Sci - nature wiki

2021 – سنة سئل علماء الفيزياء ، “ما الذي يكمن وراء النموذج القياسي؟”

0
LHC ATLAS Calorimeter

توفر التجارب في مصادم الهادرونات الكبير في أوروبا ، مثل مقياس السعرات الحرارية ATLAS المعروض هنا ، قياسات أكثر دقة للجسيمات الأساسية. الائتمان: ماكسيميليان برايس ، سيرن

إذا طلبت من عالم فيزياء مثلي شرح كيفية عمل العالم ، فقد تكون إجابتي البطيئة: “إنه يتبع النموذج القياسي.”

يشرح النموذج القياسي الفيزياء الأساسية لكيفية عمل الكون. لقد تحمل أكثر من 50 رحلة حول الشمس على الرغم من أن علماء الفيزياء التجريبية يبحثون باستمرار عن الشقوق في أسس النموذج.

مع استثناءات قليلة ، فقد صمد أمام هذا التدقيق ، واجتاز اختبارًا تجريبيًا بعد اختبار تجريبي بألوان متطايرة. لكن هذا النموذج الناجح إلى حد كبير به فجوات مفاهيمية تشير إلى أن هناك المزيد لتعلمه حول كيفية عمل الكون.

أنا فيزيائي نيوترينو. تمثل النيوترينوات ثلاثة من 17 جسيمًا أساسيًا في النموذج القياسي. إنهم يتنقلون عبر كل شخص على وجه الأرض في جميع أوقات اليوم. أنا أدرس خصائص التفاعلات بين النيوترينوات وجزيئات المادة العادية.

في عام 2021 ، أجرى الفيزيائيون حول العالم عددًا من التجارب التي استقصت النموذج القياسي. قامت الفرق بقياس المعايير الأساسية للنموذج بشكل أكثر دقة من أي وقت مضى. قام آخرون بالتحقيق في هوامش المعرفة حيث لا تتطابق أفضل القياسات التجريبية تمامًا مع التنبؤات التي قدمها النموذج القياسي. وأخيرًا ، قامت المجموعات ببناء تقنيات أكثر قوة مصممة لدفع النموذج إلى أقصى حدوده وربما اكتشاف جسيمات وحقول جديدة. إذا نجحت هذه الجهود ، فقد تؤدي إلى نظرية أكثر اكتمالاً للكون في المستقبل.

النموذج القياسي للفيزياء كواركس ليبتون هيغز بوسون

يسمح النموذج القياسي للفيزياء للعلماء بعمل تنبؤات دقيقة بشكل لا يصدق حول كيفية عمل العالم ، لكنه لا يفسر كل شيء. الائتمان: سيرن

ملء الثقوب في النموذج القياسي

في عام 1897 ، اكتشف JJ Thomson أول جسيم أساسي ، وهو الإلكترون ، باستخدام أنابيب وأسلاك زجاجية مفرغة. بعد أكثر من 100 عام ، لا يزال الفيزيائيون يكتشفون قطعًا جديدة من النموذج القياسي.

النموذج القياسي هو إطار عمل تنبؤي يقوم بأمرين. أولاً ، يشرح ماهية الجسيمات الأساسية للمادة. هذه أشياء مثل الإلكترونات والكواركات التي تشكل البروتونات والنيوترونات. ثانيًا ، يتنبأ بكيفية تفاعل جزيئات المادة مع بعضها البعض باستخدام “جزيئات الرسول”. تسمى هذه البوزونات – وهي تشمل الفوتونات وبوزون هيغز الشهير – وهي تنقل القوى الأساسية للطبيعة. لم يتم اكتشاف بوزون هيغز حتى عام 2012 بعد عقود من العمل فيه سيرن، مصادم الجسيمات الضخم في أوروبا.

يعتبر النموذج القياسي جيدًا بشكل لا يصدق في التنبؤ بالعديد من جوانب كيفية عمل العالم ، ولكنه يحتوي على بعض الثغرات.

والجدير بالذكر أنه لا يتضمن أي وصف للجاذبية. بينما تصف نظرية أينشتاين للنسبية العامة كيفية عمل الجاذبية ، لم يكتشف الفيزيائيون بعد الجسيم الذي ينقل قوة الجاذبية. يمكن أن تفعل “نظرية كل شيء” المناسبة كل ما يستطيع النموذج القياسي القيام به ، ولكنها تشمل أيضًا جزيئات الرسول التي تنقل كيفية تفاعل الجاذبية مع الجسيمات الأخرى.

شيء آخر لا يستطيع النموذج القياسي فعله هو شرح سبب امتلاك أي جسيم كتلة معينة – يجب على الفيزيائيين قياس كتلة الجسيمات مباشرة باستخدام التجارب. فقط بعد أن أعطت التجارب الفيزيائيين هذه الكتل الدقيقة يمكن استخدامها للتنبؤات. كلما كانت القياسات أفضل ، كانت التوقعات التي يمكن إجراؤها أفضل.

في الآونة الأخيرة ، قام الفيزيائيون في فريق CERN بقياس مدى قوة إحساس بوزون هيغز بنفسه. قام فريق آخر من CERN أيضًا بقياس كتلة بوزون هيجز بدقة أكبر من أي وقت مضى. وأخيرًا ، كان هناك تقدم أيضًا في قياس كتلة النيوترينوات. يعرف الفيزيائيون أن كتلة النيوترينوات تزيد عن الصفر ولكنها أقل من الكمية التي يمكن اكتشافها حاليًا. واصل فريق في ألمانيا تحسين التقنيات التي يمكن أن تسمح لهم بقياس كتلة النيوترينوات مباشرة.

تجربة Muon g-2 في Fermilab

تسلط مشاريع مثل تجربة Muon g-2 الضوء على التناقضات بين القياسات التجريبية وتنبؤات النموذج القياسي التي تشير إلى مشاكل في مكان ما في الفيزياء. الائتمان: ريدار هان ، فيرميلاب

تلميحات عن قوى أو جسيمات جديدة

في أبريل 2021 ، أعلن أعضاء تجربة Muon g-2 في Fermilab أول قياس لهم للعزم المغناطيسي للميون. الميون هو أحد الجسيمات الأساسية في النموذج القياسي ، وهذا القياس لإحدى خصائصه هو الأكثر دقة حتى الآن. كان سبب أهمية هذه التجربة هو أن القياس لم يتطابق تمامًا مع تنبؤ النموذج القياسي للعزم المغناطيسي. في الأساس ، لا تتصرف الميونات كما ينبغي. يمكن أن يشير هذا الاكتشاف إلى جسيمات غير مكتشفة تتفاعل مع الميونات.

لكن في نفس الوقت ، في أبريل 2021 ، أوضح الفيزيائي زولتان فودور وزملاؤه كيف استخدموا طريقة رياضية تسمى Lattice QCD لحساب العزم المغناطيسي للميون بدقة. يختلف تنبؤهم النظري عن التنبؤات القديمة ، ولا يزال يعمل ضمن النموذج القياسي ، والأهم من ذلك أنه يطابق القياسات التجريبية للميون.

يجب التوفيق بين الخلاف بين التنبؤات المقبولة سابقًا وهذه النتيجة الجديدة والتنبؤ الجديد قبل أن يعرف الفيزيائيون ما إذا كانت النتيجة التجريبية تتجاوز النموذج القياسي حقًا.

المجرة الحلزونية السماوية

ستساعد الأدوات الجديدة الفيزيائيين في البحث عن المادة المظلمة والأشياء الأخرى التي يمكن أن تساعد في تفسير ألغاز الكون. الائتمان: مارك غارليك

الارتقاء بأدوات الفيزياء

يجب أن يتأرجح الفيزيائيون بين صياغة الأفكار المثيرة للعقل حول الواقع التي تشكل النظريات والتقدم التكنولوجي إلى الحد الذي يمكن فيه للتجارب الجديدة اختبار تلك النظريات. كان عام 2021 عامًا كبيرًا لتطوير الأدوات التجريبية للفيزياء.

أولاً ، تم إغلاق أكبر مسرع للجسيمات في العالم ، مصادم الهدرونات الكبير في CERN ، وخضع لبعض التحسينات الجوهرية. أعاد الفيزيائيون للتو تشغيل المنشأة في أكتوبر ، ويخططون لبدء تشغيل جمع البيانات التالي في مايو 2022. وقد عززت الترقيات قوة المصادم حتى يتمكن من إحداث تصادمات عند 14 تيرا إلكترون فولت ، أعلى من الحد السابق البالغ 13 تيرا إلكترون فولت. هذا يعني أن دفعات البروتونات الصغيرة التي تنتقل في حزم حول المسرع الدائري معًا تحمل نفس كمية الطاقة التي يحملها قطار ركاب يبلغ وزنه 800 ألف رطل (360 ألف كيلوجرام) يسير بسرعة 100 ميل في الساعة (160 كيلومترًا في الساعة). في هذه الطاقات المذهلة ، قد يكتشف الفيزيائيون جسيمات جديدة كانت ثقيلة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها عند الطاقات المنخفضة.

تم إجراء بعض التطورات التكنولوجية الأخرى للمساعدة في البحث عن المادة المظلمة. يعتقد العديد من علماء الفيزياء الفلكية أن جسيمات المادة المظلمة ، التي لا تتوافق حاليًا مع النموذج القياسي ، يمكن أن تجيب على بعض الأسئلة المعلقة بشأن الطريقة التي تنحني بها الجاذبية حول النجوم – تسمى عدسة الجاذبية – وكذلك السرعة التي تدور بها النجوم في المجرات الحلزونية. مشاريع مثل Cryogenic Dark Matter Search لم تعثر بعد على جسيمات المادة المظلمة ، لكن الفرق تطور كواشف أكبر وأكثر حساسية لنشرها في المستقبل القريب.

من الأمور ذات الصلة بشكل خاص بعملي مع النيوترينوات تطوير كواشف جديدة هائلة مثل Hyper-Kamiokande و DUNE. باستخدام هذه الكواشف ، نأمل أن يتمكن العلماء من الإجابة على أسئلة حول عدم تناسق أساسي في كيفية تذبذب النيوترينوات. سيتم استخدامها أيضًا لمراقبة تحلل البروتون ، وهي ظاهرة مقترحة تتنبأ بعض النظريات بضرورة حدوثها.

سلط فيلم 2021 الضوء على بعض الطرق التي يفشل فيها النموذج القياسي في شرح كل لغز من أسرار الكون. لكن القياسات الجديدة والتكنولوجيا الجديدة تساعد علماء الفيزياء على المضي قدمًا في البحث عن نظرية كل شيء.

بقلم آرون ماكجوان ، المحاضر الرئيسي في الفيزياء وعلم الفلك ، معهد روتشستر للتكنولوجيا.

تم نشر هذه المقالة لأول مرة في المحادثة.المحادثة

Leave A Reply

Your email address will not be published.