قیل و قال علم

چند روزی است خبر مهم در دنیای فیزیک ذرات بنیادی اندازه گیری جدید جرم دابلیو ست که با «پیش بینی مدل استاندارد»، ۷ سیگما اختلاف داره.«پیش بینی مدل استاندارد» را در گیومه گذاشتم چون که نیاز به توضیح داره که در زیر می آورم.

اول به اندازه گیری جدید که گزارشش ۶ روز پیش (۷ آوریل ۲۰۲۲) در مجله ساینس (که خوشبختانه دردسترس هم هست) چاپ شده، می پردازم:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk1781

اندازه گیری بر اساس داده های کامل (۸.۸ معکوس فمتو بارن) آشکارساز CDF در تواترون آزمایشگاه فرمی در آمریکاست. داده گیری آزمایش تواترون در سال ۲۰۱۱ یعنی یازده سال پیش تمام شده اما بررسی نتایج ناشی از همه داده ها تازه انجام گرفته. لازم به یادآوری است که تواترون برخورد دهنده پروتون آنتی پروتون بود با انرژی مرکز جرم اندکی کمتر از ۲ تراالکترون ولت (یک هفتم ال-ایچ-سی). قبلا نتایجی منتشر شده بود که بر اساس یک چهارم داده ها بود. این نتایج با نتایج قبلی تواترون همخوانی داره. پس چرا الان سر و صدا کرده؟! برای این که  الان خطای آزمایشی بسیار کمتر شده و با اطمینان بیشتری می شه اظهار داشت که اختلافی وجود داره. شکل ۵ مقاله را ببنید. به جز دلفی و ال-۳ (دو تا از دتکتورهای آزمایش لپ در سرن سویس که سال ۲۰۰۱ بسته شده تا جایش را به ال-ایچ-سی بده) بقیه اندازه گیری ها همه بیش از پیش بینی مدل استاندارد  هستند. در این مقاله  برای اندازه گیری جرم  دابلیو مدهای لپتونی واپاشی  دابلیو را در نظر می گیرند. یعنی واپاشی به میون و نوترینو و نیز واپاشی به الکترون و نوترینو. نوترینو به صورت انرژی و مومنتوم گمشده ظاهر می شه. خود نوترینو در این آشکارساز ها دیده نمی شه.

و اما «پیش بینی مدل استاندارد»! ثابت فرمی که ضریب جفت شدگی برهمکنش هسته ای ضعیف  است با دقت زیادی در آزمایش های انرژی پایین (نظیر واپاشی میون) اندازه گیری می شه. این ضریب  متناسب هست با معکوس توان دو جرم دابلیو .  ضریب تناسب را هم می شه به صورت توان دو بار الکترون  ضربدر سینوس یک زاویه ای نوشت. بار الکترون را که به دقت خیلی بالا از آزمایش های مختلف اندازه گرفته ایم. اون زاویه را هم از آزمایش های متعدد مستقلا می توان اندازه گرفت. پس به این ترتیب می شه جرم دابلیو را استخراج کرد. منظورشان از  «پیش بینی مدل استاندارد»، اینه.  رقمی که به این ترتیب به دست می آید اندکی کمتر از رقمی است که  نتایج اخیر آزمایش سی-دی-اف به ما می گه.

حالا اگر به جز ذره دابلیو (مجازی) ذره واسط دیگری  (ذره ای جدید و ناشناخته) به برهمکنش های ضعیف سهم بده، دیگه رابطه بین جرم دابلیو و ثابت فرمی که در بالا عرض کردم به هم می خوره. اگر سهم این ذره جدید مثبت باشه، جرم ذره دابلیو می تونه بزرگتر  باشه و تنش با اندازه گیری جدید از بین می ره.

مقالات زیادی هر روز در آرشیو مقالات ذرات ظاهر می شوند که ایده هایی از این دست را برای توضیح اختلاف با  «پیش بینی مدل استاندارد» مطرح می نمایند. 

حدود بیست روز پیش، یکی از بزرگترین فیزیکدانان همه اعصار یعنی واینبرگ درگذشت. من او را فیزیکدانی در ردیف گالیله و نیوتن  و دیراک می دانم. هرچند به اندازه اینشتن یا حتی فاینمن بین عامه معروف نیست اما هیچ  از آنها کم ندارد.  معروفیت بین عامه، علاوه بر تبحر و سرآمدی در کار، لازمه های دیگری هم دارد که واینبرگ چندان وقعی به آنها نمی داد. من از ۱۷ سالگی به این سو با  مقالات و کتاب های واینبرگ  زندگی کرده ام. شاید بتوانم بگویم هیچ فیزیکدانی به اندازه او روی ذهن من تاثیر نگذاشته. در مورد او و میراث عظیمش سخن ها خواهم گفت. اما فعلا این نوشته کوتاه از او  را که توصیه هایی برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی فیزیک هست بخوانید. جمله به جمله اش حکمت هست.

 https://www.nature.com/articles/426389a.pdf

امروز یک مقاله در آرکایو توسط گروه میکروبونه (از آزمایشگاه فرمی) منتشر شده  است . مقاله حد می ذاره روی درآمیختگی ذره هیگز با یک اسکالر با جرم بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ ام-ای-وی.

حدش هم قوی هست. از مرتبه ۱۰ به توان -۴.

اسکالره قرار بوده از واپاشی کائون در حال سکون بیاد. دنبال الکترون و پوزیترون ناشی از واپاشی آن  در فاصله صد متری می گشتند.

یک اشاره ای هم در آخر چکیده به نتایج آزمایش ژاپنی  کوتو می کنه که می دونیم اشتباه بود. عجیبه گروه به این عظمت خبر نداره که نتایج کوتو رد شده.  

در شمال قفقاز و در خاک روسیه یک رود هست به اسم باکسان. البته  تا به امروز من نمی دانستم باکسان اسم رود هست. باکسان که می شنیدم به یاد آزمایش نوترینو می افتادم که  نزدیک همین رودخانه واقع هست. اونجا یک آشکارساز پرتو کیهانی هم هست به اسم کارپت.

امروز کارپتی ها  یک مقاله روی آرکایو گذاشته  بودند که می گفت یک شاری از فوتون ها با انرژی بالای ۳۰۰ تی-ای-وی دیده که حدود های نوامبر ۲۰۲۰ (یعنی آبان -آذر پارسال) از جهت صورت فلکی ماکیان  

(cygnus cocoon) می آمده.

جالبی اش اینه که در این بازه زمانی آیس کیوب  هم یک نوترینوی میون از اون جهت دیده با انرژی حدود ۱۵۰ تی-ای-وی. همزمانی این دو اتفاق مهمی است. نشان می ده که بخشی از نوترینوهایی که آیس کیوب می بینه داخل کهکشان خودمان تولید می شوند.

مشکل آشکارسازی مستقیم ماده تاریک سبک این هست که انرژی واپس زنی اش کمه. سرعت ذرات ماده تاریک در کهکشان ما از سرعت فرار کمتر باید باشه. در نتیجه خیلی نمی توانند محکم به هسته ها و الکترون ها لگد بزنند.

مقاله دیروز الخاندرو ایبارا جالبه. می گه بخشی از ماده تاریک دور وبر ما از خوشه کهکشانی خودمان (خارج از هاله کهکشان راه شیری) و یا خوشه ویرگو تشریف آورده و سرعتش زیاده و در نتیجه می تونه محکم تر لگد بزنه.

نتیجه اش این که وقتی این اثر را لحاظ می کنیم به ازای ماده تاریک با جرم حدود GeV حد بالا روی سطح مقطع برخورد با نوکلئون ها و به ازای جرم حدود MeV، حد روی سطح مقطع برخورد با الکترون ها قوی تر  می شه.

نمی دانم چرا در مورد برخورد با الکترون ها ، نتایج زنون-یک تون را درنظر نگرفته اند!

سیاهچاله ها به عنوان کاندیدای ماده تاریک از دیرباز مطرح بودند. اگر جرم سیاهچاله از ده به قوه ۱۵ گرم سبک تر بشه عمرش از عمر جهان کمتره و کاندید نمی تونه بشه. اگر بین ۱۰ به قوه ۱۵ تا ۱۰ به قوه ۱۷ گرم باشد، تابش هاوکینگش (دمایش حدود MeV) هست به طرق مختلف می تونه دیده بشه. (خط ۵۱۱ کی-ای-وی- پوزیترون دیده شده توسط وییجر(Voyager) و....). از اون طرف اگر جرمش بالای ۱۰به توان ۲۳ گرم باشه، اثرات همگرایی ضعیفش را باید می دیدیم که ندیده ایم. می مونه بازه بین ۱۰ به توان ۱۷ تا ۱۰ به توان ۲۳ گرم.

چند روز پیش (هشت مارچ) یک مقاله منتشر شد که می گفت این بازه برای کاندیداتوری ماده تاریک هم با مطالعه مسیر و مدار اجرام کمربند کایپر رد صلاحیت می شه! حرفشان اینه که برخوردهای (نه لزوما برخورد رو در رو) سیاهچاله ها در این بازه جرمی با این اجرام «خروج از مرکز» مدار آنها را تغییر می ده. منتهی به نظرم می رسه آنالیزشان درست نیست. چون که یک برخورد این وری خروج از مرکز را تغییر بده، یک برخورد دیگه اون وری تغییر می ده و دو تغییر می تونند همدیگر را تا حدی خنثی کنند. تا جایی که فهمیدم اینها اثرات را به هم جمع می بندند  در حالی که به نظرم باید رندم بودن جهت را هم لحاظ کرد. البته به احتمال قریب به یقین من درست متوجه نمی شم. من متخصص این کار نیستم اما یکی از نویسندگان مقاله یعنی آبراهام لوئب  از هاروارد در این رشته آدم  خیلی معروفیه.

الان فرانک ویلچک (برنده جایزه نوبل به خاطر نشان دادن آزادی مجانبی برهمکنش قوی) به دعوت آی-سی-تی-پی وبینار داد. سخنرانی در مورد کریستال زمان بود که مفهومی است که از سال ۲۰۱۲ روی آن کار کرده و در سال ۲۰۱۷ هم در آزمایشگاه تثبیت شده.  

فکر کنم برخی از خوانندگان این وبلاگ هم سخنرانی را شنیدند. در ابتدای سخنرانی معرفی کننده، کردیت اکسیون را هم تمام و کمال به او داد. ویلچک هم در فرمول بندی  اکسیون نقش مهمی داشته (اسم اکسیون را هم او پیشنهاد داده) اما  اکسیون ها را به اسم پچی و کویین می شناسند چرا که مکانیزم اکسیون برای حل مشکل فاز برهمکنش قوی ابداع آن دو نفر است. 

زمانی که هلن کویین که روی این موضوعات کار می کرد جامعه فیزیک خیلی مردسالارانه بود و در حق هلن هم جفاها می شد. الان آن دوران گذشته و اگر مردی در جامعه فیزیک آمریکا یا اروپای غربی حرفی بزند یا کاری بکند که اندکی بوی مردسالاری دهد روزگارشان را سیاه می کنند. هرکسی می خواد باشه!

امثال هلن کویین سختی ها کشیدند اما الان در جوامع فیزیک اروپا و آمریکا، زنها می توانند بدون  موانع مردسالارانه رشد کنند. در واقع امثال هلن بودند که این راه را صاف کردند. یکی دیگه از کسانی که در این راه بسیار کوشید   میلا بالدو  چئولین از دانشگاه پادوا بود که  کنفرانس های تلسکوپ نوترینو که در روز های گذشته از آن یاد کردم پایه ریزی کرد.  میلای نازنین برای حقوق زنان در جامعه فیزیک عمری کوشید. هر دوی این بزرگواران (هلن در استنفورد و میلا در ایتالیا) به شخص من خیلی خوبی کردند. روح میلا شاد و عمر با عزت هلن طولانی باد.

در نوشته پیشین ام به نام پاتریک هوبر اشاره ای کردم. هوبر به همراه توماس شوتس  و پیلار کولوما سال پیش در آگوست مقاله جالبی نوشتند. نشان دادند که  در داده های نوترینوی رآکتوری بگردی حتما رفتار نوسانی پیدا می کنی! حتی اگر در واقعیت نوسانی در کار نباشد، به خاطر افت و خیز آماری، بهترین برازش برای داده ها، مقدار غیر صفر به زاویه درآمیختگی با نوترینوی استریل می دهد. این یک بازی یا شعبده بازی آماری است!

چند سال پیش استادم اسمیرنف به شوخی چنین چیزی گفت. اینها واقعا اثبات تحلیلی و ریاضی کرده اند.

این را هم توضیح می دهند که در این آزمایش ها  از توزیع مجذور کای برای محاسبه p-value و....  نمی توان بهره جست چرا که یکی از پارامتر ها (مجذور سینوس درآمیختگی) نزدیک مقدار کرانی است و در نتیجه قضیه ویلک اعتبار ندارد. البته این نکته قبلا توسط چند گروه دیگر از جمله توسط کارلو  جونتی  نشان داده شده بود.

محاسبه اسپکتروم نوترینوهای رآکتوری کار سختیه. از بس که در یک رآکتور فرآیند های گوناگونی انجام می گیره. مولر و پاتریک هوبر این کار راانجام داده بودند. برای input از داده های ILL در مورد شار الکترون در فرآیند های بتا استفاده کرده بودند. آی-ال-ال یک آزمایشگاه بین المللی در فرانسه هست. پیش بینی پاتریک و هوبر برای شار کل نوترینو  حدود ۴-۵ درصد از مشاهدات کمتر در می آمد. این همان قضیه RAA =Reactor Antineutrino Anomalyمعروفه که حدود ده سال هست باهاش درگیریم.

امروز یک مقاله توسط یک گروه روسی در این زمینه منتشر شد. حرفشان اینه که اگر به جای داده های قدیمی آی-ال-ال از داده های اندازه گیری شده توسط موسسه کورچاتف استفاده کنیم این کمبود ۴-۵ درصدی را نخواهیم داشت.

موسسه کورچاتف در روسیه هست. کورچاتف یک فیزیکدان هسته ای در روسیه بود که در تهیه بمب اتمی روس ها نقش مهمی داشت. خلاصه ختم به خیر شد. هم جنگ سرد و هم این آنومالی ده ساله ما.