ทศวรรษแห่งวิทยาศาสตร์และการชนกันหลายล้านล้านครั้งแสดงให้เห็นว่า W Boson มีขนาดใหญ่กว่าที่คาดไว้ นักฟิสิกส์อธิบายว่ามันหมายถึงอะไร

แนวคิดฟิสิกส์อนุภาคควอนตัมอะตอม

การวัดมวลของ W bosons ใช้เวลา 10 ปี – และผลลัพธ์ก็ไม่ใช่สิ่งที่นักฟิสิกส์คาดหวัง

“คุณสามารถทำมันได้อย่างรวดเร็ว คุณสามารถทำมันได้ในราคาถูก หรือคุณทำมันให้ถูกต้อง เราทำถูกต้องแล้ว” นี่คือบางส่วนของคำกล่าวเปิดงานของ David Toback เมื่อผู้นำของ Collider Detector ของ Fermilab เปิดเผยผลการทดลองนานนับทศวรรษเพื่อวัดมวลของอนุภาคที่เรียกว่า W boson

ฉันเป็นนักฟิสิกส์อนุภาคที่มีพลังงานสูง และเป็นส่วนหนึ่งของทีมนักวิทยาศาสตร์หลายร้อยคนที่สร้างและควบคุม Collider Detector ที่ Fermilab ในรัฐอิลลินอยส์ หรือที่เรียกว่า CDF

หลังจากการชนกันหลายล้านล้านครั้งและการรวบรวมข้อมูลและการกระทืบตัวเลขหลายปี ทีม CDF พบว่า W boson มีมวลมากกว่าที่คาดไว้เล็กน้อย แม้ว่าความคลาดเคลื่อนจะเล็กน้อย แต่ผลลัพธ์ที่ได้อธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร ศาสตร์ เมื่อวันที่ 7 เมษายน พ.ศ. 2565 ได้จุดไฟให้โลกฟิสิกส์อนุภาค หากการวัดนั้นถูกต้องจริง ๆ ก็เป็นอีกสัญญาณที่ชัดเจนว่ามีชิ้นส่วนที่หายไปในปริศนาฟิสิกส์ว่าจักรวาลทำงานอย่างไร

โมเดลมาตรฐานของ Elementary Particles Graphic

แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคอธิบายอนุภาคที่ประกอบเป็นมวลและแรงของจักรวาล MissMJ/WikimediaCommons โมเดลมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคอธิบายอนุภาคที่ประกอบเป็นมวลและแรงของจักรวาล เครดิต: MissMJ / WikimediaCommons

อนุภาคที่มีกำลังอ่อน

แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคเป็นกรอบการทำงานที่ดีที่สุดในปัจจุบันของวิทยาศาสตร์สำหรับกฎพื้นฐานของจักรวาล และอธิบายแรงพื้นฐานสามอย่าง: แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงอ่อน และแรงแรง

นิวเคลียสของอะตอมถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงที่แข็งแกร่ง อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสบางชนิดไม่เสถียรและเกิดการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี โดยจะปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้าๆ โดยการปล่อยอนุภาค กระบวนการนี้ขับเคลื่อนโดยพลังที่อ่อนแอ และนักวิทยาศาสตร์ได้พยายามค้นหาสาเหตุและวิธีที่อะตอมสลายตัวตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1900

ตามแบบจำลองมาตรฐาน แรงถูกส่งโดยอนุภาค ในทศวรรษที่ 1960 ชุดของการค้นพบทางทฤษฎีและการทดลองเสนอว่าแรงที่อ่อนแอนั้นถูกส่งผ่านโดยอนุภาคที่เรียกว่า W และ Z bosons นอกจากนี้ยังตั้งสมมติฐานว่าอนุภาคที่สาม ฮิกส์โบซอน คือสิ่งที่ให้อนุภาคอื่นๆ ทั้งหมด รวมทั้งมวลโบซอน W และ Z

นับตั้งแต่การถือกำเนิดของแบบจำลองมาตรฐานในทศวรรษที่ 1960 นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามหาทางลงรายการอนุภาคที่คาดการณ์ไว้แต่ยังไม่ได้ค้นพบและวัดคุณสมบัติของอนุภาคเหล่านั้น ในปี 1983 การทดลองสองครั้งที่ เซิร์น ในเมืองเจนีวา ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ได้จับหลักฐานการมีอยู่ของ W boson เป็นครั้งแรก ดูเหมือนว่าจะมีมวลประมาณปานกลาง อะตอม เช่นโบรมีน

ภายในปี 2000 มีเพียงชิ้นส่วนเดียวที่ขาดหายไปในการสร้างแบบจำลองมาตรฐานให้สมบูรณ์และผูกทุกอย่างเข้าด้วยกัน: Higgs boson ฉันช่วยค้นหา Higgs boson ในการทดลอง 3 ครั้งติดต่อกัน และในที่สุด เราก็ค้นพบมันในปี 2012 ที่ Large Hadron Collider ที่ CERN

โมเดลมาตรฐานเสร็จสมบูรณ์แล้ว และการวัดทั้งหมดที่เราสร้างขึ้นนั้นเข้ากันได้อย่างสวยงามกับการคาดคะเน

Collider Detector ที่ Fermilab

Collider Detector ที่ Fermilab รวบรวมข้อมูลจากการชนกันหลายล้านครั้งซึ่งผลิต W bosons ได้หลายล้านครั้ง เครดิต: Bodhita / WikimediaCommons, CC BY-SA

การวัด W bosons

สนุกมากที่จะทุบอนุภาคเข้าด้วยกันด้วยพลังงานที่สูงมากเพื่อทดสอบโมเดลมาตรฐาน การชนกันเหล่านี้ทำให้เกิดอนุภาคที่หนักกว่าในช่วงเวลาสั้น ๆ ก่อนที่จะสลายกลับเป็นอนุภาคที่เบากว่า เพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่เกิดจากการชนเหล่านี้ นักฟิสิกส์ใช้เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่และละเอียดอ่อนอย่างยิ่งในโรงงานต่างๆ เช่น Fermilab และ CERN

ใน CDF โบซอน W ถูกผลิตขึ้นประมาณหนึ่งในทุกๆ 10 ล้านครั้งเมื่อโปรตอนและแอนติโปรตอนชนกัน แอนติโปรตอนคือโปรตอนรุ่นปฏิสสารที่มีมวลเท่ากันทุกประการ แต่มีประจุตรงข้ามกัน โปรตอนประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานขนาดเล็กที่เรียกว่าควาร์ก และแอนติโปรตอนทำจากแอนติควาร์ก เป็นการชนกันระหว่างควาร์กกับแอนติควาร์กที่สร้าง W boson W boson สลายตัวเร็วมากจนไม่สามารถวัดได้โดยตรง นักฟิสิกส์จึงติดตามพลังงานที่เกิดจากการสลายตัวเพื่อวัดมวลของ W boson

ในช่วง 40 ปีนับตั้งแต่นักวิทยาศาสตร์ตรวจพบหลักฐานของ W boson เป็นครั้งแรก การทดลองต่อเนื่องได้รับการวัดมวลที่แม่นยำยิ่งขึ้น แต่เนื่องจากการวัดของ Higgs boson เท่านั้น เนื่องจากให้มวลแก่อนุภาคอื่นๆ ทั้งหมด นักวิจัยจึงสามารถตรวจสอบมวลที่วัดได้ของ W boson กับมวลที่คาดการณ์โดยแบบจำลองมาตรฐาน การคาดคะเนและการทดลองตรงกันเสมอมาจนถึงปัจจุบัน

การวัดใหม่ของ W Boson

การวัดใหม่ของ W boson (วงกลมสีแดง) อยู่ไกลจากมวลที่คาดการณ์โดยแบบจำลองมาตรฐาน (เส้นสีม่วง) และยังมากกว่าการวัดเบื้องต้นจากการทดลองอีกด้วย เครดิต: CDF Collaboration ผ่านนิตยสาร Science, CC BY

หนักเกินคาด

เครื่องตรวจจับ CDF ของ Fermilab นั้นยอดเยี่ยมในการวัด W boson อย่างแม่นยำ ระหว่างปี 2544 ถึง พ.ศ. 2554 เครื่องเร่งความเร็วได้ทำลายโปรตอนและแอนติโปรตอนหลายล้านล้านครั้ง ทำให้เกิด W bosons หลายล้านตัว และรวบรวมข้อมูลให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จากการชนแต่ละครั้ง

ในปี 2555 ทีม Fermilab รายงานผลเบื้องต้นตามข้อมูลบางส่วน เราพบว่ามวลค่อนข้างคลาดเคลื่อน แต่ใกล้เคียงกับคำทำนาย จากนั้นนักวิจัยได้วิเคราะห์ชุดข้อมูลทั้งหมดอย่างขยันขันแข็งเป็นเวลากว่าทศวรรษ มีการตรวจสอบโยงภายในจำนวนมาก เช่นเดียวกับการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์หลายปี ไม่มีใครสามารถเห็นผลลัพธ์ใดๆ จนกว่าการคำนวณทั้งหมดจะเสร็จสิ้น เพื่อหลีกเลี่ยงอคติแอบเข้าไปในการวิเคราะห์

เมื่อโลกฟิสิกส์ได้เห็นผลลัพธ์ในที่สุดในวันที่ 7 เมษายน 2022 เราทุกคนต่างก็ประหลาดใจ นักฟิสิกส์วัดมวลอนุภาคมูลฐานในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์นับล้าน ซึ่งย่อให้เหลือ MeV มวลของ W boson ออกมาเป็น 80,433 MeV – 70 MeV สูงกว่าที่รุ่นมาตรฐานคาดการณ์ไว้ อาจดูเหมือนส่วนเกินเล็กน้อย แต่การวัดนั้นแม่นยำภายใน 9 MeV นี่คือส่วนเบี่ยงเบนเกือบแปดเท่าของระยะขอบของข้อผิดพลาด เมื่อเพื่อนร่วมงานและฉันเห็นผล ปฏิกิริยาของเราก็ดังก้อง “ว้าว!”

แนวคิดเปรียบเทียบความสมดุล

ข้อเท็จจริงที่ว่ามวลที่วัดได้ของ W boson นั้นแตกต่างจากมวลที่คาดการณ์ไว้ในแบบจำลองมาตรฐาน อาจบ่งบอกถึงหนึ่งในสามสิ่ง คณิตศาสตร์ไม่ถูกต้อง การวัดไม่ถูกต้อง หรือมีบางอย่างขาดหายไปจากแบบจำลองมาตรฐาน

สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรสำหรับรุ่นมาตรฐาน

ความจริงที่ว่ามวลที่วัดได้ของ W boson ไม่ตรงกับมวลที่คาดการณ์ไว้ในแบบจำลองมาตรฐาน อาจหมายถึงสามสิ่ง ไม่ว่าคณิตศาสตร์จะผิด การวัดก็ผิด หรือมีบางอย่างขาดหายไปจากแบบจำลองมาตรฐาน

ประการแรกคณิตศาสตร์ ในการคำนวณมวลของ W boson นักฟิสิกส์ใช้มวลของ Higgs boson การทดลองของ CERN ทำให้นักฟิสิกส์สามารถวัดมวลของฮิกส์โบซอนได้ภายในหนึ่งในสี่ของเปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้ทำงานเกี่ยวกับการคำนวณมวลของ W boson มานานหลายทศวรรษแล้ว แม้ว่าคณิตศาสตร์จะซับซ้อน แต่การทำนายนั้นมั่นคงและไม่น่าจะเปลี่ยนแปลง

ความเป็นไปได้ต่อไปคือข้อบกพร่องในการทดลองหรือการวิเคราะห์ นักฟิสิกส์ทั่วโลกกำลังตรวจสอบผลลัพธ์เพื่อพยายามเจาะรูเข้าไป นอกจากนี้ การทดลองในอนาคตที่ CERN ในที่สุดอาจได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งจะยืนยันหรือหักล้างมวล Fermilab แต่ในความคิดของฉัน การทดลองนี้เป็นการวัดผลที่ดีที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน

เหลือตัวเลือกสุดท้าย: มีอนุภาคหรือแรงที่ไม่สามารถอธิบายได้ซึ่งทำให้มวลของ W boson เลื่อนขึ้น ก่อนการวัดนี้ นักทฤษฎีบางคนได้เสนออนุภาคหรือแรงใหม่ที่อาจส่งผลให้เกิดการเบี่ยงเบนที่สังเกตได้ ในอีกไม่กี่เดือนและหลายปีต่อจากนี้ ฉันคาดหวังว่าจะมีเอกสารใหม่ๆ จำนวนมากที่พยายามจะอธิบายมวลอันน่าฉงนของ W bosons

ในฐานะนักฟิสิกส์อนุภาค ฉันมั่นใจว่าจะต้องมีฟิสิกส์อีกมากรอการค้นพบนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน หากผลลัพธ์ใหม่นี้ยังคงอยู่ จะเป็นการค้นพบล่าสุดที่แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองมาตรฐานและการวัดในโลกแห่งความเป็นจริงมักไม่ค่อยตรงกัน ความลึกลับเหล่านี้ทำให้นักฟิสิกส์ได้เบาะแสและเหตุผลใหม่ๆ ในการค้นหาความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับสสาร พลังงาน อวกาศ และเวลา

เขียนโดย John Conway ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เดวิส

บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกใน The Conversationบทสนทนา

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*