คณะสำรวจทางวิทยาศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยมีมากำลังเตรียมออกเดินทาง ทีมงานได้รวบรวมยุทโธปกรณ์ที่ดีที่สุดที่สามารถรวบรวมได้ ถกเถียงถึงความท้าทายที่จะต้องเผชิญ และร่างแผนที่ที่มีรายละเอียดมากที่สุดเท่าที่จะสามารถทำได้ของภูมิประเทศข้างหน้า มีจุดมุ่งหมายเพื่อสำรวจ “พื้นที่ภายใน” ของสสาร ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าโปรตอนหลายพันเท่า ขณะนี้ เครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก
ใกล้จะเสร็จสมบูรณ์
ที่ใกล้กับเจนีวา การวางแผนสองทศวรรษกำลังจะถูกทดสอบ เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) จะรับมือกับความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดบางประการในฟิสิกส์ของอนุภาค มันหวังว่าจะพบฮิกส์โบซอนที่เข้าใจยากซึ่งคาดว่าจะรับผิดชอบต่อมวลของอนุภาคอื่น ๆ ทั้งหมด มันอาจเห็นโลก
ที่ “สมมาตรยิ่งยวด” ซึ่งมีอนุภาคใหม่มากมายสะท้อนสสารที่เราคุ้นเคย หรืออาจพบมิติที่ห้าขดเป็นวงเล็กๆ ที่ใจกลางอะตอม บางทีสิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุด มันสามารถค้นพบบางสิ่งที่ยังไม่มีใครคาดคิดมาก่อน โดยสามารถอธิบายคำถามที่ค้างคามายาวนานบางคำถามที่ “แบบจำลองมาตรฐาน”
ของฟิสิกส์อนุภาคในปัจจุบันของเราไม่สามารถตอบได้ เพื่อเปิดเผยความลับที่ชายแดนพลังงานสูง เราจำเป็นต้องมีเครื่องจักรพิเศษ เริ่มในปีหน้า โปรตอนจะถูกชนเข้าด้วยกันด้วยพลังงาน ที่ไม่เคยมีมาก่อน ณ จุดต่างๆ สี่จุดรอบๆ อุโมงค์วงกลมยาว 27 กม. ซึ่งอยู่ลึกเข้าไปในชนบทของสวิสและฝรั่งเศส
ควาร์กและกลูออนบางส่วนภายในโปรตอนจะชนกันโดยตรง ปล่อยพลังงานออกมามากพอที่จะสร้างละอองฝนของอนุภาคใหม่ และรอที่จะบันทึกเศษซากที่สำคัญจากการชนกันเหล่านี้ จะมีเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่สี่เครื่อง ซึ่งจ้างนักวิทยาศาสตร์ประมาณ 6,000 คนจากทั่วโลกร่วมกัน
ในจำนวนนี้ เป็นเครื่องตรวจจับอเนกประสงค์ขนาดยักษ์ 2 เครื่อง ได้แก่ ซึ่งความหวังหลักในการค้นพบฮิกส์โบซอนอยู่ อุปกรณ์ตรวจจับได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงเป้าหมายนั้นเป็นหลัก แต่ยังทำให้พวกเขาอยู่ในตำแหน่งที่ยอดเยี่ยมในการดูกระบวนการทางกายภาพใหม่ล่าสุดนอกเหนือจากรุ่นมาตรฐาน
ปัญหาใหญ่
แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคอธิบายสสารของอะตอมในรูปของควาร์กและเลปตอน ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่แรง แรงที่อ่อน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงเหล่านี้ถูกนำพาโดย “เกจโบซอน”: แรงแม่เหล็กไฟฟ้าโดยโฟตอน; แรงโดยกลูออน; และแรงอย่างอ่อน
ของโบซอน ควาร์กได้รับผลกระทบจากแรงอันแข็งแกร่ง ซึ่งรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้าง “แฮดรอน” เช่น โปรตอนและนิวตรอน ซึ่งอยู่ห่างกันเพียง 10 –15 เมตร ในทางกลับกัน รู้สึกเพียงแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อนๆ ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอน เช่น สามารถสัญจรไปมานอกนิวเคลียสของอะตอม
ในวงโคจร 10 –10 เมตรข้าม ในระดับที่เล็กขนาดนั้น ไม่มีสิ่งที่เรียกว่าของแข็งเลยจริงๆ: คือ “ทฤษฎีสนามควอนตัม” ซึ่งอธิบายทั้งอนุภาคของสสารและแรงระหว่างอนุภาคทั้งสองว่าเป็นการสั่นสะเทือนของสนามในสุญญากาศ ชัยชนะที่ยิ่งใหญ่ของรุ่นมาตรฐานคือการรวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่อ่อนแอ
ซึ่งมีพฤติกรรมแตกต่างกันมากในสภาวะ “พลังงานต่ำ” ในชีวิตประจำวัน ให้เป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเดียวที่พลังงานสูง ความแตกต่างระหว่างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอย่างอ่อนเกิดขึ้นเนื่องจากการมีปฏิสัมพันธ์กับสนามควอนตัมอีกสนามหนึ่ง ซึ่งก็คือสนามฮิกส์ อันตรกิริยาเหล่านี้ทำให้โฟตอน
ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าไม่มีมวล ในขณะที่โบซอน W และ Z ที่เกี่ยวข้องกับแรงอย่างอ่อนมีมวลมาก ในแบบจำลองมาตรฐาน ฟิลด์ฮิกส์ยังมีหน้าที่ในการให้มวลของควาร์กและเลปตอน และการสั่นสะเทือนในสนามฮิกส์ก็ปรากฏเป็นฮิกส์โบซอนที่มีชื่อเสียง หากไม่มี โมเดลมาตรฐานก็ไม่ทำงาน แต่ถึงแม้
การทดลอง
ก่อนหน้านี้จะยืนยันการคาดการณ์ของการรวมพลังด้วยไฟฟ้าด้วยความแม่นยำสูง อนุภาคนี้ก็ยังไม่ถูกค้นพบ อย่างไรก็ตาม จะบอกเราอย่างคร่าว ๆ ว่าเราควรมองหาที่ไหน โดยการใส่มวลที่วัดได้ของโบซอน ลงในทฤษฎีอิเล็กโทรวี กเราสามารถคำนวณได้ว่ามวลของฮิกส์ต้องน้อยกว่าประมาณ 1 TeV/c 2
เนื่องจากพลังงานของการชนกันของโปรตอนและโปรตอนที่ LHC จะเท่ากับ 14 TeV จึงน่าจะสร้างอนุภาคของมวลนี้ได้ง่าย ดังนั้นคุณอาจจินตนาการว่าการค้นหาหรือวินิจฉัยฮิกส์นั้นเป็นเรื่องง่าย – เปิดเครื่อง ดูว่าฮิกส์โผล่ออกมาหรือไม่ จากนั้นออกไปทำอย่างอื่น น่าเสียดายที่ชีวิตไม่ง่ายนัก
แม้ว่าทุ่งฮิกส์จะมีอยู่จริง แต่ดูเหมือนว่าจะมีเมล็ดพันธุ์แห่งการทำลายล้างอยู่ในตัวมันเอง นี่เป็นเพราะฮิกส์โบซอนต้องเคลื่อนที่ผ่านสุญญากาศโดยมีปฏิสัมพันธ์กับทุ่งทั้งหมดที่นั่นรวมถึงสนามฮิกส์ด้วย การคำนวณเชิงทฤษฎีโดยคำนึงถึงอันตรกิริยาทั้งหมดนี้ทำนายมวลฮิกส์ที่เทียบได้กับ “มวลของพลังค์”
คำสั่งของขนาดที่สูงกว่าที่กำหนดโดยแบบจำลองมาตรฐาน ความแตกต่างอย่างมากนี้เรียกว่าปัญหาลำดับชั้น และทำให้นักทฤษฎีสรุปว่าฮิกส์โบซอนไม่มีอยู่จริง และจะพบสิ่งอื่นในระดับพลังงาน TeV เพื่อแทนที่มัน หรือมีผลกระทบที่ยังมองไม่เห็นซึ่งแก้ไขทฤษฎีเพื่อให้มวลฮิกส์ตกอยู่
แนวคิดหลักสองประการได้รับการหยิบยกขึ้นมาเพื่อแก้ปัญหาลำดับชั้น ซึ่งแนวคิดที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือ ความสมมาตรยิ่งยวด (SUSY) ในแบบจำลองสมมาตรยิ่งยวด ปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติที่ทำให้การทำนายมวลฮิกส์เปรียบได้กับมวลพลังค์จะถูกยกเลิกโดยการมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคหรือ “อนุภาค”
สมมาตรยิ่งยวดที่มองไม่เห็นก่อนหน้านี้ ทำนายว่ามีอนุภาคของอนุภาคปกติทุกประเภท ซึ่งแตกต่างกันตามปริมาณการหมุนที่พวกมันพัดพา ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนและควาร์กมีสปินเพียงครึ่งหน่วย ในขณะที่คู่ ที่เรียกว่าซีเลคตรอนและสควาร์กไม่มีเลย เพื่อให้มวลฮิกส์อยู่ในระดับ TeV อนุภาคจะต้องมีมวลประมาณ 1 TeV/c 2และพวกเขาก็เป็นเป้าหมายหลักสำหรับ LHC เช่นกัน แท้จริงแล้ว
