ทำไมใครๆ ก็พูดถึงการวัด W Boson แบบใหม่

ทศวรรษหลังจากที่ปิดตัวลง ผลการวิเคราะห์จาก Collider Detector ที่ Fermilab (CDF) ได้วัดมวลของ W-Boson ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานให้หนักกว่าที่คาดการณ์โดยแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคเล็กน้อย . ผลลัพธ์ได้รับการคำนวณหลังจากวิเคราะห์ผลลัพธ์จาก CDF เป็นเวลาสิบปีแล้ว และนี่คือการวัดมวลของ W-Boson ที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยมีมา

โมเดลมาตรฐานคือแบบจำลองความเป็นจริงของเราในระดับพื้นฐานที่สุด อธิบายอนุภาคมูลฐาน Fermions และ Bosons ประเภทต่างๆ ที่คล้ายกับ W-Boson และแรงที่ควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคเหล่านี้ จากแรงพื้นฐานทั้งสี่ที่ควบคุมความเป็นจริงทั้งหมด แบบจำลองมาตรฐานอธิบายสามประการ: แม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อย่างแรงที่ยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกัน และแรงนิวเคลียร์อ่อนซึ่งควบคุมการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของนิวเคลียส

ยังอ่าน: นักวิทยาศาสตร์พบแมงมุมสายพันธุ์ที่อินเดียไม่รู้จักมาก่อน

โบซอนทั้ง W และ Z เป็นพาหะของแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ และพวกมันถูกสร้างขึ้นจากกระบวนการกัมมันตภาพรังสี เครื่องชนกันที่ CDF ได้ทุบโปรตอนและแอนติโปรตอนหลายล้านล้านตัว (ปฏิสสารเพิ่มเป็นสองเท่าของโปรตอน ซึ่งมีมวลเท่ากัน แต่มีประจุตรงข้าม) เข้าใส่กันที่ความเร็วสูงเป็นกระบวนการหนึ่ง ซึ่งสร้าง W-Boson หนึ่งครั้งทุกๆ 10 ล้านการชนกัน อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถวัดโบซอนได้โดยตรง มันสลายตัวเร็วเกินไป ดังนั้นการมีอยู่ของมันจึงต้องอนุมานจากอนุภาคที่มันสลายไป

กระบวนการนี้เองที่เซ็นเซอร์ที่มีความละเอียดอ่อนที่ CDF และต่อมาคือ LHC ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สังเกตได้ การคำนวณในปัจจุบันใช้การสังเกตอนุภาค W-Boson 4.2 ล้านครั้ง เกือบสี่เท่าของข้อมูลเกือบสี่เท่าของการวัดมวลของ W-Boson ครั้งสุดท้ายของกลุ่มในปี 2555 และการทดลองปิดบังเพื่อลดความเสี่ยงของการมีอคติของมนุษย์ หมายความว่านักฟิสิกส์ การวิเคราะห์ข้อมูลถูกเก็บไว้ในความมืดเกี่ยวกับผลลัพธ์จนกว่างานของพวกเขาจะเสร็จสิ้น

Ashutosh V. Kotwal จาก Duke University ซึ่งเป็นผู้นำงานนี้กล่าวว่า “จำนวนการปรับปรุงและการตรวจสอบเพิ่มเติมที่ส่งผลต่อผลลัพธ์ของเรานั้นมีมากมายมหาศาล”

ผลลัพธ์ให้มวลของ W-Boson ที่ 80,433.5 ± 9.4 MeV (หนึ่งเมกะอิเล็กตรอน-โวลต์เกี่ยวกับมวลพลังงานในอิเล็กตรอนหนึ่งตัว) ในขณะที่การทำนายของแบบจำลองมาตรฐานทำนายมวลที่ 80,357 (MeV) ± 6 MeV แม้ว่าข้อผิดพลาด (ประมาณ 77 MeV) จะมีขนาดเล็ก แต่การวัดนั้นแม่นยำภายใน 9 MeV ทำให้ส่วนเบี่ยงเบนเกือบแปดเท่าของระยะขอบของข้อผิดพลาด ในทางคณิตศาสตร์ นัยสำคัญทางสถิติของผลลัพธ์คือ 7-sigma ซึ่งสูงกว่ามาตรฐานทองคำ 5-sigma ที่ยอมรับทางสถิติในฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งหมายความว่าหากไม่มีฟิสิกส์ใหม่ส่งผลกระทบต่อ W boson ความคลาดเคลื่อนอย่างน้อยเท่ากับที่สังเกตได้จะยังคงเกิดขึ้นจากโอกาสบริสุทธิ์ทุกๆ 800 พันล้านครั้งของการทดลอง ในขณะที่ผลลัพธ์ 5-sigma สอดคล้องกับผลที่ปรากฏผ่าน โอกาสทุกๆ 3.5 ล้านรัน

ในอดีต ความคลาดเคลื่อนเช่นมวลของ W-Boson ได้ชี้ไปที่ข้อกำหนดและการเกิดขึ้นของทฤษฎีใหม่ทางฟิสิกส์ ตัวอย่างเช่น การวอกแวกในวงโคจรของดาวพุธซึ่งทฤษฎีของนิวตันไม่สามารถอธิบายได้ชี้ให้เห็นทางจากภาพนิวตันไปจนถึงภาพไอน์สไตเนียนของโลก

ความคลาดเคลื่อนนี้อาจหมายความว่าคณิตศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการวิเคราะห์การทดลองหรือการทดลองนั้นผิด หรือแบบจำลองมาตรฐานขาดบางส่วน อย่างไรก็ตาม กระดาษที่ผลิตใน Science ได้รับการตรวจสอบโดยเพื่อน และการทดลองนี้เป็นงานที่แม่นยำที่สุดจนถึงปัจจุบัน ดังนั้น ผลลัพธ์ที่ได้ทำให้ชุมชนฟิสิกส์ต้องตกตะลึงและตื่นเต้น เนื่องจากมันสามารถเขียนฟิสิกส์ของอนุภาคใหม่ได้ดังที่ทราบกันดีอยู่แล้วผ่านแบบจำลองมาตรฐาน

“ไม่มีใครรอความคลาดเคลื่อนนี้” Martijn Mulders นักฟิสิกส์ทดลองที่ CERN ใกล้เจนีวากล่าวซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยใหม่ แต่ร่วมเขียนคำอธิบายประกอบใน Science ในขณะที่พูดกับ Scientific American “มันไม่คาดคิดมาก คุณเกือบจะรู้สึกเหมือนถูกหักหลังเพราะจู่ๆ พวกมันก็เลื่อยขาข้างหนึ่งซึ่งรองรับโครงสร้างทั้งหมดของฟิสิกส์อนุภาค”

“รุ่นมาตรฐานเป็นโครงสร้างที่มีความสมดุลอย่างมาก ดังนั้นการวัดนี้จึงไม่ใช่การวัดเดียว หากการวัดนี้เปลี่ยนแปลง ความสมดุลของแบบจำลองก็จะเปลี่ยนไป ซึ่งหมายความว่าเราต้องประเมินการวัดอื่นๆ ทั้งหมดที่เราได้ทำไปแล้วใหม่ และดูว่าบางทีด้วยการเปลี่ยนพารามิเตอร์อื่นๆ บางอย่างอาจกลายเป็นเรื่องธรรมชาติ” ดร.อมล ดีเฮ ศาสตราจารย์กล่าว สาขาวิชาฟิสิกส์ภาควิชาฟิสิกส์ทฤษฎีที่สถาบันวิจัยพื้นฐานทาทา (TIFR) ขณะพูดคุยกับ สะระแหน่

ไฟล์ - ช่างเทคนิคทำงานในอุโมงค์ LHC (Large Hadron Collider) ของ European Organization for Nuclear Research, CERN ใกล้เจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ วันอังคารที่ 16 กุมภาพันธ์ 2016

ไฟล์ – ช่างเทคนิคทำงานในอุโมงค์ LHC (Large Hadron Collider) ของ European Organization for Nuclear Research, CERN ใกล้เจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ วันอังคารที่ 16 กุมภาพันธ์ 2016
(เอพี)


ตัวอย่างเช่น Standard Model ถูกใช้เพื่อทำนายคุณสมบัติต่างๆ เช่น มวลและประจุของอนุภาคหลายตัว ซึ่งต่อมาถูกค้นพบในยุคที่เรียกว่า Great Age of Particle Physics ในศตวรรษที่ 20 ที่มีชื่อเสียงที่สุดในหมู่พวกเขาคือ Higgs Boson ซึ่งได้รับการขนานนามว่า “อนุภาคพระเจ้า” ซึ่งให้มวลแก่อนุภาคอื่น ๆ ทั้งหมดรวมถึง W-Boson ฮิกส์ซึ่งถูกค้นพบในที่สุดที่ Large Hadron Collider (LHC) ของ CERN มีมวลที่ทำนายโดยแบบจำลองมาตรฐานเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม แบบจำลองมาตรฐานได้เผชิญกับความท้าทายตั้งแต่ก่อนผลของการทดลองนี้เช่นกัน โดยหลักๆ แล้วในหมู่พวกเขาก็คือไม่สามารถแยกปัจจัยสสารมืด พลังงานมืด มวลนิวตริโน และแรงโน้มถ่วงได้ ในบริบทนี้ ผลลัพธ์ที่ได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามี “ฟิสิกส์ใหม่” นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานที่ผลลัพธ์ชี้ไป

“ในฐานะนักฟิสิกส์อนุภาค ฉันมั่นใจว่าจะต้องมีฟิสิกส์อีกมากรอการค้นพบนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน ความลึกลับเหล่านี้ทำให้นักฟิสิกส์ได้เบาะแสและเหตุผลใหม่ๆ ในการค้นหาความเข้าใจในสสาร พลังงาน อวกาศ และเวลาอย่างเต็มที่มากขึ้น” จอห์น คอนเวย์ ส่วนหนึ่งของทีมที่สร้างและรันเครื่องตรวจจับการชนกันของวัสดุที่ Fermilab (CDF) กล่าว ในบทความเรื่อง บทสนทนา.

ไม่ใช่สิ่งที่คุณเข้าใจ แต่สิ่งที่คุณไม่เข้าใจนั้นน่าสนใจเกี่ยวกับองค์กรทางวิทยาศาสตร์ ในอดีต ความคลาดเคลื่อนเช่นมวลของ W-Boson ได้ชี้ไปที่ข้อกำหนดและการเกิดขึ้นของทฤษฎีใหม่ทางฟิสิกส์ ตัวอย่างเช่น การวอกแวกในวงโคจรของดาวพุธซึ่งทฤษฎีของนิวตันไม่สามารถอธิบายได้ชี้ให้เห็นทางจากภาพนิวตันไปจนถึงภาพไอน์สไตเนียนของโลก ในทำนองเดียวกัน การทดลองแบบ double-slit เป็นการปูทางให้กับกลศาสตร์ควอนตัม

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์กำลังดำเนินการตรวจสอบสถานะของตนโดยพยายามศึกษาผลลัพธ์ของกระดาษ Science และวิธีการผ่านหวีละเอียด คาดว่าจะมีกระดาษจำนวนมากที่พยายามอธิบายความคลาดเคลื่อนของมวลผ่านทฤษฎีและอนุภาคที่แปลกใหม่ หนึ่งในตัวเลือกที่คล้ายคลึงกันคือ Supersymmetry ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ยังไม่ได้ให้ผลลัพธ์ใด ๆ แม้ว่าจะมีการทดลองเพื่อค้นหาอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดดังกล่าวที่ LHC สามารถคาดหวังเพิ่มเติมได้ในอนาคตอันใกล้

Binit Priyaranjan เป็นนักข่าว นักเขียน และกวีอิสระ

ยังอ่าน: การดูดาวและวิทยาศาสตร์อวกาศกลายเป็นจุดศูนย์กลางในอินเดียได้อย่างไร

.

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*