النموذج الذي لدينا لفهم الكون الجسيمات الأساسية يشبه إلى حد ما علبة التروس: تغيير طفيف في خصائص جسيم واحد يعطل أيضًا ميكانيكا الجسيمات الأخرى.
لذلك عندما تجد الورقة أن كتلة الجسيم الأساسي مختلفة قليلاً عما تم قبوله سابقًا ، فإنها تفعل أكثر من مجرد إثارة الدهشة في عالم الفيزياء. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن مثل هذا الاكتشاف قد يعني أن الفيزياء الأساسية “خاطئة” في بعض الطرق غير المحددة حتى الآن ، ومن شأنها أن تزعج فيزياء الجسيمات لعقود قادمة.
يعد فهمنا للجسيمات الأساسية ، والمعروف بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، أحد أكثر الإنجازات البشرية إثارة للإعجاب على مدار المائة وخمسين عامًا الماضية. استغرق الأمر الآلاف من الفيزيائيين والمهندسين الذين عملوا لأكثر من قرن لتجميع كل القطع معًا ، بدءًا من اكتشاف الإلكترون في عام 1897 وبلغ ذروته في اكتشاف من بوزون هيغز منذ فترة طويلة في عام 2012.
في وقت سابق من هذا الشهر ، بعد 20 عامًا من التحليل ، أعلن العلماء في Fermilab’s Collider Detector (CDF) أنهم أجروا القياس الأكثر دقة لكتلة البوزون دبليو. وبعد ملايين الاختبارات والملاحظات ، جاء قياس الكتلة عند 1.43385738 × 10-22 جرامات. (يبدو خفيفًا ، لكنه أثقل مما ينبغي).
إن دقة قياس أحد الجسيمات الحاملة للقوة في الطبيعة رائعة: يزعم العلماء أن الكتلة المعدلة للجسيم تبلغ دقتها 0.01٪ ، وهي ضعف دقة أفضل قياس سابق. نُشرت النتائج في مجلة Science.
ذات صلة: لماذا يشك بعض علماء الفيزياء في تجربة الميون التي تلمح إلى “فيزياء جديدة”
لكن هناك مشكلة كبيرة: يتعارض هذا القياس مع القيمة التي يستخدمها العلماء في المدخلات النظرية للنموذج القياسي. بعبارة أخرى ، إذا كان هذا صحيحًا ، فإن قياس الكتلة يشير إلى أن النموذج القياسي للفيزياء – وهي نظرية المعيار الذهبي التي تشرح القوى الأربع المعروفة في الكون وجميع الجسيمات الأساسية – هش على الأرض.
على عكس الجسيمات الأساسية الأخرى مثل الكواركات والإلكترونات والفوتونات ، فإن البوزون W ليس جسيمًا يتم التعرف عليه عادةً في العلوم في المدرسة الابتدائية. ومع ذلك ، مثل هذه الجسيمات ، فهي أساسية لتكوين المادة في الكون. بوزون W هو جسيم رسول لما يسمى “القوة النووية الضعيفة” ، وهي واحدة من التفاعلات الأساسية الأربعة المعروفة في فيزياء الجسيمات. والآخرون هم الكهرومغناطيسية والتفاعل القوي والجاذبية. في حين أن القوة الكهرومغناطيسية والجاذبية هي أحداث يومية في التفاعلات البشرية والحياة اليومية ، والقوة القوية هي التي تربط النوى الذرية معًا ، فإن التفاعل الضعيف لا يكون مرئيًا بشكل علني. ومع ذلك ، فإن القوة الضعيفة تشارك في الاضمحلال الإشعاعي للذرات ، وهي لا غنى عنها لظهور كوننا اليوم مثل أي من القوى الثلاث الأخرى. ولا يمكن أن يحدث التفاعل الضعيف بدون مساعدة بوزون دبليو.
لإجراء القياس الجديد لكتلة البوزون W ، استخدم الباحثون بيانات الاصطدام من مختبر Fermi Accelerator الوطني ، مسرع جسيمات تم إيقاف تشغيله الآن في إلينوي. يقوم مسرع الجسيمات في فيرميلاب بقذف البروتونات والبروتونات المضادة ضد بعضها البعض بسرعة قريبة من الضوء ويلاحظ الانفجار الناتج من الجسيمات النشطة عن قرب ، ثم يستقرئ خصائصها.
خلال تشغيله ، تمكن المسرع من تصنيع أربعة ملايين بوزون W مرشح ، تم قياس خصائصها بشكل متكرر. من خلال حسابات مكثفة ، وصل العلماء إلى قياسهم ، والذي يكون دقيقًا في حدود سبعة انحرافات معيارية – أعلى بكثير من الانحرافات المعيارية الخمسة التي تؤدي إلى نتيجة إحصائية معيارية.
“لقد أخذنا في الاعتبار فهمنا الأفضل لكاشف الجسيمات بالإضافة إلى التقدم في الفهم النظري والتجريبي لتفاعلات البوزون W مع الجسيمات الأخرى. وعندما كشفنا أخيرًا عن النتيجة ، وجدنا أنها تختلف عن تنبؤ النموذج القياسي.
قال أشوتوش ف. كوتوال من جامعة ديوك ، الذي قاد التحليل وهو واحد من 400 عالم في تعاون CDF: “إن عدد التحسينات وعمليات التحقق الإضافية التي تم إجراؤها على نتائجنا هائلة”. المشارفي بيان صحفي. “لقد أخذنا في الاعتبار فهمنا الأفضل لكاشف الجسيمات بالإضافة إلى التقدم في الفهم النظري والتجريبي لتفاعلات البوزون W مع الجسيمات الأخرى. وعندما كشفنا أخيرًا عن النتيجة ، وجدنا أنها تختلف عن تنبؤ النموذج القياسي.
الفرق؟ القياسات الجديدة تضع البوزون W في حوالي عُشر واحد في المائة كتلة أكبر مما كان متوقعًا ومقبولًا سابقًا. تبدو صغيرة ، لكنها كافية لإحداث مشكلة كبيرة في فيزياء الجسيمات – إذا كان هذا صحيحًا.
وقال شوم إن القياس الجديد لكتلة البوزون W “يفتقر إلى أدلة دامغة”.
“حقيقة أن الكتلة المقاسة لبوزون W لا تتطابق مع الكتلة المتوقعة في النموذج القياسي يمكن أن تعني ثلاثة أشياء. إما أن الحسابات خاطئة ، أو القياس خاطئ ، أو شيء مفقود في النموذج القياسي.” جاري الكتابة عالم فيزياء الجسيمات عالية الطاقة جون كونواي في المحادثة.
بعبارة أخرى ، فإن إجراء تغييرات على النموذج القياسي لن يؤثر فقط على النموذج القياسي – بل يمكن أن يقلب جميع الفيزياء وفهمنا للكون.
وقال المتحدث باسم CDF ديفيد توباك في بيان صحفي: “الأمر متروك الآن لمجتمع الفيزياء النظرية والتجارب الأخرى لمتابعة هذا وإلقاء الضوء على هذا اللغز”. “إذا كان الاختلاف بين القيمة التجريبية والقيمة المتوقعة ناتجًا عن نوع من التفاعل الجسيمي الجديد أو دون الذري ، وهو أحد الاحتمالات ، فمن المحتمل أنه شيء يمكن اكتشافه. في التجارب المستقبلية.
لقد أثبت النموذج القياسي أنه جيد بشكل لا يصدق في التنبؤ بخصائص الجسيمات المكونة له ، وحتى خصائص الجسيمات الجديدة. بسبب طبيعتها النبوية الرائعة ، يتوق الفيزيائيون إلى محاولة إحداث ثقوب ، مما قد يؤدي إلى اكتشافات جديدة وفيزياء جديدة. في الواقع ، كما ذكرت معرض في عام 2021 ، أنتجت تجربة Fermilab’s Muon g-2 نتائج غريبة كانت مختلفة قليلاً عما توقعه النموذج القياسي – على الرغم من أن هذه النتائج لم تتجاوز “المعيار الذهبي” عند 5 انحرافات – الأنواع التي من شأنها أن تجعلها نهائية.
هل تريد المزيد من القصص الصحية والعلمية في بريدك الوارد؟ اشترك في النشرة الإخبارية الأسبوعية العالم المبتذل.
ولكن عندما يتعلق الأمر بإجراء مثل هذه القياسات الدقيقة وبهامش خطأ صغير ، يقول بعض الفيزيائيين إن التجربة من المحتمل أن تحتوي على عيوب ، وليس النموذج القياسي.
قال شوم: “الدقة هي حجم عدم اليقين والدقة هي حجم الخطأ المحتمل”. “يمكن أن يكون لديك شيء محدد للغاية ، لكنه خاطئ للغاية.”
“يمكنك أن تسأل ،” هل يمكن أن يكون هذا تأثيرًا تجريبيًا ، وخطأ تجريبيًا ، ويمكن أن تكون المعايرة هي المصدر؟ حسنًا ، إنه أحد احتمالين “،” مؤلف أ كتاب شعبي في فيزياء الجسيمات ، كما يقول صالون. “إذا كان الاختلاف [in mass] هو خطأ ، ربما نعم ، تعد معايرة الكاشف مصدرًا محتملاً جدًا لهذا الخطأ ، لهذا الخطأ “.
قال شوم إنه من المهم التمييز بين صحة و صحةمشيرا إلى أنه يمكن للمرء إجراء قياس غير دقيق بدقة شديدة.
قال شوم: “الدقة هي حجم عدم اليقين والدقة هي حجم الخطأ المحتمل”. “يمكن أن يكون لديك شيء محدد للغاية ، لكنه خاطئ للغاية.”
قال شوم إن القياس الجديد لكتلة البوزون W في CDF “فاته مسدس دخان” – على وجه التحديد ، سبب محدد بوضوح لاختلاف القياسات الأخرى من تجارب مختلفة مع نتيجة CDF لكتلة CDF. بوزون دبليو.
قال شوم: “من المتصور أن جميع القياسات الأخرى تفتقد شيئًا ما وأن قياس CDF قام بذلك بعناية أكبر وحصل على الإجابة الصحيحة”. “لكنني أعتقد في جميع الاحتمالات إما أن نتيجة CDF خاطئة أو أن نتائج النتائج الأخرى خاطئة.”
سابقًا ، أخبر شوم Salon أنه من “المبالغة في الدراما” القول إن النموذج القياسي سيُعاد كتابته أو يُلغى يومًا ما.
قال شوم: “لطالما عرف النموذج القياسي ، منذ يوم اختراعه ، أنه ما يسمى بـ” النظرية الفعالة “. وشبه النموذج القياسي بـ “قمة جبل جليدي” ، حيث يتم ملاحظة الطرف وفهمه جيدًا على الرغم من أننا لا نعرف بالضبط ما هو تحت الماء. “سأراهن بأي مبلغ من المال [the Standard Model] لن يتم قلبه أبدًا ، كتمثيل لتلك القمة من الجبل الجليدي “.
تعرف على المزيد حول فيزياء الجسيمات:
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”