แม่เหล็กวงแหวนจัดเก็บสำหรับการทดลอง Muon G-2 ที่ Fermilab

แลงคาสเตอร์ สหราชอาณาจักร:

ในฐานะนักฟิสิกส์ที่ทำงานที่ Large Hadron Collider (LHC) ที่ Cern หนึ่งในคำถามที่พบบ่อยที่สุดที่ฉันถามคือ ต่อต้านการล่อลวงที่จะตอบอย่างประชดประชันว่า “นอกจากฮิกส์โบซอนซึ่งได้รับรางวัลโนเบลและอนุภาคประกอบใหม่อีกจำนวนหนึ่ง” ฉันตระหนักดีว่าเหตุผลที่คำถามถูกโพสต์บ่อยครั้งนั้นมาจากวิธีที่เราแสดงให้เห็นความก้าวหน้าใน ฟิสิกส์อนุภาคสู่โลกกว้าง

เรามักพูดถึงความก้าวหน้าในแง่ของการค้นพบอนุภาคใหม่ๆ และบ่อยครั้งก็เป็นเช่นนั้น การศึกษาอนุภาคใหม่ที่หนักมากช่วยให้เรามองเห็นกระบวนการทางกายภาพที่อยู่เบื้องล่าง ซึ่งมักจะไม่มีเสียงรบกวนเบื้องหลัง ทำให้ง่ายต่อการอธิบายคุณค่าของการค้นพบนี้ต่อสาธารณชนและนักการเมือง

อย่างไรก็ตาม เมื่อเร็ว ๆ นี้ ชุดของการวัดที่แม่นยำของอนุภาคและกระบวนการมาตรฐานที่ลุ่มซึ่งเป็นที่รู้จักอยู่แล้วได้ขู่ว่าจะเขย่าฟิสิกส์ และเมื่อ LHC พร้อมที่จะวิ่งด้วยพลังงานและความเข้มข้นที่สูงกว่าที่เคยเป็นมา ก็ถึงเวลาที่จะเริ่มพูดคุยเกี่ยวกับความหมายในวงกว้าง

อันที่จริง ฟิสิกส์ของอนุภาคดำเนินไปในสองวิธีเสมอ โดยที่อนุภาคใหม่เป็นหนึ่งเดียว อีกวิธีหนึ่งคือการวัดที่แม่นยำมากซึ่งทดสอบการทำนายของทฤษฎีและมองหาความเบี่ยงเบนจากสิ่งที่คาดหวัง

ยกตัวอย่างเช่น หลักฐานเบื้องต้นสำหรับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ มาจากการค้นพบความเบี่ยงเบนเล็กน้อยในตำแหน่งที่ชัดเจนของดาวและจากการเคลื่อนที่ของดาวพุธในวงโคจรของมัน

การค้นพบที่สำคัญสามประการ

อนุภาคเชื่อฟังทฤษฎีที่ขัดกับสัญชาตญาณแต่ประสบความสำเร็จอย่างมหาศาลที่เรียกว่ากลศาสตร์ควอนตัม ทฤษฎีนี้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคที่มีมวลมากเกินกว่าจะสร้างขึ้นโดยตรงในการชนกันในห้องแล็บยังสามารถมีอิทธิพลต่อสิ่งที่อนุภาคอื่นๆ ทำ (ผ่านสิ่งที่เรียกว่า “ความผันผวนของควอนตัม”) อย่างไรก็ตาม การวัดผลกระทบดังกล่าวมีความซับซ้อนมาก และยากต่อการอธิบายให้สาธารณชนทราบ

แต่ผลลัพธ์ล่าสุดที่บ่งบอกถึงฟิสิกส์ใหม่ที่ไม่สามารถอธิบายได้นอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานนั้นเป็นประเภทที่สอง การศึกษาโดยละเอียดจากการทดลอง LHCb พบว่าอนุภาคที่เรียกว่าบิวตี้ควาร์ก (ควาร์กประกอบเป็นโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอม) “สลาย” (แตกเป็นเสี่ยง) เป็นอิเล็กตรอนบ่อยกว่ามิวออน – อิเล็กตรอนที่หนักกว่า แต่อย่างอื่นเหมือนกัน พี่น้อง ตามแบบจำลองมาตรฐาน สิ่งนี้ไม่ควรเกิดขึ้น – เป็นนัยว่าอนุภาคใหม่หรือแม้แต่พลังแห่งธรรมชาติอาจมีอิทธิพลต่อกระบวนการ

การวัดกระบวนการที่คล้ายคลึงกันซึ่งเกี่ยวข้องกับ “ท็อปควาร์ก” จากการทดลอง ATLAS ที่ LHC แสดงให้เห็นว่าการสลายนี้เกิดขึ้นในอัตราที่เท่ากันสำหรับอิเล็กตรอนและมิวออน

ในขณะเดียวกัน การทดลอง Muon g-2 ที่ Fermilab ในสหรัฐอเมริกาได้ทำการศึกษาที่แม่นยำมากว่ามิวออน “โยกเยก” ขณะที่ “สปิน” (คุณสมบัติควอนตัม) มีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กโดยรอบอย่างไร พบการเบี่ยงเบนเล็กน้อยแต่มีนัยสำคัญจากการคาดการณ์ทางทฤษฎี – อีกครั้งแนะนำว่าอาจมีแรงหรืออนุภาคที่ไม่รู้จักทำงาน

ผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจล่าสุดคือการวัดมวลของอนุภาคพื้นฐานที่เรียกว่า W boson ซึ่งมีแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอซึ่งควบคุมการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี หลังจากใช้เวลาหลายปีในการวิเคราะห์และวิเคราะห์ข้อมูล การทดลองดังกล่าวที่ Fermilab ยังแนะนำว่าหนักกว่าที่ทฤษฎีคาดไว้มาก โดยเบี่ยงเบนจากปริมาณที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นโดยบังเอิญในการทดลองกว่าล้านล้านครั้ง อีกครั้ง อาจเป็นไปได้ว่าอนุภาคที่ยังไม่ถูกค้นพบกำลังเพิ่มมวลเข้าไป

อย่างไรก็ตาม ที่น่าสนใจ สิ่งนี้ไม่เห็นด้วยกับการวัดที่มีความแม่นยำต่ำกว่าบางส่วนจาก LHC (นำเสนอในการศึกษานี้และการศึกษาครั้งนี้)

คำตัดสิน

แม้ว่าเราจะไม่ค่อยแน่ใจว่าเอฟเฟกต์เหล่านี้ต้องการคำอธิบายที่แปลกใหม่ แต่ดูเหมือนว่าหลักฐานจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ว่าจำเป็นต้องมีฟิสิกส์ใหม่

แน่นอนว่าจะมีกลไกใหม่ๆ ที่เสนอให้อธิบายข้อสังเกตเหล่านี้เกือบจะมากพอๆ กับที่นักทฤษฎีมีอยู่ หลายคนจะมองว่า “สมมาตรยิ่งยวด” ในรูปแบบต่างๆ นี่เป็นแนวคิดที่ว่าแบบจำลองมาตรฐานมีอนุภาคพื้นฐานเป็นสองเท่ามากกว่าที่เราคิด โดยแต่ละอนุภาคจะมี “ซุปเปอร์พาร์ทเนอร์” สิ่งเหล่านี้อาจเกี่ยวข้องกับ Higgs bosons เพิ่มเติม (ที่เกี่ยวข้องกับสนามที่ให้มวลของอนุภาคพื้นฐาน)

คนอื่นจะไปไกลกว่านั้นโดยอ้างถึงแนวคิดที่ไม่ค่อยทันสมัยเช่น “สีทางเทคนิค” ซึ่งหมายความว่ามีกองกำลังของธรรมชาติเพิ่มเติม (นอกเหนือจากแรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอและแข็งแกร่ง) และอาจหมายความว่าฮิกส์โบซอน อันที่จริงเป็นวัตถุที่ประกอบขึ้นจากอนุภาคอื่นๆ การทดลองเท่านั้นที่จะเปิดเผยความจริงของเรื่อง – ซึ่งเป็นข่าวดีสำหรับผู้ทดลอง

ทีมทดลองที่อยู่เบื้องหลังการค้นพบครั้งใหม่นี้ล้วนเป็นที่เคารพนับถือและได้ดำเนินการแก้ไขปัญหามาเป็นเวลานาน อย่างไรก็ตาม การวัดเหล่านี้ทำได้ยากมาก ยิ่งไปกว่านั้น การคาดคะเนของแบบจำลองมาตรฐานมักจะต้องมีการคำนวณซึ่งจำเป็นต้องมีการประมาณ ซึ่งหมายความว่านักทฤษฎีที่แตกต่างกันสามารถทำนายมวลและอัตราการสลายที่แตกต่างกันเล็กน้อย ขึ้นอยู่กับสมมติฐานและระดับของการประมาณค่าที่เกิดขึ้น ดังนั้น อาจเป็นไปได้ว่าเมื่อเราทำการคำนวณที่แม่นยำมากขึ้น สิ่งที่ค้นพบใหม่บางอย่างจะพอดีกับแบบจำลองมาตรฐาน

ในทำนองเดียวกัน นักวิจัยอาจใช้การตีความที่แตกต่างกันอย่างละเอียด ดังนั้นจึงพบผลลัพธ์ที่ไม่สอดคล้องกัน การเปรียบเทียบผลการทดลองสองรายการต้องมีการตรวจสอบอย่างรอบคอบว่ามีการใช้ค่าประมาณเดียวกันในทั้งสองกรณี

ทั้งสองอย่างนี้เป็นตัวอย่างของแหล่งที่มาของ “ความไม่แน่นอนอย่างเป็นระบบ” และในขณะที่ทุกคนที่เกี่ยวข้องพยายามอย่างเต็มที่เพื่อหาปริมาณ แต่ก็อาจมีภาวะแทรกซ้อนที่ไม่คาดฝันซึ่งประเมินค่าต่ำหรือสูงเกินไปได้

สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ทำให้ผลลัพธ์ปัจจุบันน่าสนใจหรือสำคัญน้อยลง ผลลัพธ์ที่ได้แสดงให้เห็นคือ มีหลายวิธีในการทำความเข้าใจฟิสิกส์ใหม่อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น และพวกเขาทั้งหมดจำเป็นต้องได้รับการสำรวจ

ในการเริ่ม LHC ใหม่อีกครั้ง ยังมีโอกาสที่อนุภาคใหม่ๆ จะถูกสร้างขึ้นผ่านกระบวนการที่หายากกว่าหรือถูกพบว่าซ่อนอยู่ภายใต้เบื้องหลังที่เรายังไม่ได้ค้นพบ

(ผู้แต่ง: Roger Jones, ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์, หัวหน้าภาควิชา, มหาวิทยาลัยแลงคาสเตอร์)

คำชี้แจงการเปิดเผยข้อมูล: Roger Jones ได้รับเงินทุนจาก STFC ฉันเป็นสมาชิกของ ATLAS Collaboration

บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจาก The Conversation ภายใต้สัญญาอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ

(ยกเว้นพาดหัวข่าว เรื่องนี้ยังไม่ได้รับการแก้ไขโดยเจ้าหน้าที่ NDTV และเผยแพร่จากฟีดที่รวบรวมไว้)