۷ معمای مرموز دنیای فیزیک

مجله دانستنیها - فاطمه عرفانی: نظریه های فعلی ما هنوز نمی توانند تصویر کاملی از دنیا برایمان بسازند. پدیده های فراوانی وجود دارد که تئوری های موجود نمی توانند آنها را توضیح دهند. از واپاشی های گمراه کننده ذرات تا الگوهای واضح و توضیح ناپذیر مشاهده شده در تابش زمینه کیهانی. با ما همراه شوید تا مهم ترین ابهامات در دنیای فیزیک را مرور کنیم.

در جستجوی شواهد این که چطور همه چیز شروع شد

پنگوئن های پر جنب و جوش

چرا ماده وجود دارد؟ البته اگر ماده ای وجود نداشت، ما هم الان اینجا نبودیم که این پرسش را مطرح کنیم. بهترین نظریات موجود در مورد ماده می گوید که وجود مواد و پایداری آنها در واقع بر اثر نوعی ناهنجاری است. پس چطور در حال حاضر این همه ماده در جهان وجود دارد؟

ما جوابی برای این پرسش نداریم، اما تلاش هایمان برای فهم این موضوع در نهایت ما را به اینجا رسانده است که بفهمیم درک مان از آنچه در جهان می گذرد هنوز بسیار ناقص است.

آنچه ما از جهان می دانیم، در مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی به طور جامع مطرح شده است؛ مجموعه ای بر پایه نظریه کوانتومی که اطلاعات ما را درباره تمامی نیروهای بنیادین طبیعت (به جز جاذبه گرانشی)، جمع بندی و دسته بندی کرده است. یکی از نتایج این مدل این است که برای هر ذره بنیادی، پادذره ای وجود دارد؛ جفتی دقیقا مشابه ذره مورد نظر اما با بار الکتریکی مخالف آن. برای نمونه، برای الکترون که بار منفی دارد پادذره ای به نام «پوزیترون» با بار مثبت وجود دارد.

بر اساس تئوری های فعلی، طی مهبانگ باید به یک میزان ماده و یا ماده تولید شده باشد؛ اما مسئله اینجاست که وقتی ماده با پادماده برخورد می کند، هر دو از بین می روند و تنها مقداری انرژی باقی می ماند. پس با این وصف، هر دوی اینها باید در همان اولین لحظات پیدایش عالم از بین رفته باشند اما در عمل می بینیم که چنین اتفاقی نیفتاده است. آزمایش های مختلف، مرتبط با ماده و پادماده تلاشی است در راستای یافتن پاسخی برای این معما.

آخرین آزمایش در این زمینه «LHCb» است که در آزمایشگاه فیزیک ذرات «سرن» انجام می شود. این آزمایش به دنبال بررسی نبود تعادل در واپاشی ذراتی به نام «مِزون» است که از یک کوارک و یک پادکوارک تشکیل شده اند. در سال ۲۰۱۱ نتایج امیدبخشی در این زمینه به دست آمد. نوعی از ذرات «مزون D» دیده شد که سرعت واپاشی با پادذره اش - که از کوارک و پادکوارکی دقیقا معکوس مزون D تشکیل شده بود - متفاوت بود. البته وقتی داده های بیشتری از آزمایش به دست آمد، این ناهنجاری دیگر دیده نشد؛ اما در همین بین، اتفاقات دیگری رخ داد. برای نمونه، «مزون های B» سنگین تری پیدا شدند که بیشتر از پیش بینی مدل استاندارد به ذرات «تاو» واپاشی می کردند.

ذرات تاو، همراه با میون ها، گونه سنگین تر الکترون ها هستند. بر اساس مدل استاندارد و با توجه به جرم این ذرات، سرعت واپاشی مزون های B به این سه نوع ذره باید با هم یکسان باشد اما در عمل این طور نیست.

این نوع واپاشی به نام فرایند «پنگئون» شناخته می شود زیرا نمودارهای استانداردی که فیزیکدانان از این نوع واپاشی رسم می کنند، شبیه بدن یک پنگوئن است. فرایندهای نامتوازن پنگئون حالا در سه آزمایش مختلف از جمله LHCb دیده شده اند. علاوه بر این، انرژی و مسیر میون هایی که در اثر واپاشی مزون های B در LHCb تولید می شوند هم با پیش بینی ها مطابقت ندارد.

از لحاظ آماری هیچ کدام از این ناهنجاری ها آنقدر چشمگیر و معنی دار نیستند که بتوان با یقین گفت که واقعا اتفاق مشکوکی در حال رخ دادن است، اما دست کم می توان گفت که این اتفاقات نشان دهنده آن هستند که در مدل استاندارد پیش فرضی به اشتباه در نظر گرفته شده است یا همه در درک مفهومی بنیادی دچار سوءتفاهم شده اند. اما «والری گیبسون» پژوهشگر «دانشگاه کمبریج» و LHCb معتقد است: «این اتفاق می تواند اولین قدم به سوی دنیای جدیدی در فیزیک باشد.»

احتمال دارد که مزون های B به هنگام واپاشی، ابتدا به ذراتی وا می پاشند که تا امروز شناسایی نشده اند و پس از لحظه ای بسیار کوتاه واپاشی ثانویه به میون ها را نشان می دهند؛ این به آن معنی است که آنچه ما به عنوان حاصل واپاشی می بینیم، نتیجه واپاشی این ذرات شناسایی نشده است. بعضی حدس می زنند که این ذرات دردسرساز از نوع «لپوتوکوارک»ها، ترکیبی از الپتون ها و کوارک ها باشند. یکی دیگر از نامزدها هم نوعی جدید ماز بوزون هیگز است اما این احتمالات هنوز در حد حدس و گمان هستند. «گای ویلکینسون»، پژوهشگر «دانشگاه آکسفورد» که به تحلیل داده های LHCb مشغول است، می گوید: «ما باید چند سالی صبر کنیم تا بتوانیم راجع به این موضوع بیشتر بفهمیم.»

معماهایی به گستردگی عالم که در دل تابش ریزموج زمینه کیهانی پنهان شده اند

محور شرارت

مدل استاندارد تنها مخصوص فیزیک ذرات نیست؛ کیهان شناسی هم چنین مدلی دارد. همان طور که فیزیک کوانتومی درک ما را از ایجاد بسیار ریز شکل داده است؛ دیدگاه ما درباره ابعاد بسیار بزرگ بر پایه نسبیت عام، نظریه انیشتین در حوزه گرانش، شکل گرفته است.

معادلات نسبیت عام بسیار پیچیده اند. استخراج یک مدل کیهان شناسی کاربردی از این معادلات، نیازمند در نظر گرفتن فرض ساده اما مهمی است؛ این که جهان در تمام مقیاس ها و در همه جهات یکسان است. با فرض این که همه چیز طی مهبانگ و در نقطه ای مشخص آغاز شده است، این فرض منطقی به نظر می رسد اما شواهدی وجود دارد که نشان می دهد این فرض لزوما درست نیست.

این شواهد در تابش ریزموج زمینه کیهانی (CMB) به وضوح دیده می شوند؛ تابشی که در سراسر فضازمان منتشر شده و بازمانده نخستین نور منتشر شده در عالم است که قدمت آن به حدود 380 هزار سال بعد از مهبانگ و دوران شکل گیری نخستین اتم ها بر می گردد. اتم هایی که - کم و بیش - به طور یکنواخت در سراسر کیهان پراکنده شده بودند، باعث شدند تا CMB دمای یکنواختی داشته باشد؛ در حال حاضر، پس از حدود 13.8 میلیارد سال سرد شدن، این دما به 2.725 کلوین رسیده است. البته نقاط بسیار کوچکی وجود دارند که حدود چند صد هزارم کلوین از این دما داغ تر یا سردتر هستند. این اتفاق نشان دهنده ناهمگنی های کوچک در مواد اولیه جهان است که به دلیل نوسانات تصادفی کوانتومی، انتظار آن می رفت این نقاط ناهمگن بعدها به هسته اولیه شکل گیری ساختارهایی چون ستاره ها و کهکشان ها تبدیل شدند.

تا این جای کار همه چیز خوب پیش می رفت، اما در سال 2005، «کیت لند» (Kate Land) و «ژوائو ماخیجیو» (Joao Magueijo)، کیهان شناسان کالج سلطنتی لندن رشته ای از نقاط داغ و سرد را روی محوری در سراسر تابش ریزموج زمینه کیهانی کشف کردند؛ اتفاقی که به هیچ عنوان با اصل کیهان شناختی و فرضیات یکنواخت و همگن بودن جهان مطابقت ندارد.

دقیق ترین نقشه هایی که تا امروز و به لطف ماهواره پلانگ (متعلق به آژانس فضایی اروپا) از تابش ریزموج زمینه ای کیهانی تهیه شده وجود این «محور شرارت» را تایید می کنند. این نقشه ها همچنین وجود لکه سرد شاخصی را نشان می دهند که بسیار بزرگ تر و سردتر از چیزی است که در تابشی یکنواخت اتفاق می افتد. از لحاظ حرفه ای شاید بشود این مورد خاص را در کنار تعداد انگشت شمار دیگری از این دست استثناها قرار داد و از آن چشم پوشی کرد اما واقعیت آن است که این ناهنجاری بر سر جای خودش باقی است و کیهان شناسان را در بهت و حیرت باقی گذاشته است: «تا مدت ها عده ای امیدوار بودند که این ناهنجاری خود به خود ناپدید بشود.» این نظر «دومینیک شوارتز» (Domninik Schwarz) از «دانشگاه بیلفیلد» آلمان است اما به هر حال این اتفاق نیفتاد.

بعضی برای توجیه وجود این الگوها، دلایل عجیب و غریبی عنوان کرده اند. احتمال برخورد دنیای ما با دنیایی دیگر، در هم تنیدگی جهان ما با جهانی دیگر با «تغییر حالتی» که در ابتدای جهان رخ داده است. البته در سر دیگر طیف، عده ای همچنان معتقدند که این پدیده می تواند حاصل تغییراتی تصادفی باشد. «جو دانکلی» (Jo Dunkley)، کیهان شناس دانشگاه آکسفورد می گوید: «در هر صورت ما برای بررسی های مان در این زمینه یک آسمان بیشتر نداریم. در حال حاضر تلاش ها برای اندازه گیری قطبش تابش ریزموج زمینه کیهانی ادامه دارد. اگر نقشه قطبیدگی هم حاوی این ناهنجاری ها باشد، آن وقت موضوع تجدید نظر در مدل کیهانی فعلی با قوت بیشتری مطرح می شود.»

این موضوع می تواند به معنی بازنگری سخت و پیچیده ای در فرضیه یکنواختی جهان باشد. ممکن است دنیا کمی دورتر از ما یا اطراف ما متفاوت باشد و علت این پدیده ها یک ناهمگونی باشد؛ برای نمونه شاید زمین در حفره ای از کیهان واقع شده باشد که چگالی آن پایین تر از مقدار چگالی میانگین کل عالم است. شاید هم عاملی مربوط به نوسانات کوانتومی در ابتدای جهان باعث شده باشد تا ساختارهای کمتری - نسبت به آنچه باید - در جهان تولید شوند و این اتفاق در ابعادی وسیع و گسترده شکل بگیرد؛ موضوعی که می تواند سبب تغییر در ویژگی های تابش ریزموج زمینه کیهانی شده باشد. دانکلی معتقد است: «این ناهنجاری ها می توانند باعث شوند تا ما چیزهایی را فراتر از افق دیدمان در کیهان بیاموزیم. در حال حاضر مدل مناسبی وجود ندارد که با این پدیده هماهنگ باشد اما این به این معنی نیست که هیچ مدل مناسبی نمی توان پیدا کرد.»

پژوهش های بزرگ مقیاس آینده درباره ساختار کهکشان ها، می تواند چشم اندازی وسیع تر از این موضوع را در برابر ما قرار دهد، اما تا آن روز، این معما همچنان پیش روی ماست. جهان به دلیلی نامعلوم، در هیچ مقیاسی همگی با همسانگرد نیست. البته اگر این طور بود و دنیای ما چنین ویژگی هایی داشت، آن وقت دیگر هیچ چیز هیجان انگیزی وجود نداشت و تنها کار دانشمندان این می شد که طی فرایندی طولانی و سخت، تنها همان چیزهایی را که امروز هم آنها را می دانیم، کامل تر و بهتر بفهمند.

فضا و زمان نمی توانند آن چیزی باشند که به نظر می رسند

درهم تنیدگی کوانتومی

تصور کنید در عرض یک لحظه بتوانید روی ذره ای که از شما صدها کیلومتر فاصله دارد، اثر بگذارید. ماجرا کمی تخیلی به نظر می رسد اما واقعیت این است که چنین درهم تنیدگی - یا به قول اینشتین (وقتی که می خواست آن را مسخره کند)؛ «اقدام شبح وار از راه دور» - با شرایط دنیای کوانتومی سازگار است و می تواند در آن اتفاق بیفتد.

پس چنین اتفاقی یک ناهنجاری با معمای عجیب نیست، اما پای ابهامات آنجایی به میان کشیده می شود که بحث به درک ما از مفهوم فضا و زمان کشیده می شود.

شروع این بحث ها بر می گردد به آزمایش هایی که بر مبنای تئوری های فیزیکدان ایرلندی، «جان بل» در اوایل دهه 1960 طراحی و اجرا شد. او تلاش داشت تا به روشی ریاضی نشان دهد که آیا اندازه گیری یکی از ویژگی های یک ذره (مانند فوتونی از نور) باعث می شود که نتایج اندازه گیری درباره ذره ای دیگر به طور آنی تغییر کند یا دلیل این تغییر از اساس چیز دیگری است؛ برای نمونه عاملی غیر کوانتومی و نامرئی.

پیاده سازی و اثبات نظریات بل، در عمل بسیار دشوار بود. تیمی از فیزیکدانان فرانسوی، برای اولین بار در سال 1981 تلاش کردند تا روی این قضیه کار کنند و به این نتیجه رسیدند که تنها عوامل کوانتومی می توانند این پدیده را توجیه کنند اما دو سال قبل، فیزیکدانان در «دانشگاه دلف» هلند، توانستند اثبات کنند که دلیل مشاهده این پدیده ها به طور قطع روش های انتقال اطلاعات، تغییرات تصادفی در ذرات یا اشتباه در آشکارسازی نیست. «ژان - دانیل بنکال» (Jean-Daniel Bancal) از مرکز فناوری های کوانتومی در «دانشگاه ملی سنگاپور» می گوید: «با این نتایج ما می توانیم به طور قطع بگوییم که دلیل مشاهدات مان شرایط خاص آزمایش مانند نحوه پیکربندی یا روش اجرا نیست بلکه با یکی از ویژگی های ذاتی و بنیادین طبیعت مواجه هستیم.»

نتیجه همه این اتفاقات روشن است؛ درک معمول ما از مفهوم فضازمان و روابط علت و معمولی در آن - که ناشی از درک شهودی ما از این جهان است - در دنیای کوانتومی دیگر به کار نمی آید. در این دنیای جدید چیزهایی هست که ما آن را درک نمی کنیم.

اما موضوع به همین جا ختم نمی شود. در واقع چون فوتون ها، الکترون ها و دیگر ذرات کوانتومی، می توانند در هم تنیده شوند و از این قوانین مبهم پیروی کنند، پس می توانیم آزمایش هایی طراحی کنیم تا با استفاده از این ویژگی های ذرات، ماهیت واقعی فضازمان را کشف کنیم.

البته این که چطور باید از این ذرات برای رسیدن به این هدف استفاده کنیم، هنوز دقیقا مشخص نیست و دانشمندان مشغول سروکله زدن با آن هستند. پس تا زمانی که آنها روشی برای این کار پیدا کنند، این موضوع هم در دسته ابهاماتی قرار می گیرد که همچنان به مغز ما فشار می آرود.

چرا آن قدر پرانرژی؟ چرا بیشتر نه؟

نوترینوهای بسیار پرانرژی

در سال های 2013 و 2014 سه نوترینو در آشکارساز نوترینوی آیس کیوب در قطب جنوب شناسایی شدند که به طور غیرعادی انرژی بسیار بالایی داشتند. از آن زمان تاکنون ده ها نوترینوی دیگر هم پیدا شده اند که انرژی آنها در حد پنتاالکترون ولت (1015 یا میلیون میلیارد الکترون ولت) بوده است.

حالا ابهاماتی در این مشاهدات مطرح شده است. اولین مسئله آن است که ما هیچ سرنخی از این موضوع نداریم که چه فرایندی توانسته نوترینوها را به چنین انرژی عظیمی برساند؟ سوال بعدی هم این است که اگر چنین نوترینوهایی وجود دارند، چرا نباید نوترینوهایی با انرژی بالاتر وجود داشته باشند؟

ما می دانیم که نوترینوها طی فرایندهایی با انرژی های بسیار بالا تولید می شوند. بسیاری از آنها لحظاتی بعد از مهبانگ متولد شده اند و بقیه هم در سیاهچاله های بسیار پر جرم در مرکز کهکشان یا در انفجارهای فرانواختری (Hypernova) به وجود آمده اند. «شلدون گلاشو» - که به خاطر توضیح نظریه الکتروضعیف همراه با «استیون وایدبرگ» و «محمد عبدالسلام»، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد - از مدل استاندارد استفاده کرده و وجود شاری از نوترینوها را با انرژی ۶.۴ پنتاالکترون ولت پیش بینی کرده است. این نوترینوها باید زمانی تولید شوند که یک پادتوترینو با یک الکترون برخورد می کند و یک بوزون W و یک نوترینو آزاد می کند. پس چرا ما تا به حال چنین چیزی را مشاهده نکرده ایم؟

بعضی می گویند که شاید نوترینوها در ابتدا چنین انرژی بالایی داشته باشند و در ادامه، مکانیسمی باعث کاهش انرژی آنها می شود، اما این که ما چنین نوترینوهای پر انرژی را در چند آشکارساز شناسایی کرده ایم، نشان می دهد که باید در این ایده تجدید نظر شود. البته ایده دیگری هم وجود دارد. هر ذره کوانتومی طول موج مشخصی دارد. هر چه انرژی ذره بالاتر باشد، طول موج آن کوچک تر است که این ذرات با ریزساختارهای کوانتومی فضازمان دچار اصطکاک می شوند.

جان لرند از دانشگاه هاوایی می گوید: «اگر این ایده درست باشد، نوترینوهایی که طول موج بسیار کوچکی دارند، در واقع واحدی از ساختار فضا هستند و نوترینویی با انرژی بالاتر از آنها دیده نخواهد شد.» همچنین در صورت درستی این دیدگاه این اولین سرنخ تجربی خواهد بود که نشان می دهد نظریه واحدی که قرار است نظریات کوانتومی و نسبیت عام را با هم ترکیب کند،باید چگونه باشد. با این که این ایده جهش بزرگی است اما ممکن است این فرضیه از اساس اشتباه باشد اما در هر صورت ابهام نوترینوهای پرانرژی همچنان پیش روی ماست.

منشأ پرانرژی ترین امواج رادیویی چیست؛ بیگانگان فضایی یا سیاهچاله ها؟

فورانگرهای رادیویی سریع

گاه گاهی، رادیوتلسکوپ ها فوران هایی از انرژی دریافت می کنند که تنها چند هزارم ثانیه طول می کشد اما انرژی آن معادل تابشی است که خورشید در طول یک ماه تولید می کند و پس از آن، ناگهان دیگر هیچ چیز وجود ندارد.

حدود 15 سال است که این پدیده مشاهده می شود و منبع این «انفجارهای رادیویی سریع» هنوز مشخص نیست. 17 موردی که در این رابطه ثبت شده اند، مقداری با هم متفاوت بوده اند. تا به امروز، بهترین داده ها در این زمینه از رادیوتلسکوپ آرسیبو در پورتوریکو به دست آمده است؛ این پدیده گاهی در این رادیوتلسکوپ تنها با فاصله چند ساعت، دوباره مشاهده شده است. این نشان می دهد که منشأ این انفجارها نمی توانند حوادثی مانند انفجارهای ستاره ای یا برخورد دو ستاره نوترونی باشد.

ابهام دیگر بر سر این است که این انفجارها چقدر با ما فاصله دارند؛ بعضی معتقدند آنها میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند و بعضی دیگر، معتقدند آنها به مراتب نزدیک ترند. خوشبختان به لطف مشاهده آرسیبو، تئوری های توطئه آمیزی مانند دست داشتن آدم فضایی ها یا ماهواره های جاسوسی و نظامی هم رد شده است. «جان لرند» (John Learned) از دانشگاه هاوایی در این زمینه می گوید: «فوران هایی که آرسیبو دربازه ای چند روزه مشاهده کرده، همه از نقطه ثابتی از آسمان ساطع شده اند و به این ترتیب باید دخالت ماهواره های انسانی یا بیگانگان فضایی را فراموش کرد.»

بعضی گمانه زنی ها حاکی از آن است که اثرات گرانش کوانتومی باعث انفجار در سیاهچاله ها می شوند و ما این انفجارها را به شکل فوران های سریع رادیویی در رادیوتلسکوپ ها دریافت می کنیم. اما بعضی فیزیکدانان نظر دیگری دارند. «جیمز کوردز» (James Cordes) از دانشگاه کورنل نیویورک معتقد است که شاید منبع این انفجارها دسته جدیدی از اجرام سماوی باشند که تاکنون شناخته نشده اند. البته آنچه او به عنوان منبع این پدیده معرفی می کند، دست کم با شناخت و اطلاعات فعلی ما، قابل درک است؛ ستاره ای نوترونی - که قطعا خارج از کهکشان ماست - و احتمالا به دور یک سیاهچاله می چرخد. اگر چنین باشد، گام بعدی دانشمندان، شناخت مکانیسمی است که به فوران چنین انرژی عظیمی از منظومه ستاره نوترونی - سیاهچاله می انجامد.

جاذبه به طرز عجیبی سست است

مسئله سلسله مراتب

همیشه این سوال در ذهن دانشمندان مطرح بوده که چطور جاذبه این قدر ضعیف است. احتمالا شما الان پاسخ می دهید که جاذبه اصلا هم ضعیف نیست. این نیرو آن قدر قوی است که توانسته ما را روی زمین نگه دارد. هیچ یک از سازمان های فضایی که راکت به فضا می فرستند هم، احتمالا تایید نمی کنند که این نیرو ضعیف است اما آنچه برای فیزیکدانان جای سوال دارد، این است که چرا این نیرو در مقایسه با نیروی الکترومغناطیس - و البته در ابعادی مانند کشش یک سیاره - بسیار ضعیف تر است.

به این نبود تطبیق بین قدرت جاذبه با دیگر نیروهای بنیادین طبیعت، مسئله سلسله مراتب می گویند. از آنجایی که مدلی کوانتومی برای توصیف گرانش ارائه نشده، اندازه گیری و نشان دادن ابعاد این مسئله مشکل است، اما جرم پلانک می تواند معیاری برای کمّی کردن این مسئله باشد.

در جهان ما، جرم پلانک مقدار بسیار عظیمی دارد و 10 میلیارد میلیارد بار بزرگ تر از جرم بوزون های W و Z است که قدرت نیروی ضعیف هسته ای با آن تعریف می شود. در واقع این جرم در مقایسه با تمامی اجرامی که در مدل استاندارد مطرح هستند، بسیار عظیم است. «مت استراسلر» (Matt Strassler)، نظریه پرداز دانشگاه هاروارد می گوید: «سوال این نیست که چرا جرم پلانک بزرگ است بلکه بحث بر سر این است که چرا این جرم در مقایسه با جرم تمام ذرات شناخته شده این قدر بزرگ است.»

البته این مسئله را از دو جنبه می توان مطرح کرد، این که چرا جرم پلانک بزرگ است یا این که چرا جرم ذرات این قدر کوچک است؟

کسانی که جنبه اول صورت مسئله را در نظر می گیرند برای توجیه ماجرا دست به دامان ایده «تنظیم دقیق» می شوند. این که ما در بخشی غیرعادی از فضا زندگی می کنیم که مدر آن، گرانش وضعیت مناسبی دارد، در نتیجه اتم ها، ستاره ها، سیارات و انسان ها توانسته اند د ر این بخش به وجود بیایند. نظریه پیشنهادی دیگر این دسته آن است که در فضا ابعاد اضافی و بزرگی وجود دارد که گرانش از آن «نشت» می کند؛ به همین دلیل آنچه برای ما باقی می ماند، این قدر رقیق است.

در طرف دیگر ماجرا، می توانیم روی میدان هیگز تمرکز کنیم؛ عاملی که باعث جرم دار شدن ذرات می شود. در سال ۲۰۱۲ ذره نسبتا سبک وزن بوزون هیگز کشف شد. این کشف معلوم کرد که میدان هیگز چندان هم قوی نیست و باعث شده است جرم ذرات پایین باشد. مدل های تایید نشده ای مانند ابرتقارن و تکنی کالر (Technicolor) تمرکزشان یا روی ذراتی است که هنوز کشف نشده اند یا بر نیروهایی که قدرت ظاهری میدان هیگز را مهار کرده اند و آن را تقریبا و نه کاملا به صفر می رسانند.

آزمایش های تجربی تا امروز نتوانسته اند کمکی کنند تا از بین این نظریات، یکی انتخاب شود. ابرتقارن - یا در واقع هر چیز جدیدی که با بوزون هیگز همراه باشد - تا به حال نتوانسته حضور خود را در برخوردهایی که در شتاب دهنده بزرگ هادرون (LHC) اتفاق می افتد، نشان دهد.

امید است که در آینده با برخوردهای بیشتری که در LHC و در سطوح انرژی بالاتر، بین ذرات اتفاق می افتد، بتوانیم سرنخ های بیشتری پیدا کنیم. اوایل سال گذشته نشانه های جدیدی در داده های LHC دیده شد که به حضور ذره ای ناشناخته و پیش بینی نشده با جرم شش برابر بوزون هیگز اشاره می کرد و فیزیکدانان را بسیار هیجان زده کرد. اما گردآوری داده های بیشتر نشان داد که این نشانه ها چیزی جز افت و خیزهای تصادفی آماری نیست.

شاید ذره گریزان دیگری هم وجود داشته باشد

نوترینوهای گمشده

اگر مدل استاندارد فیزیک ذرات را مطالعه کنید، ممکن است درباره جایگاه پر رمز و راز عدد 3 در آن متعجب شوید و به فکر فرو بروید. در میان ذرات تشکیل دهنده ماده، سه نوع کوارک وجود دارد. «بالا»، «افسون» و «سر» که بار الکترونیکی یکسانی دارند و تنها جرم شان با هم متفاوت است. سه تایی بعدی کوراک ها یعنیی «پایین»، «شگفت» و «ته»هم وضعیت مشابهی دارند. بعد از اینها با سه تایی لپتون های باردار روبرو هستیم: الکترون، میون و تاو؛ باز هم سه ذره با بار یکسان و جرم متفاوت در نهایت به نوترینوها می رسیم، سه ذره بدون بار و تقریبا بدون جرم. البته این احتمال هم هست که این پایان ماجرا نباشد.

نوترینوها ذراتی هستند که فعل و انفعالات شان تنها از طریق نیروی ضعیف هسته ای - نیروی کنترل کننده واپاشی رادیواکتیو - انجام می شود. در هر ثانیه، هزاران میلیارد نوترینوی الکترون - سبک ترین نوع نوترینو - طی واکنش های داخل خورشید، تولید می شوند، به زمین می رسند و از میان بدن من و شما عبور می کنند. این ذرات بدون ذره ای تغییر، حتی از میان کره زمین هم می گذرند.

اندازه گیری های پیچیده و دقیق در طول چند دهه اخیر نشان داده است که بخش قابل توجهی از این ذرات، در طول مسیرشان ناپدید می شوند. البته معماری نوترینوهای خورشیدی در سال 2001 حل شد؛ زمانی که معلوم شد نوترینوهای الکترون در طول مسیرشان به سمت ما، با نوعی نوسان، به انواع دیگر نوترینو یعنی نوترینوی میون و و نوترینوی تاو تبدیل می شوند. این نتیجه گیری موفقیت آمیز، جایزه نوبل فیزیک را به همراه داشت.

با به دست آمدن چنین نتیجه ای، دانشمندان باید خیال شان از این موضوع راحت می شد و آن را کنار می گذاشتند اما مشاهداتی که در دهه ۱۹۹۰ در «آزمایشگاه لس آلاموس» انجام گرفت، خبر از ابهامات بیشتری درباره نوترینوها می داد. دانشمندان معتقد بودند که ناهنجاری های موجود در رفتار نوترینوها ناشی از این است که آنها تنها سه نوع نیستند و ممکن است چهار دسته یا حتی بیشتر باشند. در سال ۲۰۱۱ بررسی نوترینوهای تابش شده در راکتورهای هسته ای نشان داد که تعداد پادنوترینوها در مقایسه با تعداد نوترینوها، بسیار کمتر از آن چیزی است که انتظار می رود. سال گذشته، محققان در راکتور خلیج دایا در شرق چین هم این نتایج را تایید کردند.

یک احتمال آن است که این نوترینوها به نوعی دیگر تبدیل می شوند که برای ما قابل آشکارسازی نیست و حتی از طریق نیروی هسته ای ضعیف هم با دیگر ذرات بر همکنش نمی کند. این نتیجه چندان خوشایند نیست، چون نه تنها قانون رازآلود سه تایی های مدل استاندارد، که بقیه محاسبات را هم به هم می ریزد.

اگر چنین نوترینوهای «استریلی» وجود داشته باشند، به احتمال زیاد باید ذراتی بسیار سنگین باشند و این در حالی است که نوترینوها ذرات فوق العاده سبکی هستند. در حال حاضر تعدادی آشکارساز در گوشه و کنار دنیا به دنبال نوترینوم های استریل می گردند؛ اما ممکن است که این تحقیقات به نتیجه ای نرسد زیرا نتایج فعلی، علاوه بر همه این ناهنجاری ها نشان می دهد که تعداد کل نوترینوهایی که از راکتورها خارج می شود هم با پیش بینی های ما همخوانی ندارد. این یعنی ممکن است ایراد نه از درک پا به پای ما از فیزیک که از مدل های موجود باشند.