تنظیم ظریف (fine tuning) یا جهان تنظیم شده یکی از مهم‌ترین مسائل مناقشه‌برانگیز فیزیک است. در فرآیند تنظیم ظریف ، پارامترهای یک مدل باید به اندازه کافی دقیق، تنظیم شوند تا با مشاهدات در یک حالت خاص منطبق باشند. به زبان ساده‌تر، طبق نظریه احتمالات، ما از میان ۱۰۱۲۰ جهان ممکن، دقیقا در جهانی قرار داریم که با مقادیر بسیار دقیق پارامترهایش، حیات را ممکن کرده است. با فرانچسکو ریوا (Francesco Riva) همراه می‌شویم تا توضیح دهد که چطور نیما ارکانی حامد و همکارانش در پژوهشی جدید، رویکرد تازه‌ای را برای توضیح تنظیم ظریف دو پارامتر جرم هیگز و ثابت کیهان شناسی پیشنهاد کرده‌اند. با دیپ لوک همراه باشید…
بین جرم هیگز و بیضی بودن مدار زمین چه مشترکاتی وجود دارد؟ هر دو دارای مقادیری کوچکتر از مرتبه برآوردهای نظری هستند. به نظر می‌رسد که این مقادیر، ناشی از حذف فوق‌العاده ظریف دو کمیت بسیار بزرگتر هستند؛ حقیقتی که بسیاری از فیزیکدانان آن را غیرقابل قبول می‌دانند. با این حال، توضیح این تنظیم ظریف و امثال آن می‌تواند کلید تغییرات انقلابی در درک ما از طبیعت باشد. فیزیک ذرات دارای دو نمونه از جذاب‌ترین پازل‌های تنظیم ظریف است: جرم بوزون هیگز و ثابت کیهان شناسی.
مدت‌های طولانی بود که افسانه‌ها می‌گفتند این تنظیم‌های فیزیک ذرات ممکن است با تقارن‌های جدید، مانند ابرتقارن گریزان، یا با استدلال‌های آماری مرتبط باشند؛ جهان دقیقاتنظیم‌‌شده‌ی ما، تنها یکی از چندین جهان ممکن است. با این حال، در سال‌های اخیر، توضیحات احتمالی جدیدی ظاهر شده است که به پیشنهاد جدید نیما ارکانی حامد (Nima Arkani-Hamed) از موسسه مطالعات پیشرفته نیوجرسی، رافائل تیتو داگنولو (Raffaele Tito D’Agnolo) از دانشگاه پاریس-ساکلی، و هیونگ دو کیم (Hyung Do Kim) از دانشگاه ملی سئول ختم شد. این سه نفر، دسته جدیدی از مکانیسم‌ها را برای تولید تنظیم‌های ظریف شناسایی کردند که در آنها، تنها مقادیر خاصی از جرم هیگز می‌تواند موجب تشکیل چندجهانی شود. جذابیت مدل آنها در این است که پیش‌بینی‌های قابل آزمایشی می‌کند: وجود ذرات هیگز جدید و قابل مشاهده.
برای درک تنظیم ظریف ، یک کمیت قابل اندازه گیری را در نظر بگیرید که اگر اطلاعات لازم در دسترس نباشد، می‌تواند به صورت نظری محاسبه شود. به عنوان مثال، میدان الکتریکی نزدیک یک سطح رسانای باردار را در نظر بگیرید که ما فقط می‌توانیم ناحیه کوچکی از آن را مشاهده کنیم. میدان را می توان از بارهای شناخته شده در این منطقه محاسبه کرد، اما ممکن است تحت تاثیر بارهای ناشناخته دیگری هم قرار گیرد. مقدار میدان مشاهده‌شده، مجموع سهم بارهای شناخته شده و ناشناخته خواهد بود. یک مقدار مشاهده شده نزدیک به مقدار حاصل از سهم بارهای شناخته‌شده نشان می‌دهد که سهم بارهای مجهول مهم نیست و این تفاوت ممکن است اهمیت چندانی نداشته باشد.
اما اگر مقدار مشاهده شده بسیار کوچکتر از مقدار مورد انتظار از سهم بارهای شناخته شده باشد، به این معنی است که بخش‌های شناخته شده و ناشناخته به طور دقیق اثر یکدیگر را از بین می‌برند. اغلب، این تنظیم ظریف چیز جدیدی را در مورد سیستم نشان می‌دهد. به عنوان مثال، سطح رسانا می‌تواند گسترش یابد تا یک پوسته بسته یا پوشش فارادی را تشکیل دهد که میدان الکتریکی در داخل آن صفر است. در این حالت، تنظیم از تقارن‌های الکترومغناطیس حاصل می‌شود. همچنین ممکن است ذرات نقطه‌ای با بار مخالف به گونه‌ای توزیع شوند که به طور دقیق میدان الکتریکی را خنثی کنند. این خنثی کردن تنها می‌تواند یک تصادف آماری باشد؛ یعنی یک آرایش شانسی که فقط در یکی از بسیار آزمایش‌های ممکن رخ می‌دهد.
نمونه‌های مشابه در علم فراوان است. وقتی مقدار زیادی انرژی را که طبق الکترومغناطیس کلاسیک در میدان الکتریکی اطراف ذره ذخیره می‌شود در نظر بگیریم، به نظر می‌رسد که جرم الکترون به خوبی تنظیم شده است. اما این مفهوم از یک ذره جدید به نام پوزیترون خبر می‌دهد که بر جرم الکترون تاثیر می‌گذارد. این اثر از طریق جفت‌های الکترون-پوزیترون تولید شده در خلاء کوانتومی اطراف الکترون صورت می‌گیرد. گریز از مرکز مدار زمین، نمونه‌ای دیگر از تنظیم ظریف است که می‌توان آن را به صورت آماری توضیح داد: زمین تنها یکی از بی‌شمار سیاره فراخورشیدی است که گریز از مرکز مدارهای آن برای توسعه حیات مناسب است. در هر دو مورد، مسئله تنظیم ظریف با اکتشافات علمی، مانند کشف پوزیترون و سیارات فراخورشیدی، حل شد.
با این حال، تنظیم‌های ظریف دیگر، مانند آنچه در مدل استاندارد فیزیک ذرات یافت می‌شود، همچنان فیزیکدانان را درگیر خود کرده است. مدل استاندارد، قدرت پیش‌بینی بی‌نظیری دارد، اما به نظر می‌رسد دو پارامتر آن، یعنی جرم هیگز و ثابت کیهان شناسی، بسیار دقیق تنظیم شده‌اند. فیزیکدانان برای بدست آوردن مقادیر نسبتا کوچک مشاهده شد‌ه‌ی این دو پارامتر، به سهم‌های اضافی و ناشناخته‌ای نیاز دارند که بطور تقریبی می‌توانند سایر سهم‌های بسیار بزرگ فیزیک را در مقیاس‌هایی که توسط مدل استاندارد توصیف شده‌اند، خنثی کنند. اگر مدل استاندارد برای مقیاس پلانک معتبر باشد، این سهم‌های اضافی باید به یک قسمت در ۱۰۳۴ برای هیگز و به یک قسمت در ۱۰۱۲۰ برای ثابت کیهان شناسی تنظیم شوند. آیا این تنظیم‌ها می‌توانند منجر به دست‌آوردهای مفهومی شوند؟ در چهار دهه گذشته، توضیحات قابل آزمایش، هدف فیزیکدانان نظری بوده است.
راه‌حل‌های سنتی در دو دسته قرار می‌گیرند: توضیح دینامیکی و توضیح چندجهانی. توضیح دینامیکی نشان‌دهنده ساختار، ذرات یا تقارن های جدید است؛ مانند ابرتقارن، نظریه‌ای که در آن معادلات ماده و نیروها یکسان هستند. یا ترکیبی بودن هیگز، نظریه‌ای که در آن بوزون هیگز حالت محدودی از برهمکنش‌های قوی جدید است. از سوی دیگر، راه‌حل چندجهانی توضیحی آماری از اینکه چرا ثابت کیهان شناسی مشاهده شده بسیار کوچک است، ارائه می‌دهد. ما اتفاقا در یک جهان «آنتروپیک» در میان ۱۰۱۲۰ جهان ممکن زندگی می‌کنیم که ثابت کیهان شناسی‌اش حیات را امکان‌پذیر می‌کند. اما مشاهدات تاکنون نتوانسته‌اند شواهدی را برای توضیح دینامیکی یا چندجهانی ارائه دهند، بنابراین محققان شروع به بررسی سناریوهای جایگزین کرده‌اند.
سومین مسیری که توسط ارکانی حامد، دآگنولو و کیم بررسی شد، دینامیک و چندجهانی را با هم ترکیب می‌کند. سیستمی را تصور کنید که طیف انرژی آن به یک پارامتر بستگی دارد و برای مقادیر ویژه‌ی این پارامتر، چندین حالت پایه تقریبا تبهگن (degenerate ground states) را نشان می‌دهد؛ درست شبیه به وضعیتی که در آزمایش‌های ماده چگال با آن مواجه می‌شویم که در آن انرژی پتانسیل را می‌توان به راحتی از طریق متغیرهای آزمایش تغییر داد. محققان یک سیستم فیزیک ذرات را در نظر می‌گیرند که پارامتر ویژه آن، جرم هیگز است. آنها نشان می‌دهند که این سناریو مستلزم مفهوم محرک‌ها است: محرک‌ها جفت‌شدگی‌های خاصی از هیگز با ذرات یا نیروهای دیگر هستند که باعث می‌شوند جرم هیگز روی دیگر مشاهده پذیرهای فیزیکی تاثیر بگذارد. در این سناریو حالت‌های تقریبا تبهگنی که در این مورد، چندجهانی است، فقط برای مقادیر خاص جرم هیگز ظهور می‌یابند. این محرک‌ها هر دو تنظیم ظریف را به طور همزمان حل می‌کنند، زیرا چندجهانی، وجود جهان انسان‌گرا (anthropic universe) را امکان‌پذیر می‌کند. با این حال، بر خلاف راه‌حل اصلی چندجهانی، محرک‌ها قابل جعل هستند، چرا که با جفت‌شدگی‌ها یا ذرات جدیدی که می‌توان آن ها را جستجو کرد، مرتبط هستند. بر خلاف راه‌حل‌های دینامیکی، محرک‌ها به اَشکال جدیدی از تقارن که تاکنون از آشکار نشده‌اند، دلالت نمی‌کنند.
محاسبات این سه فیزیکدان نشان می‌دهد که تنها تعداد انگشت‌شماری از محرک‌های احتمالا مناسب در مدل استاندارد وجود دارد و این نظریه می‌تواند پیش‌بینی‌های دقیقی را برای هر احتمال محرک ارائه دهد. جالب‌ترین احتمال، شامل وجود ذرات هیگز بیشتر (مدل دوتایی دو هیگز) با جرم‌هایی از مرتبه جرم بوزون هیگز یا کمتر از آن است. چنین مقیاسی در دسترس آزمایش‌های برخورددهنده است. در آزمایش‌های برخورد دهنده، شتاب دهنده‌ای وجود دارد که دو باریکه باردار را به طور شاخ به شاخ با هم برخورد می‌دهد. از جمله این آزمایش‌ها، واپاشی نادر مزون B در آزمایش LHCb، یا فروپاشی بالا در آزمایش‌های ATLAS و CMS سرن است. هنوز بخش بزرگی از فضای پارامتری وجود دارد که قابل کشف است و نظریه جدید محرک‌ها، نویدبخشی جستجوهای جدیدی است که کشف آنها به چیزی بیش از تنظیم نظریه‌های علمی ما نیاز دارد.
گفتگو۱ دیدگاه
عالی بود …
متن خیلی روان بود و البت موضوع جذابی هم بود دو چندان …و اینکه با یک محقق ایرانی هم آشنا شدم
ممنون خانم ضرابی….
سپاس بیکران