آیا باید منتظر قوانین جدیدی در فیزیک باشیم؟

منتشر‌شده در theconversation به تاریخ ۲۹ مارس ۲۰۲۱
لینک منبع: New physics at the Large Hadron Collider? Scientists are excited, but it’s too soon to be sure

هفته گذشته، فیزیک‌دانان در هادرون کالیدر بزرگ در سوئیس اعلام کردند که ممکن است نیروی جدیدی از طبیعت را کشف کرده باشند. یا، به طور دقیق، آن‌ها از «نتایج جدیدی که، در صورت تایید، نکات نقض مدل استاندارد فیزیک ذرات را نشان می‌دهند» رونمایی کردند. این به چه معناست؟ و چرا آن‌ها این همه تلاش می‌کنند، در‌حالی‌که در عین حال از ادعای یک کشف جدید دست می‌کشند؟

پاسخ‌ها در نحوه تفکر فیزیک‌دانان ذرات در مورد شواهد و نتایج و این که یافتن «نقض مدل استاندارد» به چه معناست، نهفته است. پس نتیجه چیست؟

مدل استاندارد، که بین دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۷۰ ابداع شد، در توضیح رفتار ذرات زیر اتمی و سه مورد از چهار نیروی بنیادی که ما در مورد آن‌ها می‌دانیم، بسیار موفق بوده است. فیزیک‌دانان در CERN فکر می‌کنند که موقعیتی را یافته‌اند که مدل استاندارد نمی‌تواند توضیح دهد: که در آن مدل پیش‌بینی می‌کند که یک ذره به نام کوارک زیبا باید به ذرات دیگری به نام مون‌ها و الکترون‌ها با همان سرعت تجزیه شود، به نظر می‌رسد که در واقع بیشتر از مون‌ها به الکترون‌ها تجزیه می‌شود.

این هیجان‌انگیز است، چون ما می‌دانیم که مدل استاندارد کل داستان را در مورد آنچه که در جهان اتفاق می‌افتد نمی‌گوید. خیلی خوب است که در مورد ماده و انرژی به ما اطلاعاتی می‌دهد. اما گزارشی از ماده تاریک و به اصطلاح انرژی تاریک که دانشمندان بر این باورند که باید برای توضیح رفتار در مقیاس بزرگ ستاره‌ها و کهکشان‌ها وجود داشته باشد، ارائه نمی‌دهد.

همچنین تطبیق مدل استاندارد با بهترین توضیح جاذبه، نظریه نسبیت عام انیشتین، بسیار دشوار است. مدل استاندارد در بهترین حالت یک گام در مسیر رسیدن به یک نظریه کامل از همه چیز است.

ممکن است علاقمند به مطالعه مقاله چرا DNA خود‌به‌خود تغییر می‌کند؟ باشید.

شکل ۲. تجزیه یک مزون زیبا شامل یک الکترون و پوزیترون، که در آزمایش LHCb مشاهده شد. سرن

برای فراتر رفتن از مدل استاندارد، ما به داده‌های تجربی جدید نیاز داریم. چیزی که ما واقعا به آن نیاز داریم این است که شواهدی وجود داشته باشد که برخی پیش‌بینی‌های مدل استاندارد اشتباه است، اما نه یک پیش‌بینی آنقدر مهم برای نظریه که ما نیاز به بازسازی از اساس داریم.

به همین دلیل است که زوال کوارک‌های زیبایی بسیار جالب است. رفتار غیرمنتظره به منطقه‌ای اشاره می‌کند که در آن نظریه را می‌توان بدون نیاز به شروع از صفر اصلاح کرد.

سیگماها و p-value ها

دلیل اینکه دانشمندان در مورد نتیجه محتاط هستند این است که این چیزی است که کشف ۳ سیگما نامیده می‌شود. برای توضیح، بیایید تصور کنیم که شما به دنبال جن‌و‌پری در پایین باغ خود هستید. شما با این فرض که هیچ جن‌و‌پری وجود ندارد شروع می‌کنید - این فرضیه باطل نامیده می‌شود.

سپس شما برخی مشاهدات را جمع‌آوری می‌کنید که به دنبال رد این فرضیه هستند. بعد از تجزیه و تحلیل داده‌های خود، متوجه می‌شوید که احتمال ۹۰٪وجود دارد که اگر هیچ جن‌و‌پری در باغ وجود نداشته باشد، شما مشاهداتی مانند آنچه که در واقع انجام داده‌اید انجام خواهید داد.

این به شما چیزی را می‌دهد کهP-value نامیده می‌شود. احتمال ۹۰٪مشاهده داده‌هایی که در واقع مشاهده کردید در صورتی‌که فرضیه صفر شما درست باشد برابر باp-value مساوی ۰.۹۰ است. در واقع، شما کشف کرده‌اید که دلیل محکمی برای رد این فرض که باغ شما عاری از جن‌و‌پری است ندارید. این همان چیزی نیست که کشف یک دلیل برای باور به این که فرضیه صفر شما درست است.

مقدار p احتمال شواهد است، با توجه به فرضیه صفر شما، که با توجه به شواهد شما از احتمال درست بودن فرضیه صفر متمایز است. مقادیر سیگما مانند نتیجه «۳-سیگما» با مقادیر p متناظر هستند. در LHC، فرضیه صفر این ادعا است که مدل استاندارد درست است، و مشاهدات از فعل و انفعالات ذره هستند.

نتیجه ۳-سیگما به این معنی است که با توجه به مدل استاندارد، تقریبا ۱در ۱۰۰۰ احتمال وجود دارد که مشاهدات حداقل به همان اندازه که مشاهدات جمع‌آوری‌شده رخ می‌دهند، شدید باشند. این به طور قابل‌توجهی بهتر از تلاش شما برای پیدا کردن جن‌و‌پری است و به نظر می‌رسد که مدل استاندارد را زیر سوال می‌برد.

چرا این قدر محتاط هستند؟ فیزیک‌دانان معمولا تا زمانی که یک نتیجه ۵-سیگما نداشته باشند، شادی نمی‌کنند. نتیجه ۵-سیگما به شما می‌گوید که اگر مدل استاندارد درست بود، شانس کم‌تر از یک در میلیون از مشاهدات شما وجود داشت. این مثل پرسه زدن در باغچه‌تان و صحبت کردن با یک موجود کوچک بال‌دار است: فرضیه «بدون جن‌و‌پری» شما دارد به نظر کاملا لرزان می‌رسد.

چرا فیزیک‌دانان به دنبال یک رویداد ۵-سیگما هستند؟ دلایل متعددی وجود دارد. اولی تاریخی است: آن‌ها قبلا نیش خورده‌اند. در سال ۲۰۱۱ فیزیک‌دانان ادعا کردند که نوترینوهایی که سریع‌تر از سرعت نور حرکت می‌کنند را اندازه‌گیری کرده‌اند. این اندازه‌گیری از ۳-سیگما فراتر رفت، اما معلوم شد که به خاطر یک کابل معیوب است.

فیزیک‌دان، توماسو دواریگو، دفتر خاطرات وقایع اندازه‌گیری شده‌ای را ثبت کرده است که به اهمیت ۳ سیگما رسیده‌اند یا از آن پیشی گرفته‌اند. او به ۶ ادعای قبلی اشاره می‌کند که بعدا کنار گذاشته شدند. دلیل دیگر احتیاط مشکل مقایسه‌های چندگانه است. اگر به اندازه کافی تست انجام دهید، حتما چیز عجیبی خواهید دید.

مطالعه مقاله دانشمندان اعلام کردند که سفر در زمان امکان‌پذیر است! توصیه می‌شود.

فرض کنید یک سکه را ۱۰۰ بار بچرخانید و ۵۰ شیر و ۵۰ خط بگیرید. حالا فرض کنید که آزمایش را ۱۰۰ بار تکرار می‌کنید (روی هم رفته ۱۰۰۰۰ بار سکه را واژگون کنید). در برخی از نسخه‌های آزمایش می‌توانید ۲۰ شیر و ۸۰ خط ببینید. در برخی شما ۱۰ شیر و ۹۰ خط می‌بینید. هر دو توزیع با فرض عادلانه بودن سکه، غیرمحتمل هستند.

بنابراین آیا شما مدرکی دارید که نشان دهد سکه ناعادلانه است؟ به نظر مشکوک می‌آید. حتی یک سکه معمولی هم گاهی اوقات نتایج نامتعادلی به بار می‌آورد. LHC مانند یک ماشین پرتاب سکه است. آن به طور مداوم در حال انجام آزمایش‌ است. برای اصلاح این موضوع، فیزیک‌دانان به استاندارد بسیار بالای ۵ سیگما نیاز دارند. نتیجه ۳-سیگما قابل‌توجه است، اما هنوز یک «کشف» نیست.

در نهایت، این ضرب‌المثل وجود دارد که ادعاهای فوق‌العاده به شواهد فوق‌العاده نیاز دارند. مدل استاندارد به شدت تایید شده است. یک مشاهده بسیار قابل‌توجه (مانند مشاهده رویدادی که بسیار بعید است اگر مدل استاندارد درست باشد) برای کاهش اعتماد به مدل لازم است.

بعدی چیست؟ LHC یک آزمایش فوق‌العاده پیچیده است، و چیزهای زیادی وجود دارند که می‌توانند در مورد آن اشتباه کنند. این امر کنترل خطاهای سیستماتیک را دشوار می‌سازد. بنابراین حتی رسیدن به سطح ۵-سیگما به خودی خود ممکن است برای تایید یک کشف جدید کافی نباشد. در واقع، سه مورد از شش نتیجه برداشت‌شده مستند شده توسط دوریگو به سطح حتی بالاتر ۶ سیگما رسیدند.

برای تایید یک کشف، در حالت ایده‌آل، نتایج باید با استفاده از یک مجموعه آزمایشی متفاوت تکرار شوند (مجموعه‌ای که ریسک تکرار خطاهای مشابه را نیز ندارد)، ترجیحا بیش از یک‌بار. به همین دلیل است که فیزیک‌دانان سرن امیدوارند که نتایج آن‌ها توسط آزمایش Belle در ژاپن تکرار شود.

بنابراین اعلام سرن ممکن است کمی زود به نظر برسد. اما دفتر خاطرات دوریگو دلیلی برای خوش‌بینی ارائه می‌دهد. او اشاره می‌کند که همه نتایج حاصل از آزمایش‌ها شتاب‌دهنده ذرات به سطوحی از اهمیت رسیده‌اند که اعداد زوج هستند (۴ یا ۶-سیگما) ، در‌حالی‌که اکتشافات واقعی به سطوحی می‌رسند که اعداد فرد هستند (۳ یا ۵-سیگما).

دوریگو پیشنهاد می‌کند که ما باید مشاهدات را با مقادیر سیگما با شماره فرد بسیار جدی بگیریم. او دارد شوخی می کند. اما پشت این شوخی یک مشاهده جامعه‌شناختی وجود دارد: فیزیک‌دانان تمایلی به انتشار نتایج ۳-سیگما ندارند، مگر اینکه مطمئن باشند که به یک کشف منجر خواهند شد. فیزیک‌دانان در سرن به وضوح بر این باورند که آن‌ها هدفی دارند، و ما هم باید این طور باشیم.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.