"คุณสามารถทำมันได้อย่างรวดเร็ว คุณสามารถทำมันได้ในราคาถูก หรือคุณจะทำมันให้ถูกต้อง เราทำถูกต้องแล้ว" นี่คือคำปราศรัยเปิดบางส่วนจาก David Toback ผู้นำของ Collider Detector ที่ Fermilab ขณะที่เขาประกาศผลการทดลองนานนับทศวรรษเพื่อวัดมวลของอนุภาคที่เรียกว่า W boson
ฉันเป็นนักฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูงและฉันเป็นส่วนหนึ่งของทีมนักวิทยาศาสตร์หลายร้อยคนที่สร้างและควบคุมเครื่องตรวจจับการชนกันของอนุภาคที่ Fermilab ในรัฐอิลลินอยส์ ซึ่งรู้จักกันในชื่อ CDF
หลังจากการชนกันหลายล้านล้านครั้งและการรวบรวมข้อมูลและการกระทืบตัวเลขหลายปี ทีม CDF พบว่า W boson มีมวลมากกว่าที่คาดไว้เล็กน้อย แม้ว่าความคลาดเคลื่อนจะมีเพียงเล็กน้อย แต่ผลลัพธ์ที่ได้อธิบายไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science 7 เมษายน 2022 ได้จุดไฟให้กับโลกฟิสิกส์ของอนุภาค หากการวัดถูกต้อง ก็เป็นอีกสัญญาณที่ชัดเจนว่ามีชิ้นส่วนที่หายไปในปริศนาฟิสิกส์ว่าจักรวาลทำงานอย่างไร
อนุภาคที่บรรทุกแรงอ่อน
แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคเป็นกรอบการทำงานที่ดีที่สุดในปัจจุบันของวิทยาศาสตร์สำหรับกฎพื้นฐานของจักรวาล และอธิบายแรงพื้นฐานสามอย่างได้แก่ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงอ่อน และแรงแรง
แรงที่แข็งแกร่งยึดนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกัน แต่นิวเคลียสบางชนิดไม่เสถียรและเกิดการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี โดยจะปล่อยพลังงานออกมาอย่างช้าๆ โดยการปล่อยอนุภาค กระบวนการนี้ขับเคลื่อนโดยพลังที่อ่อนแอ และตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1900 นักฟิสิกส์ได้ค้นหาคำอธิบายว่าทำไมและอะตอมสลายตัวอย่างไร
ตามแบบจำลองมาตรฐาน แรงถูกส่งโดยอนุภาค ในทศวรรษที่ 1960 ชุดของการค้นพบทางทฤษฎีและการทดลองเสนอว่าแรงที่อ่อนแอนั้นถูกส่งผ่านโดยอนุภาคที่เรียกว่า W และ Z bosons นอกจากนี้ยังตั้งสมมติฐานว่าอนุภาคที่สามคือ Higgs boson เป็นสิ่งที่ทำให้อนุภาคอื่น ๆ ทั้งหมดรวมถึง W และ Z bosons มีมวล
นับตั้งแต่การถือกำเนิดของแบบจำลองมาตรฐานในทศวรรษที่ 1960 นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามหาทางลงรายการอนุภาคที่คาดการณ์ไว้แต่ยังไม่ได้ค้นพบและวัดคุณสมบัติของอนุภาคเหล่านั้น ในปี 1983 การทดลองสองครั้งที่CERNในเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ได้จับหลักฐานการมีอยู่ของ W boson เป็นครั้งแรก ดูเหมือนว่าจะมีมวลประมาณอะตอมขนาดกลางเช่นโบรมีน
ภายในปี 2000 มีเพียงชิ้นส่วนเดียวที่ขาดหายไปในการสร้างแบบจำลองมาตรฐานให้สมบูรณ์และผูกทุกอย่างเข้าด้วยกัน: Higgs boson ฉันช่วยค้นหา Higgs boson ในการทดลอง 3 ครั้งติดต่อกัน และในที่สุด เราก็ค้นพบมันในปี 2012ที่ Large Hadron Collider ที่ CERN
โมเดลมาตรฐานเสร็จสมบูรณ์แล้ว และการวัดทั้งหมดที่เราสร้างขึ้นนั้นเข้ากันได้อย่างสวยงามกับการคาดคะเน
วัด W Bosons
การทดสอบโมเดลมาตรฐานเป็นเรื่องสนุก คุณเพียงแค่ทุบอนุภาคเข้าด้วยกันด้วยพลังงานที่สูงมาก การชนกันเหล่านี้ทำให้เกิดอนุภาคที่หนักกว่าและสลายตัวกลับเป็นอนุภาคที่เบากว่าในเวลาสั้นๆ นักฟิสิกส์ใช้เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่และละเอียดอ่อนมากในสถานที่ต่างๆ เช่น Fermilab และ CERN เพื่อวัดคุณสมบัติและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่เกิดจากการชนเหล่านี้
ใน CDF โบซอน W ถูกผลิตขึ้นประมาณหนึ่งในทุกๆ 10 ล้านครั้งเมื่อโปรตอนและแอนติโปรตอนชนกัน แอนติโปรตอนคือโปรตอนรุ่นปฏิสสารที่มีมวลเท่ากันทุกประการ แต่มีประจุตรงข้ามกัน โปรตอนประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานขนาดเล็กที่เรียกว่าควาร์ก และแอนติโปรตอนทำจากแอนติควาร์ก เป็นการชนกันระหว่างควาร์กและแอนติควาร์กที่สร้างW bosons W boson สลายตัวเร็วมากจนไม่สามารถวัดได้โดยตรง นักฟิสิกส์จึงติดตามพลังงานที่เกิดจากการสลายตัวเพื่อวัดมวลของ W boson
ในช่วง 40 ปีนับตั้งแต่นักวิทยาศาสตร์ตรวจพบหลักฐานของ W boson เป็นครั้งแรก การทดลองต่อเนื่องได้รับการวัดมวลที่แม่นยำยิ่งขึ้น แต่เนื่องจากการวัดของ Higgs boson — เนื่องจากมันให้มวลกับอนุภาคอื่นทั้งหมด — ที่นักวิจัยสามารถตรวจสอบมวลที่วัดได้ของ W bosons กับมวลที่ทำนายโดยแบบจำลองมาตรฐาน การคาดคะเนและการทดลองตรงกันเสมอมาจนถึงปัจจุบัน
หนักเกินคาด
เครื่องตรวจจับ CDF ที่ Fermilab นั้นยอดเยี่ยมในการวัด W boson อย่างแม่นยำ ตั้งแต่ปี 2544 ถึง พ.ศ. 2554 เครื่องเร่งอนุภาคชนโปรตอนกับแอนติโปรตอนหลายล้านล้านครั้ง ทำให้เกิด W bosons นับล้าน และบันทึกข้อมูลให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จากการชนแต่ละครั้ง
ทีม Fermilab เผยแพร่ผลลัพธ์เบื้องต้นโดยใช้ข้อมูลเพียงเศษเสี้ยวของข้อมูลในปี 2555 เราพบว่ามวลลดลงเล็กน้อย แต่ใกล้เคียงกับการคาดการณ์ ทีมงานจึงใช้เวลากว่าทศวรรษในการวิเคราะห์ชุดข้อมูลทั้งหมดอย่างรอบคอบ กระบวนการนี้รวมถึงการตรวจสอบข้ามภายในจำนวนมากและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่ต้องใช้เวลาหลายปี เพื่อหลีกเลี่ยงอคติที่เล็ดลอดเข้ามาในการวิเคราะห์ ไม่มีใครสามารถเห็นผลลัพธ์ใดๆ จนกว่าการคำนวณทั้งหมดจะเสร็จสมบูรณ์
เมื่อโลกฟิสิกส์ได้เห็นผลในวันที่ 7 เมษายน พ.ศ. 2565 เราทุกคนต่างก็ประหลาดใจ นักฟิสิกส์วัดมวลอนุภาคมูลฐานในหน่วยโวลต์อิเล็กตรอนนับล้าน ซึ่งย่อให้เหลือ MeV มวลของ W boson ออกมาเป็น 80,433 MeV — 70 MeV สูงกว่าที่รุ่นมาตรฐานคาดการณ์ไว้ อาจดูเหมือนส่วนเกินเล็กน้อย แต่การวัดนั้นแม่นยำภายใน 9 MeV นี่เป็นส่วนเบี่ยงเบนเกือบแปดเท่าของระยะขอบของข้อผิดพลาด เมื่อเพื่อนร่วมงานและฉันเห็นผล ปฏิกิริยาของเราก็ดังก้อง "ว้าว!"
สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรสำหรับรุ่นมาตรฐาน
ความจริงที่ว่ามวลที่วัดได้ของ W boson ไม่ตรงกับมวลที่คาดการณ์ไว้ในแบบจำลองมาตรฐาน อาจหมายถึงสามสิ่ง ไม่ว่าคณิตศาสตร์จะผิด การวัดก็ผิด หรือมีบางอย่างขาดหายไปจากแบบจำลองมาตรฐาน
ประการแรกคณิตศาสตร์ ในการคำนวณมวลของ W boson นักฟิสิกส์ใช้มวลของ Higgs boson การทดลองของ CERN ทำให้นักฟิสิกส์สามารถวัดมวลของฮิกส์โบซอนได้ภายในหนึ่งในสี่ของเปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้ทำงานเกี่ยวกับการคำนวณมวลของ W boson มานานหลายทศวรรษ แม้ว่าคณิตศาสตร์จะซับซ้อน แต่การทำนายนั้นมั่นคงและไม่น่าจะเปลี่ยนแปลง
ความเป็นไปได้ต่อไปคือข้อบกพร่องในการทดลองหรือการวิเคราะห์ นักฟิสิกส์ทั่วโลกกำลังตรวจสอบผลลัพธ์เพื่อพยายามเจาะรูเข้าไป นอกจากนี้ การทดลองในอนาคตที่ CERN ในที่สุดอาจได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งจะยืนยันหรือหักล้างมวล Fermilab แต่ในความคิดของฉัน การทดลองนี้เป็นการวัดที่ดีที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน
เหลือตัวเลือกสุดท้าย: มีอนุภาคหรือแรงที่ไม่สามารถอธิบายได้ซึ่งทำให้มวลของ W boson เลื่อนขึ้น ก่อนการวัดนี้ นักทฤษฎีบางคนได้เสนออนุภาคหรือแรงใหม่ที่อาจส่งผลให้เกิดการเบี่ยงเบนที่สังเกตได้ ในอีกไม่กี่เดือนและหลายปีต่อจากนี้ ฉันคาดหวังว่าจะมีเอกสารใหม่ๆ จำนวนมากที่พยายามจะอธิบายมวลอันน่าฉงนของ W bosons
ในฐานะนักฟิสิกส์อนุภาค ฉันมั่นใจว่าจะต้องมีฟิสิกส์อีกมากรอการค้นพบนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐาน หากผลลัพธ์ใหม่นี้ยังคงอยู่ จะเป็นการค้นพบล่าสุดที่แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองมาตรฐานและการวัดในโลกแห่งความเป็นจริงมักไม่ค่อยตรงกัน ความลึกลับเหล่านี้ทำให้นักฟิสิกส์ได้เบาะแสใหม่ ๆ และเหตุผลใหม่ ๆ ในการค้นหาความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับสสาร พลังงาน อวกาศ และเวลา
John Conwayเป็นนักฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูงทดลอง และปัจจุบันกำลังทำการทดลองขนาดใหญ่สองครั้ง: CDF ที่ Fermilab Tevatron ในเมือง Batavia รัฐอิลลินอยส์ และ CMS ที่ Large Hadron Collider ที่ CERN ในเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ เขาได้รับทุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐและมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐ
บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจากThe Conversationภายใต้สัญญาอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ คุณสามารถค้นหาบทความต้นฉบับได้ ที่นี่
