آیا در مدل استاندارد فیزیک ذرات رخنه‌ای وجود دارد؟

مدل استاندارد فیزیك ذرات، مدلی برای توصیف بر هم كنش ذرات بنیادی است. این مدل در اوایل دهه 1970 جا افتاد و از آن پس مرتباً با موفقیت آزموده شده است. مواردی بوده كه انحرافاتی از این مدل گزارش شده است، اما هیچ گاه این گزارش‌ها با تجربه‌های دیگر تأیید نشده است. این بار گروه CDF در فرمی لب انحرافی را گزارش داده است. این گروه همان گروهی است كه در سال 1995 كوارك سر را كشف كرد و با این كار مجموعه ذرات بنیادی مدل استاندارد را ( به جز ذره هیگز) كامل كرد. یكی از اجزای مهم استاندارد QCD است. QCD (كرمودینامیك كوانتومی) نظریه‌ای است كه بر هم كنش‌های قوی را توصیف می‌كند. ذراتی كه بر هم كنش قوی دارند كوارك‌ها و گلوئون‌ها هستند. این ذرات به صورت آزاد وجود ندارند، اما در برخوردهای انرژی زیاد تعداد زیادی از آن‌ها تولید می‌شود كه در نهایت به شكل فواره‌هایی از هادرون‌ها از محل برخورد دور می‌شوند. این هادرون‌ها انرژی و تكانه كوارك‌ها و گلوئون‌های تولید شده در برخورد را با خود حمل می‌كنند. QCD با جزئیات قابل ملاحظه‌ای و به طور موفقیت‌آمیز احتمال تولید چنین فواره‌هایی را بر حسب زاویه خروج و انرژی‌شان به دست می‌دهد.
اما آزمایش‌های گروه QDF نشان می‌دهد كه در انرژی‌های زیاد فواره (در حدود چند صد GeV) داده‌های تجربی اختلاف معنی داری با محاسبات نظری دارند البته تعداد رویداد‌هایی كه این اختلاف را نشان می‌دهند بسیار كم است: در حدود چند صد رویداد از چندین 1012 رویداد، اما اختلاف با معنی است.
این اختلاف چه چیزی به ما می‌گوید؟ در نخستین نگاه، چنین چیزی آشناست: احتمال تجربی پراكندگی بیش از محاسبه نظری است. در آزمایش كلاسیك گایگر – مارسدن هم چنین چیزی اتفاق افتاد، پراكندگی رو به عقب بیش از مقدار انتظار بود، و رادرفورد این نتیجه را به شكل وجود ساختار ( یك هسته كوچك و سخت) در اتم تفسیر كرد. از آزمایش‌های پراكندگی شدیداً ناكشسان فریدمن، كندال، و تیلور هم شواهد تعیین كننده‌ای برای وجود زیر ساختار (كوارك و گلوئن) در پروتون به دست آمد. حالا شاید پدیده‌ای كه CDF مشاهده كرده است هم نشانه این باشد كه كوارك‌ها و گلوئون‌ها هم ساده نیستند و از ذرات ریزتری تشكیل شده‌اند.
بیایید مسئله را دقیق‌تر بررسی كنیم. یكی از مهم‌ترین چیزهایی كه باید به آن توجه كرد این است كه QCD نظریه‌ای كاملاً خوش تعریف و اصل موضوعی است. این نظریه از یك فرض اساسی در مورد جهان به دست می‌آید (تقارن پیمانه‌ای) كه نمی‌توان آن را تعدیل كرد: یا باید آن را پذیرفت یا باید آن را كنار گذاشت؛ پس به طور اصولی ابهامی در نتایج این نظریه وجود ندارد. اما وضع عملاً پیچیده‌تر است. بیشتر محاسبات QCD را فقط به شكل تقریبی می‌توان انجام داد. این تقریب‌ها در انرژی‌های زیاد (به خاطر آزادی مجانبی) خوب‌اند، پس برخوردهای پرانرژی را به دقت می‌توان محاسبه كرد. اما ذرات تولید شده به صورت آزاد باقی نمی‌مانند و در قالب هادرون مشاهده می‌شوند. پدیده تجمع كوارك‌ها و گلوئون‌ها در هادرون‌ها (پر بست) یك پدیده انرژی كم است ومحاسبه آن به سادگی انجام شدنی نیست. پس در برخوردهای پرانرژی، هر چند نظریه QCD كاملاً خوش تعریف است، فقط بخشی از محاسبات را می‌توان كاملاً و بدون ابهام انجام داد. بخشی كه مربوط به چگونگی پر بست است هنوز نیاز به یك مدل خارجی دارد و بنابراین نتایج حاصل از آن بستگی به نوع مدل دارد.
همان‌طور كه قبلاً ذكر شد، تعدیل جوهر مركزی QCD دشوار است: یا باید آن را پذیرفت یا كنار گذاشت. راه دوم چندان مورد علاقه نیست مگر اینكه واقعاً مجبور باشیم. راهی كه باقی می‌ماند این است كه QCD را حفظ كنیم اما برهم كنش‌هایی به آن اضافه كنیم كه واقعیت‌های جدید را توضیح بدهند.
یك راه این است كه نوعی بر هم كنش ابر قوی وارد كنیم. اگر ذرات واسط این بر هم‌كنش سنگین باشند، اثر بر هم‌كنش فقط در انرژی‌های زیاد ظاهر می‌شود، هر چند سرانجام اثرش غالب می‌شود. نتایج حاصل از وجود چنین بر هم‌كنشی به شكل كلی با مشاهدات CDF سازگار است. اما وجود چنین بر هم‌كنش مسئله وحدت نیرو‌ها را كه در گسترش‌های ساده مدل لستاندارد وجود دارد به هم می‌ریزد و این چندان مورد علاقه نیست.
راه دیگر این است كه فرض كنیم بوزون‌های برداری دیگری شبیه بوزون Z وجود دارند، كه از آن سنگین‌ترند. اگر واقعاً چنین بوزون‌هایی تولید شوند، به فواره‌هایی وا می‌پاشند كه جرم مؤثرشان برابر با جرم Z/ باشد. مشاهدات نشان نمی‌دهند كه احتمال تولید چنین زوج‌های فواره‌ای بیشتر باشد. اما این همه ماجرا نیست. حتی اگر انرژی ذرات اولیه آن‌قدر نباشد كه Z/ تولید شود، مبادله Z/ های مجازی احتمال تولید فواره‌های پرانرژی را تغییر می‌دهد.
این راه ممكن است یك شكل دیگر را هم حل كند: آهنگ واپاشی Z به زوج كوارك ته – پادته چند درصد بیشتر، و به زوج افسون – پادافسون چند درصد كمتر از محاسبات الكترو ضعیف است. اگر بوزون Z/ وجود داشته باشد، ممكن است با بوزون Z مخلوط شود و خواص آن را تغییر بدهد. می‌توان مجموعه پارامترهایی یافت كه همزمان این دو مشكل الكترو ضعیف و نیز سازگاری CDF را رفع كند. اما در اینجا یك مانع نظری مهم وجود دارد: بر هم‌كنش‌های Z/باید بسیار بزرگ باشند. این باعث می‌شود كه در انرژی‌هایی كمی بیشتر از انرژی‌‌های فعلی، نظریه دچار مشكل بینهایت‌ها شود كه نشان می‌دهد چنین نظریه‌ای خود سازگار نیست. را دیگری كه مورد علاقه خیلی‌ها هم هست، فرض وجود ابر همراه ذرات (تحقق ابرتقارن) است. اما وجود چنین ذراتی باید باعث شود كه احتمال تولید فواره‌ها خیلی زیاد شود، و احتمالاً به خاطر وجود ذرات خنثایی كه قابل مشاهده نیستند، مقداری تكانه كسری مشاهده شود. از طرف دیگر اگر در اینجا هم فرض شود كه انرژی ذرات اولیه كمتر از آستانه تولید این ذرات است، محاسبه نشان می‌دهد كه اثر مبادله ابر همراه‌های مجازی بر آهنگ تولید فواره خیلی كمتر از مقدار لازم برای توضیح مشاهدات CDF است. به نظر می‌رسد كه فعلاً توضیح كامل و حاضر و آماده‌ای برای این مشاهدات وجود ندارد.