما شود. به یاد آورید که در مکانیک کوانتومی، فرآیندها احتمالاتی هستند. اگر میانگینی از پروتون‌ها، یک میلیارد میلیارد سال زندگی کنند و اگر همانقدر پروتون داشته باشیم، آنگاه به طور متوسط در هر سال، یک پروتون واپاشی خواهد کرد. در بدن ما کمی بیشتر از یک میلیارد میلیارد پروتون وجود دارد!

با این حال، با مقیاس طول بینهایت کوچک پیشنهاد شده و بنابراین مقیاس جرم بینهایت بزرگ وابسته به شکست خودبخود تقارن در وحدت بزرگ، بوزون‌های پیمانه‌ای جدید جرم خیلی زیادی کسب می‌کنند؛ بنابراین برهمکنش هایی که این بوزون‌ها واسطه هستند را خیلی کوتاه برد می‌کند و آنها به طور باورنکردنی در مقیاس پروتون‌ها و نوترون‌های امروزی ضعیف خواهند بود. در نتیجه پروتون‌ها می‌توانند واپاشی کنند و شاید یک میلیون میلیارد میلیارد میلیارد سال قبل از اینکه واپاشی کنند، زنده می‌مانند!

با نتایج گلاشو وجرجی و همچنین جرجی،کویین و واینبرگ، و پس از موفقیت نظریه الکتروضعیف، فیزیکدانان ذرات، حس جاه طلبی می‌کردند. چگونه می‌توان فهمید که این ایده درست بوده است؟ راهی وجود ندارد تا یک شتابدهنده بسازیم که مقیاس انرژی یک میلیون میلیارد برابر بزرگتر از انرژی پروتون را بررسی کند. چنین ماشینی باید محیطی به اندازه محور گردش ماه به دور زمین داشته باشد! حتی اگر چنین کاری، ممکن هم باشد، با توجه به تجربه قبلی شکست پروژه فوق برخورد دهنده ابررسانا (SSC)، هیچ دولتی، این هزینه را پرداخت نخواهد کرد.

خوشبختانه راه دیگری وجود دارد: با استفاده از استدلال احتمالاتی نشان دادیم که محدودیت‌هایی برای طول عمر پروتون داریم. اگر نظریه وحدت بزرگ فیزیک جدید، طول عمر پروتون را یک هزار میلیارد میلیارد میلیارد سال، پیش‌بینی کند، در نتیجه اگر یک هزار میلیارد میلیارد میلیارد پروتون را در یک آشکارساز منفرد بتوان قرار داد، به طور متوسط یکی از آنها هر سال واپاشی خواهد کرد. کجا می‌توانیم این مقدار زیاد پروتون را پیدا کنیم؟ ساده است: در حدود ۳۰۰۰ تن آب.

پس همه آنچه که نیاز است تهیه یک تانک آب بود که در تاریکی قرار داده و اطمینان حاصل شود که هیچ پس زمینه‌ی رادیواکتیوی وجود ندارد. از طرفی باید آن را با لوله‌های حساس به نور که می‌تواند درخشش‌های نور را در آشکارکننده آشکارسازی کند، بپوشانیم و سپس برای دیدن نور حاصل از واپاشی یک پروتون، یکسال انتظار بکشیم! برای انجام این آزمایش، دو آزمایشگاه بزرگ راه اندازی و ساخته شد: یکی زیرِ زمین در نزدیکی دریاچه ایری در امریکا در یک معدن نمک و دیگری در یک معدن نزدیک کامیوکا در کشور ژاپن. در واقع دلیل انتخاب معادن، جلوگیری از اشعه های کیهانی بود که می‌توانند سیگنال‌های واپاشی پروتون را مخفی کنند. هر دو آزمایش حدودا از سال ۱۹۸۳-۱۹۸۲ شروع شدند. آنچه واضح است وحدت بزرگ خیلی متقاعدکننده بود که جامعه فیزیک مطمئن بودند خیلی زود یک سیگنال خواهند دید. در واقع وحدت بزرگ اوج یک دهه تغییر و کشف حیرت انگیز در فیزیک ذرات به نظر می‌آمد و همچنین جایزه نوبلی دیگر برای گلاشو و همکارانش! اما متاسفانه طبیعت در این مورد خیلی مهربان نبود! هیچ سیگنالی در سال اول دیده نشد و سال دوم و سوم هم هم همین‌طور. مدل ساده و ظریف پیشنهاد شده توسط گلاشو و جرجی خیلی زود رد شد. اما با اینکه نقص وحدت بزرگ فیزیک درک شد، باز هم کنار گذاشتن کامل آن آسان نبود. پیشنهادهای دیگری از نظریه‌های وحدت بزرگ فیزیک ارائه شدند که تلاش می‌کرد عدم واپاشی پروتون را در آزمایش‌های در دست اقدام توجیه کند.

در ۲۳ فوریه ۱۹۸۷، رویدادی دیگر اتفاق افتاد و چیزی را نشان داد که من به آن اعتقاد پیدا کردم:‌ هرگاه پنجره‌ای جدید رو به جهان گشودیم، شگفت زده شدیم. در آن روز یک گروه از ستاره‌شناسان، نزدیکترین ستاره در حال انفجار را مشاهده کردند (یک ابرنواختر). این ستاره حدود ۱۶۰ هزار سال نوری دورتر از ما در ابر ماژلانی بزرگ قرار داشت.

اگر ایده‌ی ما در مورد ستاره های در حال انفجار درست باشد، بیشترین انرژی آزاد شده باید به شکل نوترینو آزاد شود. نور مرئی آزاد شده، خیلی زیاد است، به‌طوری که وقتی ابرنواخترها منفجر می‌شوند (تقریبا یک انفجار در هر ۱۰۰ سال در یک کهکشان)، نورانی‌ترین نورافشانی کیهانی در آسمان هستند؛ با این حال، محاسبات نشان دادند لازم است آشکارسازهای آبی IMB و کامیوکاند(Kamiokande)، حدود ۲۰ رویداد نوترینو ببینند. وقتی دانشمندان داده های این دو آزمایش را مرور کردند، IMB در بازه زمانی ۱۰ ثانیه، هشت رویداد نشان داد و کامیوکاند هم، یازده رویداد را آشکار کرد. در جهان فیزیک نوترینو، این یک سیل اطلاعات بود و اختر شناسی نوترینویی ناگهان دچار تحول شد چرا که این ۱۹ رویداد موجب شد حدود ۱۹۰۰ مقاله توسط فیزیکدانان ارائه شود!

وقتی دانشمندان دریافتند که آشکارسازهای بزرگ واپاشی پروتون می‌توانند برای آشکارسازی نوترینوها هم به‌کار روند، شروع به ساخت آشکارسازهایی با این دو هدف کردند. یکی از بزرگترین آنها در جهان، دوباره در معدن کامیوکا ساخته شد و سوپرکامیوکاند نام گرفت. این نامگذاری به این علت بود که از ۵۰۰۰۰ تن آب که با ۱۱۸۰۰ لوله حساس به نور احاطه شده بود، تشکیل می‌شد. اگرچه این آشکارساز در یک معدن فعال راه‌اندازی شده بود، اما محیط آزمایش به خوبی یک اتاق تمیز آزمایشگاهی حفظ شده بود، زیرا در آشکارسازی با این ابعاد، فقط نگرانی در مورد اشعه های کیهانی بیرونی نبود، بلکه آلاینده‌های رادیواکتیویته داخلی در آب نیز می‌توانست سیگنال‌ها را مخفی کند.

در همین حال، علاقه به مبحث نوترینوی اخترفیزیکی در این دوره، خیلی بالا گرفت. خورشید به دلیل واکنش هسته‌ای در هسته خود، نوترینو تولید می‌کند و فیزیکدانی به نام ری دیویس (Ray Davis)، بیش از ۲۰ سال با استفاده از یک آشکارساز عظیم زیر زمین، نوترینوهای خورشیدی را آشکارسازی کرد، اما نرخ رویدادی با ضریب ۳ برابر کمتر از آنچه که با استفاده از بهترین مدل‌های خورشیدی انتظار می‌رفت، پیدا می‌کرد. نوع جدیدی از آشکارساز نوترینوی خورشیدی در یک معدن عمیق در سادبری کانادا ساخته شد که به مشاهده‌گر نوترینوی سادبری (SNO) معروف شد.

بیش از ۲۰ سال است که سوپرکامیوکاند، پیوسته فعال است. هیچ نشانه‌ای از واپاشی پروتون دیده نشده و هیچ ابرنواختر جدیدی هم مشاهده نشده است. با این حال، مشاهدات دقیق نوترینوها در این آشکارساز عظیم که با مشاهدات تکمیلی در SNO ترکیب شده، ثابت می‌کند که کمبود نوترینوی خورشیدی مشاهده شده توسط ری دیویس واقعی است و به دلیل اثرات اخترفیزیکی در خورشید نیست، بلکه به خاطر ویژگیهای نوترینوهاست. نتیجه این بود که حداقل یکی از سه نوع از نوترینوها، جرم‌دار است. به دلیل اینکه مدل استاندارد نمی‌تواند جرم نوترینوها را توضیح دهد، این اولین مشاهده قطعی بود که معلوم می‌کرد فیزیک جدید ورای مدل استاندارد و هیگز باید بر طبیعت حکمفرما باشد.

بلافاصله بعد از این، مشاهده نوترینوهای پرانرژی که مرتبا زمین را بمباران می‌کردند، نشان داد که دومین نوع نوترینوها هم جرم دارد. این جرم به نحوی بزرگتر از جرم نوترینوی نوع دیگر اما هنوز خیلی کوچکتر از جرم الکترون بود. به خاطر این نتایج، مدیران تیم‌های تحقیقاتی SNO‌ و کامیوکاند جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۵ را از آن خود کردند. تا به امروز، این فیزیک جدید توسط نظریه ‌های فعلی توضیح داده نشده است.

عدم واپاشی پروتون در حالی که نا امیدکننده بود، اما خیلی غیرمنتظره نبود. اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر قدرت واقعی سه برهمکنش غیر گرانشی که با محاسبات پیچیده‌تر تغییر در قدرت این برهمکنش‌ها بر حسب فاصله ترکیب شده بود، نشان داد که اگر ذرات مدل استاندارد تنها ذرات موجود در طبیعت باشند، قدرت سه نیرو در یک مقیاس واحد متحد نمی‌شود. برای اینکه وحدت بزرگ فیزیک برقرار باشد، فیزیک‌ جدید در مقیاس‌های انرژی فرای آن مقیاسی که به‌حال مشاهده شده، باید وجود داشته باشد. حضور ذرات جدید نه تنها مقیاس انرژی را که سه نیرو در آن متحد می‌شوند تغییر خواهد داد، بلکه تمایل به افزایش مقیاس وحدت بزرگ فیزیک خواهد داشت. در نتیحه نرخ واپاشی پروتون را سرکوب کرده که به طول عمر پیش‌بینی شده بیش از یک میلیون میلیارد میلیارد میلیارد سال منجر می‌شود.

وقتی این پیشرفت‌ها حاصل شد، نظریه‌پردازان با ابزارهای جدید ریاضی به سوی کشف نوع جدیدی از تقارن در طبیعت حرکت کردند که با نام ابرتقارن شناخته می‌شود. این تقارن بنیادی از تمام تقارن های شناخته شده قبلی متمایز بود. ابرتقارن، دو نوع متفاوت ذرات یعنی فرمیون‌ها (ذراتی با اسپین نیمه صحیح) و بوزون‌ها (ذرات با اسپین صحیح)‌ را به هم مرتبط می‌کرد. نتیجه وجود این تقارن در طبیعت این بود که به ازای هر ذره شناخته شده در مدل استاندارد، حداقل یک ذره بنیادی جدید متناظر با آن ذره وجود دارد. برای هر بوزون شناخته شده، باید یک فرمیون جدید وجود داشته باشد و برای هر فرمیون یک بوزون جدید. از آنجایی که ما این ذرات را هیچگاه مشاهده نکرده‌ایم، این تقارن نمی‌تواند در جهان ما و در سطحی که ما آنرا تجربه کنیم ظهور پیدا کند و باید شکسته شود؛ به این معنی که ذرات جدید آنقدر جرم بدست آورده‌ و به قدری سنگین شده‌اند که در هیچ شتاب‌دهنده‌ای که تا به حال ساخته شده مشاهده نشده‌اند.

چه چیزی در مورد تقارنی که ناگهان تعداد همه ذرات موجود در طبیعت را دو برابر می‌کند، می‌تواند جذاب باشد، آن هم بدون هیچ مدرکی از وجود چنین ذراتی؟ قطعا بیشترین سهم جواب این سوال، به وحدت بزرگ فیزیک مربوط می‌شود، زیرا اگر یک نظریه وحدت بزرگ فیزیک در مقیاس جرمی ۱۵ تا ۱۶ مرتبه بزرگی پرانرژی‌تر از جرم سکون پروتون وجود داشته باشد، حدود ۱۳ مرتبه بزرگی هم بیشتر از مقیاس شکست تقارن الکتروضعیف است. سوال بزرگ این است که چرا و چگونه چنین اختلاف بزرگی در مقیاس می‌تواند برای قوانین بنیادی طبیعت وجود داشته باشد؟ به طور خاص، اگر مدل استاندارد هیگز آخرین مورد درست باقی مانده در مدل استاندارد باشد، آنگاه این سوال پیش می‌آید که چرا مقیاس انرژی شکست تقارن هیگز، ۱۳ مرتبه کوچکتر از مقیاس شکست تقارن همبسته با هر میدان جدیدی است که باعث شکست تقارن GUT  می‌شود؟

با سه سال فعالیت LHC‌، تاکنون هیچ نشانه‌ای از ابرتقارن دیده نشده است.

مسئله کمی مشکلتر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد. وقتی اثرات ذرات مجازی در نظر گرفته شود (که در مدت زمان خیلی کوتاهی پدید آمده و ناپدید می‌شوند و حتی آنقدر کوتاه که نمی‌توان وجودشان را به‌طور غیرمستقیم بررسی کرد)، یعنی ذراتی با جرم دلخواه بزرگ مانند ذرات پیمانه‌ای نظریه وحدت بزرگ فیزیک فرضی تمایل دارند جرم و مقیاس شکست تقارن هیگز را افزایش دهند به طوری که ضرورتا نزدیک یا برابر با مقیاس GUT‌ سنگین شود. این یک مشکل جدید به وجود می‌آورد که به مشکل طبیعی بودن معروف شد. این از لحاظ فنی غیر طبیعی است که یک سلسله مراتب بزرگ بین مقیاسی که در آن تقارن الکتروضعیف توسط ذره هیگز شکسته می‌شود و مقیاس شکست تقارن GUT‌ که توسط یک میدان اسکالر سنگین جدید شکسته می‌شود، داشته باشیم.

فیزیکدان و ریاضیدان برجسته ادوارد ویتن در یک مقاله تأثیرگذار در ۱۹۸۱ استدلال کرد که ابرتقارن یک ویژگی خاص دارد. ابرتقارن می‌تواند اثری که ذرات مجازی با جرم و انرژی دلخواه بزرگ بر روی خصوصیات جهان در مقیاس‌هایی که ما در حال حاضر می‌توانیم بررسی کنیم می‌گذارند را خنثی کند. از آنجایی که فرمیون‌ها و بوزون‌های مجازی با جرم یکسان، تصحیحات کوانتومی تولید می‌کنند که به‌جز در علامت، یکسان هستند، اگر هر بوزون با یک فرمیون با جرم برابر متناظر شود، آنوقت اثرات کوانتومی ذرات مجازی از بین خواهد رفت. این بدین معناست که اثرات ذرات مجازی با جرم و انرژی دلخواه بزرگ روی ویژگی‌های فیزیکی جهان در مقیاس‌هایی که ما می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم، می‌تواند از بین رود.

به هر حال اگر ابرتقارن، خودش شکسته شود (یا تمام شریک‌های ابرتقارنی ماده اصلی با ذرات مشاهده شده جرم برابر داشته باشند و ما آنها را مشاهده کنیم)، تصحیحات کوانتومی به طور کامل حذف نمی‌شوند. در عوض آنها به جرم‌هایی منجر خواهند شد که در مرتبه یکسانی با مقیاس شکست ابرتقارن هستند. اگر این مقیاس با مقیاس شکست تقارن الکتروضعیف قابل مقایسه باشد، توضیح خواهد داد که چرا مقیاس جرم هیگز این مقدار است؛ از طرفی بدان معناست که باید انتظار داشته باشیم که تعداد زیادی ذره جدید (شریک‌های ابرتقارنی ماده اصلی) را در مقیاس حال حاضر LHC مشاهده کنیم. این امر می‌تواند مشکل طبیعی بودن را حل کند، زیرا جرم‌های بوزون هیگز را از تصحیحات کوانتومی ممکن که می‌تواند آنها را تا مقیاس انرژی همبسته با وحدت بزرگ فیزیک افزایش دهد، حفظ خواهد کرد. ابرتقارن می‌تواند یک سلسله مراتب بزرگ طبیعی را در انرژی (و جرم) با جدا کردن مقیاس الکتروضعیف از مقیاس وحدت بزرگ ممکن کند.

این ابرتقارن در اصل می‌تواند مشکل سلسله مراتبی را حل کند و باعث شود که نظریه پردازان شروع به اکتشاف مدل‌هایی که شکست ابرتقارن را در خود دارند، کنند. با این وجود ارزش ابرتقارن خیلی بالاتر رفت. اگر کسی امکان شکست خودبه‌خود ابرتقارن را در محاسبات چگونگی تغییر سه نیروی غیرگرانش بر حسب فاصله به‌حساب آورد، آنگاه قدرت سه نیروی به طور طبیعی، به یک مقیاس خیلی کم مسافت و واحد همگرا خواهد شد: یعنی وحدت بزرگ دوباره ماندنی می‌شود!

مدل‌هایی که در آنها ابرتقارن شکسته شده، ویژگی جذاب دیگری دارند. قبل از کشف کورک بالا (top)، به‌درستی اشاره شد که اگر کوارک بالا سنگین باشد، از طریق برهمکنش با شریک‌های ابرتقارنی دیگر می‌تواند تصحیحات کوانتومی برای ویژگیهای ذره هیگز تولید کند که موجب خواهد شد میدان هیگز به شکل یک میدان زمینه همدوس سراسر فضا را در مقیاس انرژی اندازه گیری شده‌اش در زمان حال پر کند (اگر وحدت بزرگ فیزیک در یک مقیاس فوق سنگین بسیار بالاتری اتفاق بیفتد). به‌طور خلاصه، مقیاس انرژی شکست تقارن الکتروضعیف می‌تواند به طور طبیعی در یک نظریه به‌وجود آید که در آن وحدت بزرگ فیزیک در یک مقیاس انرژی بسیار بالاتر رخ می‌دهد. وقتی کوارک بالا کشف و دیده شد که سنگین است، شانس  اینکه شکست ابرتقارن می‌تواند مسول مقیاس انرژی مشاهده شده در برهمکنش ضعیف باشد، زیاد شد.

برای آنکه وحدت بزرگ فیزیک رخ دهد، فیزیک جدید در مقیاس انرژی فراتر از آنچه که تا به حال مشاهده شده باید وجود داشته باشد.

برای کار کردن این نظریه، باید دو بوزون هیگز وجود داشته باشد نه یکی. از طرفی اگر بتوان یک شتابدهنده مانند LHC‌ ساخت که ذرات جدید نزدیک به مقیاس الکتروضعیف را بررسی کند، می‌توان انتظار داشت که ذرات ابرتقارنی جدید را پیدا کنیم. در نهایت، سبک‌ترین هیگز در نظریه نمی‌تواند خیلی سنگین باشد یا اینکه این مکانیزم جواب نخواهد داد. همانطور که محققان به تلاش خود برای کشف هیگز ادامه می‌دادند، شتاب‌د‌هنده‌ها به جرم بالاتری از بوزون هیگز سبکتر در نظریه های ابرتقارنی نزدیک می‌شدند که چیزی حدود ۱۳۵ برابر جرم پروتون بود. اگر هیگز تا آن مقیاس رد می‌شد، نشان می‌داد همه چیز در مورد ابرتقارن درست است.

اما نتیجه کاملا متفاوت از آب درآمد. هیگز مشاهده شده در LHC‌، جرمی ۱۲۵ برابر جرم پروتون دارد. جواب در حال حاضر خیلی واضح نیست. اگر شریک‌های ابرتقارنی ذرات اصلی وجود داشته باشند، اثراتشان باید در LHC‌ خیلی برجسته باشد، طوری که بسیاری از دانشمندان تصور می‌کنند که LHC‌، برای کشف ابرتقارن نسبت به کشف هیگز، شانس بیشتری دارد. اما با گذشت سه سال از راه‌اندازی LHC‌، هیچ نشانه ای از ابرتقارن دیده نشده است. وضعیت، نامساعدتر از قبل به نظر می‌رسد. محدوده آستانه‌ای در مورد ذرات ابرتقارنی شریک ذرات اصلی در حال زیاد شدن است. اگر این حدها خیلی بالا روند، مقیاس شکست ابرتقارن دیگر خیلی به مقیاس الکتروضعیف نزدیک نخواهد بود و یک سری از ویژگی‌های جذاب شکست ابرتقارن برای حل مشکل سلسله مراتبی از میان خواهد رفت. اما وضعیت هنوز کاملاً ناامیدکننده نیست و LHC‌ این بار با انرژی بالاتری به کار افتاده است. شاید ذرات ابرتقارنی به‌زودی کشف شوند! اگر چنین اتفاقی رخ دهد، نتیجه مهم دیگری حاصل خواهد شد. یکی از بزرگترین رازهای کیهان‌شناسی، ماهیت ماده تاریک است که بیشتر جرم تمام کهکشان‌ها را تشکیل می‌دهد. ماده تاریک بیش از آن مقداری است که از ذرات مادی معمولی تشکیل شده باشد، زیرا مثلا پیش‌بینی فراوانی عناصر سبکی مانند هلیوم تولید شده در بیگ بنگ با مشاهدات در توافق نیست؛ بنابراین فیزیکدانان مطمئنند ماده تاریک، از نوعی ذره بنیادی جدید ساخته شده است. اما چه نوعی؟

سبک‌ترین شریک ابرتقارنی ماده اصلی در بیشتر مدل‌ها، کاملا پایدار است و برخی ویژگی‌های نوترینوها را دارد. از لحاظ الکتریکی، خنثی است و برهمکنش ضعیف انجام می‌دهد به طوری که هیچ نوری گسیل یا جذب نمی‌کند. علاوه براین، محاسبات ۳۰ سال پیش نشان داد که فراوانی سبک‌ترین ذره ابرتقارنی باقی‌مانده بعد از بیگ بنگ، به طور طبیعی در محدوده‌ای است که ماده تاریک می‌تواند بیشتر جرم کهکشان‌ها را تشکیل دهد. هاله‌ای از ذرات ماده تاریک در سراسر کهکشان ما پخش شده است. همچنین دانشمندان مدتی قبل فهمیدند اگر آشکارسازهای حساسی را طراحی کرده و زیر زمین قرار دهیم (مانند آشکارسازهای نوترینو که از قبل در زیر زمین قرار گرفته‌اند)، می‌توان این ذرات ماده تاریک را مستقیما آشکارسازی کرد. آزمایش‌هایی در این زمینه، در حال انجام است و تا به حال، چیزی مشاهده نشده است. بنابراین ما هم در بهترین زمان و هم بدترین زمان ممکن قرار داریم! رقابت بین آشکارسازهای LHC‌ و آشکارسازهای زیر زمین، برای اول شدن در کشف ماهیت ماده تاریک. هر گروه که زودتر نشانه‌ای را گزارش کند، پیشروی کشف جهان جدیدی خواهد بود که به درک وحدت بزرگ فیزیک منجر می‌شود. اگر در این سال‌ها کشفی صورت نگیرد، ما باید ایده منشأ ابرتقارنی ماده تاریک و ابرتقارن به عنوان حل مشکل سلسله مراتبی را کنار بگذاریم.

مسئله وقتی جالبتر شد که LHC‌، نشانه‌ای از ذره‌ای با جرمی حدود شش برابر سنگین‌تر از ذره هیگز را گزارش کرد. این ذره هیچ خصوصیتی را که از یک ذره شریک ابرتقارنی انتظار می‌رود، ندارد. حدود شش ماه پس از اینکه اولین نشانه ظاهر شد و زمانیکه داده های بیشتری گردآوری شدند، این نشانه ناپدید شد. اگر چنین نمی‌شد، با پیشنهاد یک نیروی بنیادی جدید و مجموعه ذراتی که با این نیرو برهمکنش می‌کنند، همه تصور ما از نظریه‌های وحدت بزرگ فیزیک و تقارن الکتروضعیف، تغییر می‌کرد؛ با اینکه مقالات نظری امیدوارکننده‌ای ارائه شده، به نظر طبیعت، چیز دیگری را انتخاب کرده است!

در سال ۱۹۸۴، زیبایی جنبه‌های ریاضیاتی ابرتقارن، ایده‌ای را که از دهه ۱۹۶۰ فراموش شده بود، زنده کرد. ایده‌ای که یوشیرو نامبو و برخی دیگر تلاش کردند تا با آن نیروی هسته‌ای قوی را بفهمند. در آن نظریه، کورارک‌ها با یک برانگیختگی‌ ریسمان مانند به هم متصل می‌شدند. وقتی ابرتقارن در نظریه کوانتومی ریسمان‌ها که با نام نظریه ابرریسمان شناخته می‌شود، گنجانده شد، نتایج زیبا و عجیب ریاضیاتی ظاهر شدند. نظریه ابرریسمان، نه تنها امکان متحد کردن سه نیروی غیر گرانشی شناخته شده بلکه هر چهار نیروی شناخته شده طبیعت در یک نظریه میدان کوانتومی واحد را نوید می‌داد. با اینکه نظریه به ابعاد فضایی جدید نیاز دارد، تاکنون هیچ یک از آنها مشاهده نشده است. در ضمن ما نمی‌توانیم به کمک نظریه ابرریسمان، یک پیش‌بینی انجام دهیم که با آزمایش‌های فعلی قابل تایید باشند. اخیرا این نظریه، پیچیدگی بیشتری پیدا کرده زیرا به نظر می‌رسد حتی خود ریسمان‌ها هم متغیرهای دینامیکی مرکزی این نظریه نیستند! هیچکدام از اینها نمی‌تواند اشتیاق سی ساله‌ییک فیزیکدان مستعد را از کار بر روی نظریه ابرریسمان، که حالا نظریه اِم (M-theory) نام دارد، کاهش دهد. ولی فعلا نظریه ام فاقد آن عنصر کلیدی است که مدل استاندارد را به یک پیروزی علمی تبدیل کرده است. آیا دید آزمایشگاهی جدید آنقدر وسیع است که بتواند برخی از گمانه زنی‌های فیزیکدانان نظری را تأیید یا تکذیب کند یا طبیعت هیچ نشانه‌ای برای تعیین مسیر عمیقتر در کیهان به ما نخواهد داد؟

فوق لیسانس فیزیک ذرات بنیادی. علاقمند به تقارنها و نظریه میدان‌های کوانتومی

ارسال نظر

*