ความกังวลใจเกิดขึ้นมากมายเกี่ยวกับ ฮิกส์โบซอน เมื่อค้นพบอนุภาคที่เข้าใจยากนี้ในปี 2555
แม้ว่าจะถูกขนานนามว่าให้มวลสสารธรรมดา แต่การมีปฏิสัมพันธ์กับสนามฮิกส์สร้างมวลเพียงประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์ของมวลสามัญ อีก 99 เปอร์เซ็นต์มาจากปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงแรง ซึ่งเป็นแรงพื้นฐานที่จับอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าควาร์กเข้ากับอนุภาคขนาดใหญ่ที่เรียกว่าโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมของสสารสามัญ
ตอนนี้ นักวิจัยจากศูนย์เร่งอนุภาคแห่งชาติ Thomas Jefferson แห่งกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ได้ทดลองดึงความแข็งแกร่งของกำลังแรง ซึ่งเป็นปริมาณที่สนับสนุนทฤษฎีอย่างแน่นหนา โดยอธิบายว่ามวลหรือสสารธรรมดาส่วนใหญ่ในจักรวาลถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไร
ปริมาณนี้เรียกว่าการประกบกันของแรงกำลังสูง อธิบายว่าวัตถุสองชิ้นมีปฏิสัมพันธ์กันมากเพียงใดหรือ “คู่” ภายใต้แรงนี้ แรงคัปปลิ้งแรงจะแปรผันตามระยะห่างระหว่างอนุภาคที่ได้รับผลกระทบจากแรง ก่อนการวิจัยนี้ ทฤษฎีต่างๆ ไม่เห็นด้วยว่าแรงคัปปลิ้งแรงควรประพฤติตัวอย่างไรในระยะทางไกล บางคนคาดการณ์ว่าควรเพิ่มขึ้นตามระยะทาง บางส่วนควรลดลง และบางส่วนควรคงที่
ด้วยข้อมูลของเจฟเฟอร์สัน แล็บ นักฟิสิกส์สามารถระบุแรงคัปปลิ้งกำลังแรงในระยะทางที่ใหญ่ที่สุดได้ ผลลัพธ์ของพวกเขาซึ่งสนับสนุนการทดลองสำหรับการทำนายเชิงทฤษฎี ได้รับ การนำเสนอบนหน้าปกของวารสารParticles เมื่อเร็วๆ นี้
“เรามีความสุขและตื่นเต้นที่ได้เห็นความพยายามของเราได้รับการยอมรับ” Jian-Ping Chen นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ Jefferson Lab และผู้ร่วมเขียนรายงานกล่าว
แม้ว่าบทความนี้จะเป็นจุดสิ้นสุดของการเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลเป็นเวลาหลายปี แต่ในตอนแรกไม่ได้ตั้งใจเลย
ผลพลอยได้จากการทดลองปั่น
ที่ระยะห่างระหว่างควาร์กที่น้อยกว่า การมีเพศสัมพันธ์แบบแรงจะเล็ก และนักฟิสิกส์สามารถแก้หามันด้วยวิธีวนซ้ำแบบมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม ในระยะทางที่ไกลกว่า แรงคัปปลิ้งแรงจะใหญ่มากจนวิธีการวนซ้ำใช้ไม่ได้อีกต่อไป
“นี่เป็นทั้งคำสาปและพร” อเล็กซานเดร เดียร์ นักวิทยาศาสตร์ประจำเจฟเฟอร์สัน แล็บ และผู้เขียนร่วมของหนังสือพิมพ์กล่าว แม้ว่าเราจะต้องใช้เทคนิคที่ซับซ้อนกว่านี้ในการคำนวณปริมาณนี้
ซึ่งรวมถึงกลไกที่คิดเป็น 99 เปอร์เซ็นต์ของมวลปกติในจักรวาล (แต่เราจะไปที่นั้นในอีกสักครู่)
แม้จะมีความท้าทายที่ไม่สามารถใช้วิธีวนซ้ำ Deur, Chen และผู้เขียนร่วมของพวกเขาได้ดึงการมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งในระยะทางที่ใหญ่ที่สุดระหว่างร่างกายที่ได้รับผลกระทบ
พวกเขาดึงค่านี้จากการทดลองของ Jefferson Lab จำนวนหนึ่งที่ออกแบบมาเพื่อศึกษาสิ่งที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง นั่นคือ การหมุนของโปรตอนและนิวตรอน
การทดลองเหล่านี้ดำเนินการในห้องแล็บของ Continuous Electron Beam Accelerator Facility ซึ่งเป็นสถานที่สำหรับผู้ใช้ DOE CEBAF สามารถให้ลำแสงอิเล็กตรอนแบบโพลาไรซ์ ซึ่งสามารถมุ่งตรงไปยังเป้าหมายพิเศษที่มีโปรตอนและนิวตรอนโพลาไรซ์ในห้องโถงทดลอง เมื่อลำอิเล็กตรอนถูกโพลาไรซ์ นั่นหมายความว่าอิเล็กตรอนส่วนใหญ่หมุนไปในทิศทางเดียวกัน
การทดลองเหล่านี้ยิงลำแสงอิเล็กตรอนแบบโพลาไรซ์ของเจฟเฟอร์สันแล็บที่เป้าหมายโปรตอนหรือนิวตรอนโพลาไรซ์ ในช่วงหลายปีของการวิเคราะห์ข้อมูลหลังจากนั้น นักวิจัยตระหนักว่าพวกเขาสามารถรวมข้อมูลที่รวบรวมเกี่ยวกับโปรตอนและนิวตรอนเพื่อแยกแรง coupling ที่แรงในระยะทางที่ไกลกว่าได้
Chen กล่าว “เฉพาะลำแสงอิเล็กตรอนโพลาไรซ์ประสิทธิภาพสูงของ Jefferson Lab เท่านั้น ร่วมกับการพัฒนาเป้าหมายแบบโพลาไรซ์และระบบตรวจจับที่ช่วยให้เราได้รับข้อมูลดังกล่าว
พวกเขาพบว่าเมื่อระยะห่างระหว่างวัตถุที่ได้รับผลกระทบเพิ่มขึ้น การประกบกำลังแรงจะเติบโตอย่างรวดเร็วก่อนที่จะปรับระดับและคงที่
“มีทฤษฎีบางอย่างที่คาดการณ์ว่าควรจะเป็นเช่นนั้น แต่นี่เป็นครั้งแรกที่เราเห็นสิ่งนี้จริงๆ” เฉินกล่าว “สิ่งนี้ทำให้เราทราบรายละเอียดว่ากำลังแรงในระดับของควาร์กที่ก่อตัวเป็นโปรตอนและนิวตรอนนั้นทำงานอย่างไร”
การปรับระดับออกรองรับทฤษฎีขนาดใหญ่
การทดลองเหล่านี้ดำเนินการเมื่อประมาณ 10 ปีที่แล้ว เมื่อลำอิเล็กตรอนของเจฟเฟอร์สัน แล็บ สามารถให้พลังงานอิเล็กตรอนได้ถึง 6 GeV (ขณะนี้สามารถให้พลังงานได้ถึง 12 GeV) ต้องใช้ลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานต่ำเพื่อตรวจสอบแรงในระยะทางที่ไกลกว่าเหล่านี้: หัววัดพลังงานต่ำช่วยให้สามารถเข้าถึงมาตราส่วนเวลาที่ยาวขึ้น ดังนั้นจึงมีระยะห่างระหว่างอนุภาคที่ได้รับผลกระทบมากขึ้น
ในทำนองเดียวกัน หัววัดพลังงานสูงก็จำเป็นสำหรับการซูมเข้าเพื่อดูสเกลเวลาที่สั้นลงและระยะห่างระหว่างอนุภาคที่น้อยกว่า ห้องปฏิบัติการที่มีลำแสงพลังงานสูง เช่น CERN, Fermi National Accelerator Laboratory และ SLAC National Accelerator Laboratory ได้ตรวจสอบการประกบกำลังแรงที่มาตราส่วนกาลอวกาศที่เล็กกว่าเหล่านี้แล้ว เมื่อค่านี้ค่อนข้างน้อย
มุมมองแบบซูมเข้าจากลำแสงพลังงานสูงแสดงให้เห็นว่ามวลของควาร์กมีขนาดเล็ก มี MeV เพียงไม่กี่ตัว อย่างน้อยนั่นคือมวลหนังสือเรียนของพวกเขา แต่เมื่อสำรวจควาร์กด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า มวลของควาร์กจะเพิ่มขึ้นเป็น 300 MeV อย่างมีประสิทธิภาพ
นี่เป็นเพราะว่าควาร์กรวบรวมกลุ่มเมฆกลูออน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีกำลังแรงสูง ขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านระยะทางที่ไกลกว่า ผลกระทบของการสร้างมวลของเมฆนี้มีมวลส่วนใหญ่ในจักรวาล หากไม่มีมวลเพิ่มเติมนี้ มวลของควาร์กตามตำราเรียนจะมีเพียงประมาณ 1% ของมวลโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้น อีก 99% มาจากมวลที่ได้มานี้
ในทำนองเดียวกัน ทฤษฎีหนึ่งกล่าวว่ากลูออนไม่มีมวลในระยะทางสั้น ๆ แต่ได้มวลอย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเดินทางต่อไปอีก การปรับระดับของคัปปลิ้งกำลังแรงในระยะทางไกลสนับสนุนทฤษฎีนี้
Deur กล่าวว่าถ้ากลูออนยังคงไม่มีมวลในระยะยาว “การวัดของเราแสดงให้เห็นว่าการคัปปลิ้งกำลังแรงจะคงที่เมื่อระยะทางที่ตรวจสอบมีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งเป็นสัญญาณว่ากลูออนได้รับมวลผ่านกลไกเดียวกันซึ่งให้มวล 99% แก่โปรตอนและนิวตรอน”
ซึ่งหมายความว่าการประกบกำลังแรงในระยะทางไกลเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจกลไกการสร้างมวลนี้ ผลลัพธ์เหล่านี้ยังช่วยยืนยันวิธีการใหม่ๆ ในการแก้สมการสำหรับโครโมไดนามิกของควอนตัม (QCD) ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ยอมรับได้ซึ่งอธิบายกำลังแรง
ตัวอย่างเช่น การแผ่แรงของคัปปลิ้งกำลังแรงในระยะทางไกลให้แบนราบเป็นหลักฐานว่านักฟิสิกส์สามารถใช้เทคนิคใหม่ล้ำสมัยที่เรียกว่าความเป็นคู่ Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT) เทคนิค AdS/CFT ช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถแก้สมการแบบไม่วนซ้ำ ซึ่งสามารถช่วยในการคำนวณแรงสูงในระยะทางไกลที่วิธีการวนซ้ำล้มเหลว
