แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคผ่านการทดสอบ

อำนาจแม่เหล็กของอิเล็กตรอนยืนยันการทำนายที่แม่นยำที่สุดของฟิสิกส์ของอนุภาค

ไม่มีใครเคยตรวจสอบอนุภาคอย่างเข้มงวดกว่านี้

ในการทดลองครั้งใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์วัดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอิเล็กตรอนอย่างระมัดระวังมากขึ้นกว่าเดิม ทำให้สามารถวัดคุณสมบัติใดๆ ของอนุภาคมูลฐานได้อย่างแม่นยำที่สุดเท่าที่เคยมีมา เรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน เป็นการวัดความแรงของสนามแม่เหล็กที่นำพาโดยอนุภาค

คุณสมบัติดังกล่าวได้รับการทำนายโดยแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาค ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายถึงอนุภาคและแรงในระดับย่อยของอะตอม ในความเป็นจริงมันเป็นคำทำนายที่แม่นยำที่สุดจากทฤษฎีนั้น

นักวิทยาศาสตร์ได้ให้ทฤษฎีนี้เป็นหนึ่งในการทดสอบที่เข้มงวดที่สุดด้วยการเปรียบเทียบการวัดที่มีความแม่นยำสูงแบบใหม่และการทำนาย การวัดใหม่นี้สอดคล้องกับการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐานที่ประมาณ 1 ส่วนในล้านล้านหรือ 0.1 พันล้านส่วนเปอร์เซ็นต์ นักฟิสิกส์รายงานในจดหมายทบทวนทางกายภาพเมื่อวันที่ 17 กุมภาพันธ์

เมื่อทฤษฎีทำการทำนายด้วยความแม่นยำสูง ก็เหมือนสัญญาณค้างคาวของนักฟิสิกส์ที่เรียกร้องให้นักวิจัยทำการทดสอบ Gerald Gabrielse นักฟิสิกส์จาก Northwestern University ในเมือง Evanston รัฐอิลลินอยส์ กล่าวว่า “มันเป็นสิ่งที่ต้านทานไม่ได้สำหรับพวกเราบางคน

ในการวัดโมเมนต์แม่เหล็ก Gabrielse และเพื่อนร่วมงานศึกษาอิเล็กตรอนเดี่ยวเป็นเวลาหลายเดือน โดยจับมันไว้ในสนามแม่เหล็กและสังเกตว่ามันตอบสนองอย่างไรเมื่อปรับแต่งด้วยไมโครเวฟ ทีมงานระบุโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนเป็น 0.13 ส่วนต่อล้านล้าน หรือ 0.000000000013 เปอร์เซ็นต์

การวัดที่เข้มงวดเป็นงานที่ซับซ้อน นักฟิสิกส์ Holger Müller จาก University of California, Berkeley กล่าวว่า “มันท้าทายมากจนไม่มีใครนอกจากทีม Gabrielse ที่กล้าทำ”

ผลลัพธ์ใหม่นี้แม่นยำกว่าสองเท่าของการวัดครั้งก่อน ซึ่งคงอยู่มานานกว่า 14 ปี และทีมของ Gabrielse ก็สร้างขึ้นเช่นกัน ตอนนี้นักวิจัยได้เอาชนะตัวเองในที่สุด Stefano Laporta นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจาก University of Padua ในอิตาลี ผู้ทำงานเกี่ยวกับการคำนวณโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนตามแบบจำลองมาตรฐานกล่าวว่า “เมื่อฉันเห็น [กระดาษ] ฉันพูดว่า ‘ว้าว พวกเขาทำได้'”

การทดสอบใหม่ของรุ่นมาตรฐานจะน่าประทับใจยิ่งขึ้นหากไม่ใช่เพราะปริศนาในการวัดอันอุตสาหะอื่น การทดลอง 2 ครั้งล่าสุด นำโดยนักฟิสิกส์ Saïda Guellati-Khélifa จาก Kastler Brossel Laboratory ในปารีส และอีกการทดลองโดย Müller ไม่เห็นด้วยกับค่าของจำนวนที่เรียกว่าค่าคงที่โครงสร้างละเอียด ซึ่งแสดงลักษณะความแรงของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวเลขดังกล่าวเป็นข้อมูลป้อนเข้าสู่การทำนายโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนในโมเดลมาตรฐาน ดังนั้นความขัดแย้งจึงจำกัดความแม่นยำของการทดสอบใหม่ หากความคลาดเคลื่อนนั้นถูกแยกออก การทดสอบจะมีความแม่นยำเป็น 10 เท่าของตอนนี้

รุ่นมาตรฐานที่แข็งแกร่งทนทานต่อการทดสอบเชิงทดลองมานานหลายทศวรรษ แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่คิดว่ามันจะเป็นจุดจบทั้งหมด ส่วนหนึ่งเป็นเพราะไม่ได้อธิบายการสังเกต เช่น การมีอยู่ของสสารมืด ซึ่งเป็นสสารที่มองไม่เห็นซึ่งมีอิทธิพลต่อแรงโน้มถ่วงในจักรวาล และไม่ได้บอกว่าเหตุใดจักรวาลจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร นักฟิสิกส์จึงมองหากรณีที่แบบจำลองมาตรฐานพังทลาย

หนึ่งในสัญญาณที่ยั่วเย้าที่สุดของความล้มเหลวของแบบจำลองมาตรฐานคือโมเมนต์แม่เหล็กที่ไม่ใช่ของอิเล็กตรอน แต่เป็นของมิวออน ซึ่งเป็นญาติหนักของอิเล็กตรอน ในปี 2021 การวัดคุณสมบัตินี้บอกใบ้ถึงความเป็นไปได้ที่ไม่ตรงกันกับการคาดการณ์แบบจำลองมาตรฐาน

Guellati-Khélifa ผู้เขียนคำอธิบายเกี่ยวกับโมเมนต์แม่เหล็กอิเล็กตรอนใหม่ในนิตยสาร Physics กล่าวว่า “บางคนเชื่อว่าความคลาดเคลื่อนนี้อาจเป็นลายเซ็นของฟิสิกส์ใหม่ที่นอกเหนือไปจากแบบจำลองมาตรฐาน ถ้าเป็นเช่นนั้น ฟิสิกส์ใหม่ใดๆ ที่ส่งผลต่อมิวออนก็อาจส่งผลต่ออิเล็กตรอนได้เช่นกัน ดังนั้น การวัดโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนในอนาคตอาจเบี่ยงเบนไปจากการคาดการณ์ ในที่สุดก็เผยให้เห็นข้อบกพร่องของแบบจำลองมาตรฐาน

นักฟิสิกส์สำรวจ Higgs boson 10 ปีหลังจากการค้นพบได้อย่างไร

อนุภาคที่มีชื่อเสียงอาจชี้ให้เห็นถึงรอยร้าวในแบบจำลองมาตรฐานและฟิสิกส์ใหม่ที่นอกเหนือไปจากนี้

Javier Duarte เริ่มต้นอาชีพนักวิทยาศาสตร์ด้วยการชมงานฟิสิกส์ของอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในรอบหลายทศวรรษ เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2555 นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการ CERN ใกล้เมืองเจนีวาได้ประกาศการค้นพบฮิกส์โบซอน ซึ่งเป็นอนุภาคย่อยของอะตอมที่มีการแสวงหามาอย่างยาวนาน ซึ่งเผยให้เห็นต้นกำเนิดของมวล Duarte เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่กระตือรือร้นที่เพิ่งมาถึง CERN

“ผมอยู่ที่นั่นประมาณหนึ่งสัปดาห์ก่อนการประกาศ” ดูอาร์เตกล่าว ในขณะที่นักฟิสิกส์จำนวนมากรวมตัวกันเพื่อดูการประกาศที่ CERN ดูอาร์เตไม่ได้ไปที่หอประชุมใหญ่ พื้นที่ดังกล่าวมีไว้สำหรับแขกวีไอพี และผู้ที่ตั้งใจมากพอที่จะเข้าแถวรอตลอดทั้งคืนเพื่อแย่งชิงที่นั่ง เขาบอกว่าเขาพบว่าตัวเองอยู่ในห้องใต้ดินในห้องล้นของห้องล้น

แต่ความกระตือรือร้นยังคงชัดเจน “มันเป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นมากที่ได้ดำดิ่งสู่โลกใบนั้น” เขากล่าว ตั้งแต่นั้นมา เขาและนักฟิสิกส์อีกหลายพันคนจากทั่วโลกที่ทำงานเกี่ยวกับการทดลองของ CERN ได้สำรวจคุณสมบัติของอนุภาคอย่างเต็มที่

นักวิทยาศาสตร์ทำนายการมีอยู่ของฮิกส์โบซอนในปี 2507 โดยเป็นจุดเด่นของกระบวนการที่ให้มวลของอนุภาคมูลฐาน แต่การค้นหาอนุภาคต้องรอให้ CERN’s Large Hadron Collider หรือ LHC ในปี 2010 LHC เริ่มทุบโปรตอนเข้าด้วยกันด้วยพลังงานที่สูงมาก ในขณะที่การทดลองขนาดใหญ่ 2 รายการ ได้แก่ ATLAS และ CMS ใช้เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่เพื่อตรวจดูเศษซาก

การค้นพบของอนุภาคได้เติมเต็มคีย์สโตนที่ขาดหายไปของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาค ทฤษฎีนั้นอธิบายถึงอนุภาคมูลฐานที่รู้จักและปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน อนุภาคและการโต้ตอบเหล่านั้นอยู่เบื้องหลังทุกสิ่งที่เรารู้ อนุภาคทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบสำคัญของอะตอมและส่งผ่านพลังสำคัญของธรรมชาติ

เช่น แม่เหล็กไฟฟ้า และมวลของอนุภาคเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในพฤติกรรมของพวกมัน ตัวอย่างเช่น ถ้าอิเล็กตรอนไม่มีมวล อะตอมจะไม่ก่อตัวขึ้น หากไม่มีฮิกส์โบซอน ทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดทฤษฎีหนึ่งของนักวิทยาศาสตร์จะพังทลาย

ขณะนี้ เมื่อการค้นพบมีอายุครบ 10 ปี ความตื่นเต้นในช่วงแรกก็ยังคงมีอยู่สำหรับดูอาร์เตและนักฟิสิกส์อนุภาคอีกหลายคน ในฐานะศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก และเป็นสมาชิกของการทดลอง CMS งานวิจัยของดูอาร์เตยังคงวนเวียนอยู่กับอนุภาคที่สำคัญทั้งหมด ความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจฮิกส์นั้น “น่าทึ่ง” เขากล่าว “เรามาไกลกว่าที่เราคาดไว้มาก”

นักฟิสิกส์กำลังทำงานผ่านรายการตรวจสอบสิ่งที่พวกเขาต้องการทราบเกี่ยวกับฮิกส์โบซอน พวกเขาใช้เวลากว่าทศวรรษที่ผ่านมาในการจัดทำรายการคุณสมบัติของมัน รวมถึงวิธีที่มันโต้ตอบกับอนุภาคอื่นๆ อีกหลายตัว แม้ว่าการวัดจะสอดคล้องกับการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐาน หากความคลาดเคลื่อนเกิดขึ้นในอนาคต อาจหมายความว่ายังมีอนุภาคที่ไม่รู้จักที่ยังไม่ถูกค้นพบ

และยังมีอีกมากในวาระการประชุม รายการที่สำคัญอย่างยิ่งคือปฏิสัมพันธ์ของฮิกส์โบซอนกับตัวเอง เพื่อช่วยระบุคุณสมบัตินี้และคุณสมบัติอื่นๆ ของฮิกส์ นักวิทยาศาสตร์รอคอยที่จะรวบรวมข้อมูลเพิ่มเติม นักวิทยาศาสตร์เปิดใช้งาน LHC ที่อัปเกรดแล้วสำหรับการทำงานรอบใหม่ในเดือนเมษายน ในช่วงเวลาของการค้นพบฮิกส์

การชนกันที่ LHC มีพลังงานสูงถึง 8 ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ การชนกันคาดว่าจะเกิดขึ้นที่ 13.6 ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ตั้งแต่วันที่ 5 กรกฎาคม และการเก็บข้อมูลจะดำเนินต่อไปจนถึงปี 2569 พลังงานที่สูงขึ้นเหล่านี้ให้โอกาสในการตรวจจับอนุภาคที่หนักกว่า และ LHC ที่มีความส่องสว่างสูงซึ่งเป็นการทำซ้ำที่ทรงพลังกว่าของ LHC คาดว่าจะเริ่มต้นในปี 2562

María Cepeda นักฟิสิกส์เชิงทดลองของ CIEMAT ในกรุงมาดริด ซึ่งเป็นสมาชิกของ CMS Collaboration กล่าวว่า “การค้นหาอนุภาคดูเหมือนจะเป็นจุดสิ้นสุดของบางสิ่ง แต่จริงๆ แล้วเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น”

รุ่นมาตรฐาน

แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคจะอธิบายถึงอนุภาคมูลฐานที่รู้จักและอันตรกิริยาของพวกมัน ประกอบด้วยอนุภาค 17 อนุภาค ซึ่งในจำนวนนี้มีพันธมิตรที่เป็นปฏิปักษ์ เฟอร์มิออนหรืออนุภาคสสาร ได้แก่ ควาร์ก 6 ชนิด (สีน้ำเงิน) และเลปตอน 6 ชนิด (สีชมพู) โบซอนหรืออนุภาคที่มีแรง (สีส้ม) ส่งแรงพื้นฐาน ฮิกส์โบซอนมีสถานะพิเศษ: อธิบายที่มาของมวลของอนุภาค

การมีเพศสัมพันธ์

Gudrun Heinrich นักฟิสิกส์ทฤษฎีอนุภาคแห่งสถาบันเทคโนโลยี Karlsruhe ในเยอรมนี กล่าวว่า การศึกษา Higgs boson ก็เหมือนกับ geocaching นักฟิสิกส์กำลังใช้ไหวพริบเพื่อค้นหาขุมสมบัติของ Higgs boson เช่นเดียวกับนักเล่นงานอดิเรกที่ใช้อุปกรณ์ GPS เพื่อค้นพบของกระจุกกระจิกแสนสนุกที่ซ่อนอยู่ ในปี 2555 นักวิทยาศาสตร์พบเพียงแคชเท่านั้น 10 ปีข้างหน้าทุ่มเทให้กับการเปิดเผยเนื้อหา และการสืบสวนยังคงดำเนินต่อไป “ความหวังคือเนื้อหาจะมีบางอย่าง เช่น แผนที่ที่นำเราไปสู่ขุมทรัพย์ที่ยิ่งใหญ่กว่านั้น” ไฮน์ริชกล่าว

การศึกษาอย่างละเอียดเกี่ยวกับฮิกส์โบซอนสามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาที่แบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถอธิบายได้ “เรารู้ว่าทฤษฎีมีข้อจำกัด” ลอรา เรอินา นักฟิสิกส์ทฤษฎีอนุภาคแห่งมหาวิทยาลัยฟลอริดาสเตตในแทลลาแฮสซีกล่าว ตัวอย่างเช่น แบบจำลองมาตรฐานไม่มีคำอธิบายเกี่ยวกับสสารมืด ซึ่งเป็นสสารเงาที่ส่งน้ำหนักของมันไปรอบจักรวาล

ออกแรงดึงดูดที่จำเป็นในการอธิบายการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ต่างๆ และทฤษฎีนี้ไม่สามารถอธิบายข้อสงสัยอื่นๆ ได้ เช่น เหตุใดเอกภพจึงประกอบด้วยสสารเป็นส่วนใหญ่ แทนที่จะเป็นปฏิสสารที่เป็นอัตตา วิธีแก้ปัญหาที่เสนอมากมายสำหรับข้อบกพร่องของแบบจำลองมาตรฐานต้องการอนุภาคใหม่ที่จะเปลี่ยนวิธีที่ฮิกส์มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคที่รู้จัก

Higgs boson เองไม่ได้รับผิดชอบต่อมวล นั่นเป็นหน้าที่ของฟิลด์ฮิกส์แทน ตามควอนตัมฟิสิกส์ อนุภาคทั้งหมดจะเกิดการระเบิดในทุ่งที่มองไม่เห็น เช่น ระลอกคลื่นบนยอดสระ ฮิกส์โบซอนเป็นคลื่นในทุ่งฮิกส์ ซึ่งแผ่กระจายไปทั่วทั้งจักรวาล เมื่ออนุภาคมูลฐานทำปฏิกิริยากับสนามฮิกส์ พวกมันจะมีมวลเพิ่มขึ้น ยิ่งอนุภาคมีมวลมากขึ้นเท่าใด อนุภาคก็จะยิ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสนามฮิกส์และฮิกส์โบซอนมากขึ้นเท่านั้น อนุภาคที่ไม่มีมวล เช่น โฟตอน ไม่มีปฏิกิริยาโดยตรงกับสนามฮิกส์เลย

หนึ่งในวิธีที่ดีที่สุดในการตามล่าหาสมบัติที่เกี่ยวข้องกับฮิกส์คือการวัดปฏิสัมพันธ์เหล่านั้น ซึ่งเรียกว่า “ข้อต่อ” ข้อต่อฮิกส์อธิบายว่าอนุภาคใดที่ฮิกส์โบซอนสลายตัว อนุภาคใดที่สามารถหลอมรวมกันเพื่อผลิตฮิกส์โบซอน และความถี่ที่กระบวนการเหล่านั้นเกิดขึ้น นักวิทยาศาสตร์วัดการต่อเชื่อมเหล่านี้โดยการกรองและวิเคราะห์ละอองของอนุภาคที่เกิดขึ้นเมื่อฮิกส์โบซอนโผล่ขึ้นมาในเศษซากของโปรตอนที่ถูกชนเข้าด้วยกัน

แม้ว่าอนุภาคที่ไม่รู้จักจะหนักเกินไปที่จะแสดงที่ LHC แต่ข้อต่อฮิกส์ก็สามารถเปิดเผยการมีอยู่ของพวกมันได้ Marumi Kado นักฟิสิกส์อนุภาคจาก Sapienza University of Rome และ CERN ซึ่งเป็นรองโฆษกของความร่วมมือ ATLAS กล่าวว่า “ข้อต่อใดๆ เหล่านี้ไม่ได้เป็นอย่างที่คุณคาดหวังให้เป็นสัญญาณที่ชัดเจนมากเกี่ยวกับฟิสิกส์ใหม่ที่น่าสนใจอย่างไม่น่าเชื่อ”

นักฟิสิกส์ได้ตรวจสอบการประกบกันของอนุภาคมูลฐานหลายตัวแล้ว ซึ่งรวมถึงอนุภาคหลักทั้งสองประเภทในฟิสิกส์ ได้แก่ โบซอน (อนุภาคที่มีแรง) และเฟอร์มิออน (อนุภาคที่ประกอบกันเป็นสสาร เช่น อิเล็กตรอน) นักวิทยาศาสตร์ได้วัดปฏิสัมพันธ์ของฮิกส์กับญาติหนักของอิเล็กตรอนที่เรียกว่า เทาเลปตอน (เฟอร์มิออน)

และกับ W และ Z โบซอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ส่งแรงอย่างอ่อน ซึ่งเป็นสาเหตุของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีบางประเภท นักวิจัยยังตรึงข้อต่อของฮิกส์กับควาร์กด้านบนและควาร์กด้านล่าง สิ่งเหล่านี้คือควาร์กสองในหกชนิด ซึ่งรวมตัวกันเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ เช่น โปรตอนและนิวตรอน (ฮิกส์มีหน้าที่รับผิดชอบมวลของอนุภาคมูลฐาน แต่มวลของอนุภาคประกอบ รวมทั้งโปรตอนและนิวตรอน แทนที่จะมาจากพลังงานของอนุภาคที่ส่งเสียงเจื้อยแจ้วอยู่ภายใน)

ข้อต่อที่วัดได้เกี่ยวข้องกับอนุภาคมูลฐานที่หนักกว่าของแบบจำลองมาตรฐาน ตัวอย่างเช่น ท็อปควาร์กนั้นหนักพอๆ กับอะตอมทองคำทั้งก้อน เนื่องจากฮิกส์จับคู่กับอนุภาคหนักอย่างแน่นหนา ปฏิสัมพันธ์เหล่านั้นจึงมีแนวโน้มที่จะวัดได้ง่ายกว่า

ขั้นต่อไป นักวิทยาศาสตร์ต้องการสังเกตข้อต่อของอนุภาคที่เบากว่า ATLAS และ CMS ใช้เครื่องตรวจจับขนาดยักษ์เพื่อดูร่องรอยของฮิกส์ที่สลายตัวเป็นมิวออน ซึ่งเป็นพี่น้องรุ่นมิดเดิ้ลเวทในตระกูลอิเล็กตรอน ที่เบากว่าเทาแต่หนักกว่าอิเล็กตรอน ทีมงานยังได้เริ่มตรวจสอบการควบรวมเข้ากับชาร์มควาร์ก ซึ่งมีมวลน้อยกว่าควาร์กด้านบนและด้านล่าง

จนถึงตอนนี้ Higgs เป็นไปตามรูปแบบมาตรฐาน “สิ่งสำคัญที่เราค้นพบคือมันดูเหมือนกับที่เราคาดไว้มากทีเดียว ไม่มีเรื่องน่าประหลาดใจใดๆ เกิดขึ้นเลย” แซลลี่ ดอว์สัน นักฟิสิกส์ทฤษฎีอนุภาคแห่งห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวนในอัพตัน นิวยอร์ก กล่าว

แต่อาจมีความคลาดเคลื่อนที่ยังตรวจไม่พบ การคาดคะเนแบบจำลองมาตรฐานสอดคล้องกับคัปปลิ้งที่วัดได้ภายในแถบค่าความผิดพลาดประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไป แต่ไม่มีใครรู้ว่าตกลงภายใน 5 เปอร์เซ็นต์หรือ 1 เปอร์เซ็นต์ ยิ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดข้อต่อเหล่านี้ได้แม่นยำมากเท่าใด ก็ยิ่งสามารถทดสอบสำหรับธุรกิจตลกๆ ได้ดีขึ้นเท่านั้น

รายการตรวจสอบการโต้ตอบ

การศึกษาว่าฮิกส์โบซอนมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคอื่นอย่างไรเป็นวิธีหนึ่งในการทดสอบว่าเป็นไปตามการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐานหรือไม่ นักวิทยาศาสตร์ได้วัดปฏิสัมพันธ์ของฮิกส์หรือ “การควบรวม” กับอนุภาคแบบจำลองมาตรฐาน 5 อนุภาค (สีชมพูเข้มในภาพ) และมีหลักฐานเบื้องต้นเกี่ยวกับการควบรวมกิจการกับอนุภาคที่หก

อนุภาคที่หนักกว่าเป็นเป้าหมายแรกเนื่องจากพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับฮิกส์โบซอนรุนแรงกว่า (ดังที่เห็นในกราฟ) ดังนั้นจึงวัดได้ง่ายกว่า จนถึงตอนนี้ คัปปลิ้งที่วัดได้ทั้งหมดสอดคล้องกับการคาดการณ์

หนึ่งในชนิด

ก่อนที่จะเปิดใช้งาน LHC นักวิทยาศาสตร์มีความชื่นชอบอย่างชัดเจนสำหรับทฤษฎีฟิสิกส์ที่สามารถแก้ปัญหาบางอย่างของแบบจำลองมาตรฐานได้ นั่นคือ สมมาตรยิ่งยวด ซึ่งเป็นทฤษฎีประเภทหนึ่งที่ทุกอนุภาคที่รู้จักมีอนุภาคคู่หูที่ยังไม่ถูกค้นพบ นักฟิสิกส์หวังว่าอนุภาคดังกล่าวจะโผล่ขึ้นมาที่ LHC แต่ยังไม่มีใครค้นพบ แม้ว่าความสมมาตรยิ่งยวดจะไม่ได้ถูกตัดออกทั้งหมด แต่ความเป็นไปได้สำหรับทฤษฎีนั้นมีจำกัดกว่ามาก

เนื่องจากไม่มีผู้สมัครที่เป็นเอกฉันท์ในบรรดาทฤษฎีอื่นๆ มากมายสำหรับสิ่งที่อาจอยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน ความสนใจส่วนใหญ่จึงอยู่ที่ฮิกส์ นักฟิสิกส์หวังว่าการศึกษาฮิกส์จะเปิดเผยบางสิ่งที่อาจชี้ไปในทิศทางที่ถูกต้องเพื่อแก้คำรามของแบบจำลองมาตรฐาน “การวัดคุณสมบัติ [ของฮิกส์โบซอน] จะบอกเราได้มากว่ามีอะไรที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐาน … มากกว่าอะไรก่อนหน้านี้” Reina กล่าว

คำถามหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์กำลังตรวจสอบในการชน LHC คือฮิกส์มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวหรือไม่ อนุภาคมูลฐานอื่นๆ ที่รู้จักทั้งหมดมีรูปแบบควอนตัมของโมเมนตัมเชิงมุม ซึ่งเรียกว่าสปิน แต่ฮิกส์มีการหมุนเป็นศูนย์ ซึ่งเรียกว่า “สเกลาร์” อนุภาคประเภทอื่นๆ มักจะมากันเป็นครอบครัว

ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องแปลกที่จะจินตนาการว่าฮิกส์โบซอนอาจมีญาติแบบสเกลาร์ “มันอาจมีภาคสเกลาร์ขนาดใหญ่ซ่อนอยู่ที่ไหนสักแห่ง และเราเพิ่งเห็นอนุภาคแรกของมัน” ไฮน์ริชกล่าว สมมาตรยิ่งยวดทำนายฮิกส์โบซอนได้หลายตัว แต่ยังมีแนวคิดอื่นๆ อีกมากที่จินตนาการถึงผู้สมรู้ร่วมคิดของฮิกส์

อาจเป็นไปได้ว่า Higgs ไม่ใช่ระดับประถมศึกษา การรวมกันของอนุภาค เช่น ควาร์ก เป็นที่ทราบกันดีว่าสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้นโดยมีสปินเป็นศูนย์ บางทีฮิกส์ก็เหมือนกับสเกลาร์อื่นๆ เหล่านั้น อาจประกอบด้วยสิ่งเล็กๆ ที่ยังไม่รู้จัก

ในขณะที่กำลังหาคำตอบเหล่านี้ นักฟิสิกส์จะเฝ้าดูอย่างใกล้ชิดสำหรับความเชื่อมโยงใดๆ ระหว่างพฤติกรรมของฮิกส์กับผลลัพธ์ที่น่าฉงนอื่นๆ ล่าสุด ในปี พ.ศ. 2564 การทดลอง Muon g−2 ที่ Fermilab ในเมืองปัตตาเวีย รัฐอิลลินอยส์

ได้รายงานคำใบ้ว่ามิวออนมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ไม่ตรงกับการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐาน และในเดือนเมษายน นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการทดลองของ CDF ซึ่งศึกษาการชนกันของอนุภาคที่ Fermilab จนถึงปี 2011 พบว่ามวลของ W boson นั้นหนักกว่าที่แบบจำลองมาตรฐานคาดการณ์ไว้

ความแปลกใหม่ของฮิกส์โบซอนทำให้สุกงอมสำหรับการค้นพบที่สามารถช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ได้ “ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีการสำรวจน้อยที่สุด และมันอาจเป็นประตูสู่ความลึกลับอื่น ๆ ที่เรายังต้องเปิดเผยหรือไขให้กระจ่าง” ไฮน์ริชกล่าว

พูดด้วยตนเอง

ในการไขปริศนาที่ยุ่งยาก บางครั้งนักฟิสิกส์ก็คุยกับตัวเอง ปริศนาอีกอันที่อยู่เหนือรายการสิ่งที่ต้องทำของนักวิทยาศาสตร์ฮิกส์ก็คือว่าอนุภาคนั้นพูดกับตัวมันเองหรือไม่

ไม่เคยมีการวัด “การมีเพศสัมพันธ์ในตัวเอง” ซึ่งเป็นวิธีที่ Higgs bosons มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน แต่ “มันกลับกลายเป็นเพียงบารอมิเตอร์อันน่าทึ่งของฟิสิกส์ใหม่” นาธาเนียล เครก นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีของอนุภาคแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตา บาร์บารา กล่าว ตัวอย่างเช่น การวัดการควบรวมตัวเองของฮิกส์สามารถแยกแยะอนุภาคที่ซ่อนอยู่ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับฮิกส์เท่านั้น โดยไม่สนใจอนุภาคแบบจำลองมาตรฐานอื่นๆ

การมีเพศสัมพันธ์ในตัวเองของฮิกส์นั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับศักยภาพของฮิกส์ ซึ่งเป็นพื้นผิวที่มีลักษณะเป็นคลื่นคล้ายหมวกปีกกว้างซึ่งอธิบายถึงพลังงานของสนามฮิกส์ที่แผ่ซ่านไปทั่วจักรวาล ในเอกภพในยุคแรกเริ่ม ศักยภาพดังกล่าวกำหนดว่าอนุภาคมูลฐานได้รับมวลได้อย่างไร เมื่อเปิดสนามฮิกส์เป็นครั้งแรก

การเปลี่ยนจากไร้มวลไปสู่มวลมากนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร มีนัยสำคัญบางประการต่อเอกภพ มันสามารถช่วยอธิบายได้ว่าสสารมีความได้เปรียบเหนือปฏิสสารในเอกภพยุคแรกอย่างไร หากฟิลด์ฮิกส์มีบทบาทดังกล่าวในการเริ่มต้นของเอกภพ เครกกล่าวว่า “มันจะทิ้งร่องรอยบางอย่างไว้บนศักยภาพของฮิกส์ที่เราวัดในวันนี้”

ขึ้นอยู่กับรูปร่างที่สมบูรณ์ของหมวกปีกกว้างของศักยภาพฮิกส์ ณ จุดหนึ่งในอนาคตอันไกลโพ้น ทุ่งฮิกส์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อีกครั้ง เช่นเดียวกับที่เกิดในเอกภพยุคแรก การกระโดดดังกล่าวจะเปลี่ยนมวลของอนุภาคมูลฐาน ทำให้เกิดเอกภพซึ่งองค์ประกอบที่คุ้นเคย รวมทั้งสิ่งมีชีวิตอาจถูกกำจัดออกไป

เพื่อให้เข้าใจถึงศักยภาพของฮิกส์ได้ดีขึ้น นักวิทยาศาสตร์จะพยายามวัดการมีเพศสัมพันธ์ด้วยตัวเอง พวกเขาจะทำโดยการมองหาฮิกส์โบซอนที่ผลิตเป็นคู่ ซึ่งเป็นสัญญาณของฮิกส์ที่มีปฏิสัมพันธ์กับตัวมันเอง ซึ่งคิดว่าเกิดขึ้นในอัตราที่น้อยกว่าหนึ่งในพันของอัตราที่ฮิกส์โบซอนแต่ละตัวถูกผลิตขึ้นใน LHC ทำให้วัดได้ยากอย่างยิ่ง

แม้จะมี LHC ความส่องสว่างสูงที่วางแผนไว้ ซึ่งจะรวบรวมข้อมูลได้มากที่สุดประมาณ 10 เท่าของ LHC นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าการวัดการมีเพศสัมพันธ์ด้วยตัวเองจะถูกวัดด้วยแถบข้อผิดพลาดขนาดใหญ่ประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ โดยถือว่าแบบจำลองมาตรฐานถูกต้อง ยังไม่เพียงพอที่จะยุติเรื่องนี้

หากนักวิทยาศาสตร์ทำในสิ่งที่กำลังทำอยู่ “เราจะล้มเหลว” ดูอาร์เตกล่าว แต่เทคนิคใหม่ๆ อาจทำให้นักฟิสิกส์สามารถระบุเหตุการณ์แบบดับเบิ้ลฮิกส์ได้ดีขึ้น ดูอาร์เตกำลังศึกษาการชนกันซึ่งฮิกส์โบซอนที่มีพลังงานสูงโดยเฉพาะสองตัวจะสลายตัวเป็นควาร์กด้านล่างและแอนติควาร์กด้านล่าง ด้วยการใช้เทคนิคแมชชีนเลิร์นนิงแบบพิเศษ Duarte และเพื่อนร่วมงานได้รวบรวมหนึ่งในการวิเคราะห์ที่ละเอียดอ่อนที่สุดสำหรับการสลายตัวประเภทนี้

ด้วยการปรับปรุงเทคนิคนี้และรวมผลลัพธ์กับนักวิจัยคนอื่นๆ ที่ดูการสลายตัวประเภทต่างๆ “เรามีความหวังดีว่าเราจะสามารถสังเกตเห็น

ที่รอคอย

แม้จะมีความหลงใหลในฮิกส์ทั้งหมด แต่ดูอาร์เตก็ตั้งข้อสังเกตว่ามีความผิดหวัง หลังจากการประกาศฮิกส์ครั้งแรก “ฉันหวังว่าจะมีการค้นพบระดับฮิกส์ทุกปี” นั่นไม่ได้เกิดขึ้น แต่เขาไม่ได้สูญเสียการมองโลกในแง่ดี “เราคาดหวังว่าจะมีการหักมุมอีกครั้ง” เขากล่าว “เรายังคงหวังว่ามันจะอยู่ใกล้ ๆ”

การรอคอยฟิสิกส์ใหม่ไม่ใช่เรื่องน่าตกใจสำหรับผู้มีประสบการณ์ในการล่าอนุภาคก่อนหน้านี้ Meenakshi Narain นักฟิสิกส์อนุภาคที่มหาวิทยาลัยบราวน์ในพรอวิเดนซ์ R.I. และเป็นสมาชิกของการทดลอง CMS เป็นนักศึกษาระดับปริญญาตรีในช่วงเวลาที่ค้นพบควาร์กล่างในปี 1970 หลังจากการค้นพบครั้งนั้น Narain ได้เข้าร่วมการค้นหาท็อปควาร์ก แม้ว่านักฟิสิกส์จะมั่นใจถึงการมีอยู่ของอนุภาค แต่การตามล่านั้นยังคงใช้เวลาเกือบ 20 ปี เธอกล่าว และใช้เวลาเกือบ 50 ปีในการค้นพบฮิกส์โบซอนหลังจากที่มีการสันนิษฐาน

ข้อบกพร่องของแบบจำลองมาตรฐานทำให้นักฟิสิกส์มั่นใจว่าจะต้องมีสมบัติอีกมากมายให้ขุดพบ เนื่องจากประสบการณ์ที่ผ่านมาของเธอเกี่ยวกับกระบวนการค้นพบระยะไกล Narain กล่าวว่า “ฉันมีศรัทธามาก”

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ spainonshow.com