تألیف و ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
نتیجه‌ی بسیار شگفت‌انگیز دیگری نیز از ریاضیات دیراک حاصل شد و آن این‌که هرگاه ذره‌ای با پادذره‌ی خود برخورد کند هر دو در دم به صورت لمحه‌ای از انرژی خالص، نابود می‌شوند. مقدار انرژی‌ای که در این برخورد آزاد می‌شود همان است که توسط معادله‌ی E=mc2 پیش‌بینی می‌شود. (در این معادله E انرژی، m جرم، و c سرعت نور است.) از سوی دیگر، در این عالم که گویا هر چیزی در آن دارای تصویری در آینه است، تبدیل انرژی مجرد، فقط می‌تواند موجد یک یا چند جفت ذره‌ی ضد یک‌دیگر باشد و انرژی مورد نیاز برای این آفرینش، حداقل برابر است با مجموع جرم‌های جفتی که قرار است آفریده شود ضرب در مجذور سرعت نور. تا قبل از کشف دیراک، ماده چبزی بنیادین و برای ابد تغییرناپذیر پنداشته می‌شد. کشف او چنان خردکننده بود که خود او درآغاز از باور کردن آن اکراه داشت و این اکراه با این واقعیت سرد تشدید می‌شد که هیچ‌کس تاکنون پادالکترون را ندیده است. تزلزل خاطر وی شاید به شخصیت وی برمی‌گشت. دیراک با همه‌ی محافظه‌کاری که داشت بر چیزی که از آن پس یکی از هیجان‌انگیزترین پیش‌رفت‌های نفوذ فکر آدمی در طبیعت خوانده شده است پای فشرد. در دوم اوت هزار و نُه‌صد و سی و دو میلادی در ابزاری تجربی به نام اتاق ابر، رد پای ذره‌ی باورنکردنی دیراک به وسیله‌ی کارل اندرسن که در آن زمان دانش‌جوی دوره‌ی فوق لیسانس بود کشف شد. اندرسن کمی بعد بر الکترونِ مثبت نام پوزیترون را نهاد. در سال 1933 میلادی جایزه‌ی نوبل فیزیک به دیراک به پاس کار مهمی که کرده بود داده شد. اندرسن نیز جایزه‌ی نوبل فیزیک سال 1936 را دریافت داشت. متعاقب این روی‌کرد به پوزیترون، تقریباً باعجله و پیاپی، پیش‌بینی‌های دیگری درباره‌ی ذره‌هایی بیشتر انجام شد و مورد تأیید قرار گرفت. ولفگانگ پاولی که از پدر خواندگان فیزیک کوانتومی محسوب می‌شود در سال 1930 به پیش‌بینی شبح ذره‌ی بی‌اثر و بی‌جرم دیگری که ردیابی آن تقریباً غیرممکن بود پرداخت. انریکو فرمی، فیزیک‌دان ایتالیایی که از معماران عمده‌ی عصر اتم بود نامِ نوترینو را بر آن نهاد. وجود نوترینو در دهه‌ی 1950 به اثبات رسید. نوترون را جیمز چادویک در 1932 کشف کرد. در 1934 هیدِکی یوکاوا، فیزیک‌دانی ژاپنی، بی‌آن‌که بیمی به خود راه دهد پیش‌بینی کرد که درون هسته ذره‌ای وجود دارد که دویست‌بار سنگین‌تر از الکترون است. بر این ذره‌ی کشف نشده نام پی‌مزون یا پیون نهاده شد. این ذره در سال 1947 میلادی کشف شد.
برای فرورفتنِ بیشتر در دنیای زیراتم، آزمایش‌گران شتاب‌دهنده‌های بزرگ‌تری برای ذره، یا به عبارتی اتم‌شکن‌هایی بزرگ‌تر و نیرومندتر ساختند. آنان روشی پیش گرفتند که فیزیک‌دان بلندمرتبه، ویکتور وایس کوپف، آن را روش ساعت سویسی نامیده است: «اگر بخواهید پی‌ببرید که درون دو ساعت ساخت سویس چیست، آن‌ها را تاجایی که می‌توانید محکم به‌هم بزنید و مشاهده کنید که چه بیرون می‌آید.» وقتی که آن‌ها ساعت‌های خود - پروتون‌ها، پادپروتون‌ها، الکترون‌ها، و پوزیترون‌ها – را هرچه محکم‌تر برهم کوبیدند ذره‌های تازه که تا آن‌زمان تک‌تک سر برمی‌آوردند به‌یک‌باره بهمن‌وار و با خشم بیشتر سرازیر شدند. از صورت ساده‌ی سه ذره‌ای سال 1928 باغ وحشی شلوغ مرکب از صدها ذره‌ی گوناگون پدید آمد. فرمی قبل از مرگش در سال 1954، گفته بود اگر می‌توانستم نام این همه ذره را به خاطر بسپارم گیاه شناس از آب در می‌آمدم. ا. ا. رابی، برنده‌ی جایزه‌ی فیزیک نوبل سال 1944، وقتی خبر کشف مئون را که همانند الکترون است اما جرمی دویست با بیشتر دارد شنید زیر لب غرید: «این را دیگر کی سفارش داده بود؟» غالبِ این ذره‌های اعصاب خردکن زیرهسته‌ای در ماده‌ی معمولی وجود نداشتند بلکه در درون شتاب دهنده‌ها زاده می‌شدند و می‌مردند. عمر بیشتر آن‌ها فوق‌العاده کوتاه و در مقیاس‌هایی بود که درکشان برای ما بسیار دشوار است. آن‌ها مثلاً در مدتی به کوتاهی 24-10 ثانیه ناپدید می‌شدند و به نظر می‌رسید به دو طبقه‌ی عمده تقسیم شده‌اند. بیشتر آن‌ها هادرون، که به معنای ضخیم یا ستبر است، بودند و شامل پروتون‌ها، نوترون‌ها، و مزون‌ها می‌شدند. بقیه لپتون، به معنای سبک، بودند و شامل فوتون‌ها، الکترون‌ها، توترینوها، و مئون‌ها می‌شدند. آیا امکان داشت که موجودات این باغ وحش ذره‌ها، همه بنیادین باشند؟ بیشتر فیزیکدانان چنین باوری نداشتند.
یکی از انگیزه‌های پیش‌برنده‌ی علم برای حدود دو هزار و پانصد سال عبارت بود از مفهوم و متعاقباً جستجوی ذره‌ی بنیادین ماده که تقسیم ناپذیر انگاشته می‌شد. این اندیشه‌ی اتمی که از فیلسوفانی از یونان هم‌چون دموکریتوس و لئوکیپوس سرچشمه می‌گرفت طی قرن‌ها به‌مثابه دستوری دینی مورد قبول بود. در سال 1704 میلادی، نیوتون در کتاب معروف نورشناسی‌اش چنین نوشت: «به‌نظرم می‌رسد که خدا در آغاز آفرینش، ماده را به صورت ذره‌هایی جامد، سنگین، سخت، نفوذناپذیر و جنبان آفریده باشد ...» در سده‌ی نوزدهم، جان دالتن شیمی‌دان، این اندیشه را پیش نهاد که هر عنصر از اتم خاصی (که با سایر اتم‌ها فرق دارد) تشکیل شده است و این امر موجب تشکیل هر جنسی، از شیمی‌دان گرفته تا کلم، بوده است. به این ترتیب، در نیمه‌ی دوم قرن بیستم میلادی، دانشمندان بر آن شدند که برای انبوه ذره‌های هسته‌ای که بی‌گمان همه نمی‌توانستند بنیادین باشند معنی و مفهومی پیدا کنند. اما آن‌ها دارای مشکل دیگری نیز بودند که به همان اندازه سهمگین بود: جهان فقط میدان تاخت و تاز ذره‌ها نیست بلکه قلمرو نیروهایی هم هست که بر بازی پیچیده‌ی ماده و انرژی فرمان می‌رانند. دانشمندان می‌دانستند که در طبیعت، چهار نیروی بنیادین گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی، و نیروی هسته‌ای ضعیف وجود دارند. طی ده‌ها سال، فیزیکدانان کوشیده بودند تا راهی برای آفریدن ساختاری ریاضی، تحت عنوان نظریه‌ی بزرگ وحدت یافته، بیابند که در آن هر چهار نیرو به وحدت رسیده باشند. آیا این امکان داشت که دستگاهی متشکل از قواعدی یگانه و نیرومند قادر باشد که هرگونه پدیده‌ای در جهان، از مقیاسی بی‌نهایت خُرد گرفته تا مقیاسی بی‌نهایت کلان، را توصیف و پیش‌بینی نماید؟ فاصله‌ی بین این دو بی‌کران کوچک و بزرگ شامل مواردی می‌شد مثل فروپاشی پرتوزای هسته، درهم پیچیده شدن کهکشانها، کوره‌های آتشین در درون ستارگان، سیری‌ناپذیری سیاه‌چاله‌ها، پرواز عقابان، و آن‌چه ذهن آدمی بتواند تصور کند. این عطش دست یافتن به چیزی که جام مقدس فیزیک نام گرفته است از اعتقادی بنیادین سرچشمه می‌گیرد. هم‌چنان که سیدنی درل از دانشگاه استنفورد می‌گوید ما می‌دانیم که قانون‌هایی ساده و کلی وجود دارند که قادر به تبیین تنوع بسیار زیاد موجود در طبیعت هستند. به اعتقاد او هدف و انگیزه‌ی اصلی یک دانشمند واقعی یافتن این قوانین است. اما چنین می‌نمود که آن‌چه در مقابل وحدت مطلوب قد برافراشته بود درواقع ماهیت‌های خود این نیروها بود که به‌گونه‌ای باور نکردنی متفاوت از یک‌دیگر بودند. مرد میدانی لازم بود که این نیروهای تا این حد متخاصم را با هم آشتی دهد. حوزه‌ی عمل گرانش از همه گسترده‌تر است و تمام ماده و انرژی را پوشش می‌دهد. این نیروست که ستارگان را در مسیر بی‌پایانشان بر جای خود نگاه می‌دارد و بر هر سقوط کوچکی نیز حاکم است. اما علیرغم برد وسیعش، قدرتش از بقیه نیروها ضعیف‌تر، و درواقع خیلی ضعیف‌تر، است. این نیرو از نیروی هسته‌ای قوی صد تریلیون تریلیون تریلیون بار ضعیف‌تر است، و از نیروی الکترومغناطیسی که تنها صد بار ضعیف‌تر از نیروی هسته‌ای قوی است بسیار ضعیف‌تر است. اما در عوض، برد یا حیطه‌ی اقتدار نیروی هسته‌ای قوی تنها در درون هسته در محدوده‌ای در حدود قطر پروتون است، و در این محدوده بر همه‌ی هادرونها عمل می‌کند و مایه‌ی آزادی انرژی عظیمی است که در نتیجه‌ی گداخت یا هم‌جوشی هسته‌ای آزاد می‌شود. دامنه یا برد عمل نیروی الکترومغناطیس، هم‌چون نیروی گرانش، نامتناهی است اما بر خلاف گرانش نه بر هر چیزی که تنها بر ذرات باردار اثر می‌گذارد. درخشش برق آسمان و جاذبه‌ی آهن‌ربا کار نیروی الکترومغناطیس است. این نیرو هم‌چنین با تعیین شکل و اندازه‌ی اتم‌ها، رفتار شیمیایی را نیز سامان می‌بخشد. نیروی هسته‌ای ضعیف در میان این نیروها از همه گریزپاتر است. این نیرو صد هزار بار ضعیف‌تر از نیروی هسته‌ای قوی است و حوزه‌ی تأثیرش نیز کوچک‌تر و تنها در حدود 15-10 سانتیمتر است. هم بر هادرونها و هم بر لپتون‌ها اثر می‌بخشد و بر نوعی فروپاشی پرتوزا که در آن ذره‌ای تبدیل به ذره‌ای دیگر می‌شود حاکم است. این نیرو مایه‌ی انجام واکنش‌های هسته‌ای در ستاره‌ها نیز هست. اما به راستی چگونه می‌توان این نیروهای جدا از هم را با ذره‌هایی که از آن‌ها تأثیر می‌پذیرند در هم آمیخت و ادغام کرد؟
امروز ما در موقعیتی قرار داریم که گویا پرده‌ی منقشی در مقابل ما قرار دارد که موضوع نقش آن آمیختکی و ادغامی است که در بالا به آن اشاره شد. این پرده دارای رشته‌های بی‌شماری است که بافندگان متعددی روی آن‌ها کار کرده‌اند. آزمایش‌گران زیادی کار کرده‌اند و دسته‌ی بزرگی از نظریه‌پردازان آن‌ها را یاری رسانده‌اند. این پرده، مدل استاندارد نامیده شده است. این نامی پیش‌پا افتاده است برای مجموعه‌ای از نظریه‌ها که در تعیین حدود همه‌ی ذره‌های به راستی بنیادین و برهم‌کنش‌های آن‌ها توفیقی درخشان داشته‌اند. در این جا امکان نمایش تفصیلی همه‌ی تارو پودهای این کوشش چند ده ساله وجود ندارد و بیان بسیاری از توفیق‌های آن بستگی دارد به ریاضی‌هایی که درکشان از عهده‌ی مردم عادی خارج است. به‌ویژه موضوع‌های متعدد در این رابطه متکی بر چیزی است که نظریه‌ی پیمانه‌ای یا تقارن پیمانه‌ای نام گرفته است و مفهومی ریاضی است که تبدیلات هندسی در فضا و زمان و نیز تقارن‌های قوانین طبیعت و تقارن‌های داخلی را که معرف خواص کوانتومی ذره‌ها هستند به هم پیوند می‌زند. رابطه، ظریف و پیچیده است و اثبات آن بدون دست یازیدن به دامن شاخه‌ای از ریاضیات که نظریه‌ی گروه‌ها نام دارد مقدور نیست. جیمز ر. نیومن، یکی از نویسندگان تاریخ ریاضیات، زمانی نظریه‌ی گروه‌ها را چنین وصف کرده است: «مَثَلِ اعلای هنر تجرید ریاضی. تواناترین ابزار که تاکنون برای روشن کردن ساختار ابداع شده است...... شاخه‌ای از ریاضیات که در آن چیزی برای چیزهایی انجام می‌گیرد و نتایج با هم یا با نتیجه‌ی انجام چیزهای دیگر برای همان چیز مقایسه می‌شوند.»
یکی دیگر از اجزای بسیار مهم یا کلیدی، عبارت است از حامل نیرو یا نیروبر. اگر دو ذره قرار باشد متحمل نیرویی شوند، مثلاً دو الکترون تحت تأثیر نیروی الکترومغناطیسی رانشی بین خود قرار گیرند، اعمال نیرو با مبادله‌ی ذره‌ی میانجی دیگری انجام می‌شود که گفته می‌شود واسطه‌ی نیروست یا نیرو را حمل می‌کند. فوتونِ بی‌جرم، ذره‌ی نیروبر نیروی الکترومغناطیس است. مدل استاندارد این را مسلم می‌انگارد که مصالحی که جهان از آن ساخته شده است، یعنی ذره‌های بنیادین، منحصرند به شش لپتون و شش کوارک و پادذره‌های آن‌ها. چنین می‌نماید که این ذره‌ها به طور طبیعی به سه خانواده یا سه نسل تقسیم می‌شوند که به خاطر ویژگی‌هایشان، از جمله جرم فزاینده‌اشان، دور هم گرد آمده‌اند. خانواده‌ی نخست برای ما آشناتر است و می‌توانیم به خانه‌امان دعوتش کنیم. این خانواده، ماده‌ی جهان واقعی معمولی را می‌سازد و مشتمل است بر کوارک‌های بالا و پایین، و الکترون و نوترینوی الکترون. اعضای دو خانواده‌ی دیگر که خیلی سنگین‌ترند در مدتی بسیار کوتاه در دل شتاب دهنده‌های غول پیکر یا در افشانه‌های بمباران پرتوهای کیهانی به ابراز وجود می‌پردازند. خانواده‌ی دوم دارای کوارک‌های افسون، شگفت، موئون، و نوترینوی موئون است. ذره‌های خانواده‌ی سوم عبارتند از کوارک‌های ته، سر، تاو (که ذره‌ای الکترون‌سان است)، و نوترینوی تاو. کوارک سر و نوترینوی تاو هنوز دیده نشده‌اند گرچه بنا بر دلایلی غیرمستقیم هر دو وجود دارند. پیشنهاد اصطلاح کوارک، به عنوان ذره‌ی بنیادی جدید ماده، از طرف گلمان، عضو هیأت علمی مؤسسه‌ی تکنولوژی کالیفرنیا، بود که در سال 1961 میلادی ارائه گردید. هم‌چنین جرج تساویک، عضو همان مؤسسه، به طور مستقل همین پیشنهاد را ارائه داد. گلمان می‌گفت که کوارک‌ها دارای سه طعم مختلف هستند و بر آن‌ها نام‌های بالا، پایین، و شگفت را گذاشت. بعداً سه طعم دیگر افزوده شد که بر آن‌ها نام‌های ته، سر، و افسون گذاشته شد. کوارک‌ها به صورت‌های مختلف ترکیب می‌شوند و هر هادرون را، که ذره‌ای دست‌خوش نیروی قوی است، به‌وجود می‌آورند. نظریه‌ی او بر این تصریح داشت که هر هادرونی که باریون نامیده می‌شود، یعنی پروتون، نوترون، و هرکدام از وابسته‌های آن‌ها، از سه کوارک مختلف ساخته می‌شود. مثلاً پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین ساخته می‌شود. بقیه‌ی هادرونها که مزون خوانده می‌شوند از یک کوارک و یک ضدکوارک تشکیل شده‌اند.
تاکنون کسی کوارک را ندیده است و بنا بر برخی نظریه‌ها، کوارک‌ها برای ابد در درون ذره‌های بزرگ‌تر محبوس خواهند ماند. در سال‌های اولیه‌ی دهه‌ی 1960 میلادی این‌گونه به‌نظر می‌رسید که کوارک‌ها یکی از اختراع‌های دیگر نیروی توهم نظریه‌پردازی خیال‌پرورانه هستند. اما در سال 1967 میلادی سه پژوهش‌گر که در مرکز شتاب‌دهنده‌ی خطی استنفورد، SLAC، کار می‌کردند نشان دادند که درواقع سه چیز کوچک سنگین در اعماق پروتون، شبیه کشمش‌هایی در اعماق شیربرنج، مدفون هستند. سرانجام این چیزها به عنوان کوارک شناسایی شدند. این سه پژوهش‌گر عبارت بودند از جروم فریدمن، هنری کندال، و ریچارد تیلر، که به پاس کاری که در این زمینه کرده بودند موفق به دریافت جایزه‌ی نوبل شدند. نیروی قوی، برای محبوس ساختن کوارک‌ها و بالمآل همه‌ی هادرونها، به کار می‌رود، و اکنون مدل استاندارد معتقد است که آن‌چه نیروی قوی را حمل می‌کند چیزی است به نام گلوئون، که درواقع نوعی چسب است. و دیگر آن‌که ممکن است خود گلوئون‌ها توسط نیروی قوی و از طریق عمل گوی‌های چسبان، محکم به یک‌دیگر چسبیده باشند. در سال 1979 میلادی در حلقه‌ی مخزن پیرا در هامبورگ آلمان، قرینه‌ای بر وجود گلوئون به‌دست آمد. بخشی از مدل استاندارد که مربوط به کوارک‌ها و گلوئون‌ها و نیروی هسته‌ای قوی است تحت پوشش نظریه‌ی پیمانه‌ای قرار می‌گیرد که رنگ‌پویایی کوانتومی نامیده می‌شود. کلمه‌ی رنگ در این اصطلاح، اشاره دارد به این که این نظریه با سه ویژگی دیگر کوارک‌ها که رنگ (سبز، سرخ، و آبی) نامیده می‌شوند ارتباط دارد. رنگ‌پویایی کوانتومی به طور کلی پذیرفته شده است و دارای کارایی است و این فضیلت بزرگ را دارد که چیزها را با هم جور می‌کند و یک ذره‌ی بنیادین ماده را جا می‌اندازد.
به همین نحو، در مدل استاندارد نظریه‌ی پیمانه‌ای دیگری وجود دارد که مایه‌ی کار هم برای نیروهای الکترومغناطیسی و هم برای نیروهای هسته‌ای ضعیف است. درواقع آن‌چه نظریه‌ی الکتروضعیف نامیده می‌شود آن دو نیرو را با هم وحدت می‌بخشد. این نظریه حاصل ترکیبی از تلاش‌های استیون واینبرگ، عبدالسلام، و شلدن گلاشو بود که به خاطر این‌کارشان مشترکاً برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک سال 1979 میلادی شدند. با این که فرض بر این بود که فوتون حمل‌کننده‌ی نیروی الکترومغناطیس است بنا بر نظریه‌ی الکنروضعیف برای نیروی هسته‌ای ضعیف سه ذره‌ی نیروبر در کار بود که به نام بوزون‌های بردار میانجی خوانده شدند. این سه ذره عبارتند از دو ذره‌ی باردار w مثبت و w منفی و یک ذره‌ی بی‌بار z. بوزون‌ها برخلاف فوتون دارای جرم بودند و درواقع بسیار سنگین بودند. در سال 1982 میلادی، با استفاده از برهم کوبنده‌ی پروتون-پادپروتون سرن، wها به وسیله‌ی گروهی تجربه‌کار به نام UAI، که در آن زمان رئیس این گروه روبیا بود، کشف شدند، و این کار برای روبیا جایزه‌ی نوبل را به ارمغان آورد. کشف z در سرن در سال 1983 میلادی صورت گرفت. اما به راستی چرا زمان بین پیش‌گویی وجود این ذره‌ها و کشفشان این‌قدر طولانی بود؟ پاسخ این است: مصرف انرژی عظیمی برای آفریده شدن ذره‌های باردار در یک برهم کوبنده، به آن مقدارِ قابل توجهی که برای ردیابی و مطالعه کافی باشد، لازم است. جرم wها معادل حدوداً هشتاد میلیون الکترون ولت و جرم z معادل تقریباً نود میلیون الکترون ولت است. در جهان صغیرِ فیزیک ذره‌ای، جرم‌ها بر حسب انرژی داده می‌شوند زیرا این دو بر اساس رابطه‌ی جرم-انرژی اینشتاین هم‌ارز هم هستند. اما انرژی یک تک ذره‌ی شتاب‌دهنده، بسیار کوچک است. انرژی لازم برای به وجود آوردن یک پروتون برابر است با یک میلیون الکترون ولت (و این مقدار برابر است با یک هزارم انرژی جنبشی پشه‌ای که در حال پرواز است). باریکه‌های پروتون‌ها و پادپروتون‌ها در برهم‌کوبنده‌ی سرن هر یک با انرژی‌ای برابر با سی‌صد میلیون الکترون ولت به یک‌دیگر تبدیل می‌شدند و در هر ثانیه نزدیک به ده هزار برخورد به وجود می‌آوردند. هر برخورد، افشانه‌ای متشکل از حدود پنجاه نوع ذره‌ی مختلف به وجود می‌آورد. اما چون wها و zها بسیار زودگذرند و پیش از آن که به ذره‌های سبک‌تری فرو پاشیده شوند طول عمری تنها در حدود 25-10 ثانیه دارند عملاً به وسیله‌ی هیچ آشکارسازی دیده نشده‌اند. با این وجود، به نشانه‌های مشخص کننده‌ی آن‌ها پی برده شده است زیرا برخی از الگوها به هنگام افشانده شدن ذره‌ها بیرون ریخته شدند. در برهم کوبنده‌ی پروتون-پادپروتون، احتمال شناسایی عبارت بود از تنها یک در یک میلیون برای wها و یک در یک میلیارد برای zها. برای بهبود بخشیدن به این نسبت‌های فوق‌العاده کوچک، فیزیکدانان در سرن و استنفورد به طراحی نسل جدیدی از شتاب‌دهنده‌های پرانرژی، که برهم‌کوبنده‌های الکترون-پوزیترون بودند، به ویژه به عنوان کارخانه‌ی zسازی، پرداختند. شتاب دهنده‌ی بزرگ الکترون-پوزیترون در سرن و برهم کوبنده‌ی خطی استنفورد در مرکز استنفورد زیر نظر پارتن ریچتر ساخته شدند. تا آن زمان تریلیون‌ها z ساخته و اندازه‌گیری شده بودند که بیشتر آن‌ها در برهم کوبنده‌ی بزرگ الکترون-پوزیترون به وجود آمد. آشکارسازها توانستند طول زمان فروپاشی و جرم z را با دقت زیاد اندازه بگیرند. جرم z برابر است با 161ر91 میلیون الکترون ولت با خطای مثبت و منفی 031ر0 میلیون الکترون ولت. به دلایلِ فنیِ ناشی از اسلوب‌های مجاز برای فروپاشی z و مرتبط با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، این ترکیبِ طول زمان فروپاشی و جرم، بی هیچ تردیدی به این نتیجه می‌انجامد که بیشتر از سه نوترینوی شناخته شده و، با بسط بیشتر، بیشتر از سه خانواده از ذره‌های بنیادین وجود ندارند.
جان الیس که رهبری بخش نظری سرن را بر عهده داشت معتقد بود که که برهم کوبنده‌ی باپ برای همیشه و بدون هیچ تردیدی شمار خانواده یا نسل ذره‌های ماده را فقط به تعداد سه تا، نه بیشتر و نه کمتر، تثبیت کرده است. الیس می‌گوید که این کشف به ظریف‌تر ساختن مدل استاندارد کمک می‌کند زیرا آن را برخی نظریه‌های بزرگ که برای یکی کردن نیروهای هسته‌ای قوی و نیروی لکتروضعیف تلاش می‌کردند پیش‌بینی کرده بودند. اما هیجان انگیزترین تأثیر این نتیجه‌ی تجربی، عبارت است از اثری که بر کیهان‌شناسی دارد زیرا سیمای مهمی از نظریه‌ی انفجار بزرگ را تأیید می‌کند. اکثریت بسیار بزرگی از اختر فیزیکدانان و کیهان شناسان معتقدند که، جهان به صورتی که می‌شناسیمش، بین ده تا بیست میلیارد سال پیش، وقتی که زمان آغاز شد، به صورت یک گلوله‌ی آتشین اَبَرچگال و اَبَرداغ به وجود آمد، و در چنان قلمروی از رفتار ماده و انرژی، تابع قواعد فیزیک ذره‌های بنیادین بود. دلایل متعددی برای تأیید فکر انفجار بزرگ وجود دارد. از جمله‌ی آن‌ها این است که رصدها حکایت از آن می‌کنند که کهکشانها همه از هم می‌گریزند و این نشانه‌ای است از این که جهان در حال انبساط است. این، مؤید صدای صفیر مانند ضعیفی است که گویا به صورتی یک‌نواخت از هر بخش از فضا برمی‌خیزد. این صدا، تشعشعی بسیار سرد، درست سه درجه بالای صفر مطلق، است و این عدد مطابقت کامل دارد با محاسبات در باره‌ی این که تشعشع داغ اصلی منبعث از انفجار بزرگ، در طی پانزده میلیارد سال چقدر باید سرد شده و به صورت پستابی ضعیف درآمده باشد. آن گلوله‌ی آتشین اصلی تا حد دمای تصورناشدنی 1027 درجه‌ی کلوین، چندان داغ بوده است که در آن هر چهار نیرویی که از آن صحبت شد کاملاً متقارن بوده‌اند و قدرت‌هایی برابر داشته‌اند و دارای نیروبرهای بی‌جرم بوزون بُرداری بوده‌اند. اما گلوله‌ی آتشینِ در حال انبساط در دم شروع کرد به سرد شدن. در کمتر از یک میلیونم ثانیه بعد از انفجار بزرگ، و در سطح پایین‌تری از انرژی، تقارن اصلی نیروها درهم شکست و آن‌ها از هم جدا شدند. در این مورد می‌توان به تشبیهی فوق‌العاده سطحی و تقریبی با آب تشبث جست که هنگامی که دما به اندازه‌ی کافی پایین بیاید آب در ظرف شروع به یخ زدن می‌کند. نظریه‌پردازان برای آن که برای این تقارن‌شکنی در لحظه‌های نخستین عمر کیهان موجبی پیدا کنند ذره‌ای به نام هیگز، به افتخار پیتر هیگز فیزیک‌دان، اختراع کردند که هنوز ردی از آن به دست نیامده است. بوزون هیگز به مثابه یک نیروبر دیگر عمل می‌کند تا برای wها و zها جرم فراهم آورد. وجود آن برای منقح ساختن مدل استاندارد ضرورتی قطعی دارد و کوشش برای پی بردن به آن دلیل عمده‌ی علاقه‌ی فیزیکدانان آمریکایی به ساختن اَبَربرهم‌کوبنده‌ی اَبَررسانایی است که انرژی‌های بسیار زیاد آن برای کشف هیگز، اگر قرار باشد جرم خیلی زیادی داشته باشد، مورد نیاز خواهد بود. هم‌چنین همین امر دلیل وجودی برهم‌کوبنده‌ی بزرگ مادرون است در سرن است. با چنین شتاب دهنده‌هایی جستجوی هیگز امکان‌پذیر خواهد بود حتی اگر به سنگینی یک تریلیون الکترون ولت باشد. الیس با نیش‌خندی می‌گوید اگر هیگز با این تمهید هم خود را نشان ندهد بیشتر نظریه‌پردازان، به سبک ژاپنی خودکشی می‌کنند.
بنا بر برخی از روایت‌های نظریه‌ی انفجار بزرگ، در عرض مدتی کمتر از ده میلیونم ثانیه بعد از انفجار بزرگ، وقتی که دمای جهانِ درحالِ انبساط تنها تا حد یک تریلیون درجه یا چیزی در همین حدود پایین آمد پروتون‌ها و نوترون‌ها از یک پلاسمای کوارک-کلوئون چگالیدند. بین ده تا پانزده دقیقه بعد، که دوره‌ی ترکیب هسته نامیده شده است، هسته‌های سبک‌ترین عنصرها، یعنی هیدروژن و هلیوم، درحال شکل‌گیری بودند. تقریباً بیست و پنج درصد ماده‌ای که در جهان رصد شده است هلیوم و هفتاد و پنج درصد دیگر هیدروژن است. بقیه‌ی دیگر عناصر، که سنگین‌ترهایشان در درون ستاره‌ها ساخته شده‌اند، به نسبت، آن‌قدر کمند که به سختی آن‌ها را می‌توان در آش شله‌قلمکار کیهان پیدا کرد. فکری در دهه‌ی 1970 میلادی به مخیله‌ی سه فیزیک‌دان به نام‌های دیوید اشرام، جیمز گون، و گری استیگمن خطور کرد مبنی بر این‌که مقدار هلیومی که اختر فیزیکدانان توانسته‌اند ببینند تعیین کننده‌ی نوعی حد برای تعداد خانواده‌های ذره‌های بنیادین، و در نتیجه برای تعداد نوترینوهای سبک، است. آنان حساب کردند که اگر سناریوی انفجار بزرگ صحیح باشد بر اساس نظریه‌ی کوانتومی و مقدار هلیومی که در آن زمان معلوم بوده است حداکثر تعداد خانواده‌های ذره‌های بنیادین پنج است. اما با پیش‌رفت زمان، اخترفیزیک‌دانان با به کار بردن ابزارها و شیوه‌های دقیق‌تر و عالمانه‌تر توانستند نسبت هلیوم به هیدروژن را با دقت بیش‌تری تعیین کنند. در سال 1980 میلادی حد نظری تعداد خانواده‌ها فشرده‌تر شد و به چهار رسید، و در 1988 این حد از سه و نیم تجاوز نمی‌کرد. طرف‌داران نظریه‌های دیگر، در مقابل این حدود مقاومت نشان می‌دادند و یکی از آن‌ها با اشرام شرط بست که بیش از سه نوع نوترینو یافته خواهد شد. نتایج به دست آمده از برهم کوبنده‌ی بزرگ الکترون-پوزیترون شرط را به نفع اشرام تمام کرد. واینبرگ اعلام نمود که ترکیب هسته‌ی انفجار بزرگ، جزئی از کیهان ذره‌ای است که اکنون به تجربه به اثبات رسیده است. در کارگاهی که به نام برهم کوبنده‌ی بزرگ الکترون-پوزیترون و جهان برگزار شد اشرام گفت که قبای حد سه نوترینوی سبک، به قامت فراوانی عنصرهای سبک دیگر مانند دوتریم و لیتیوم هفت، که ده میلیارد بار از هیدروژن کم‌یاب‌ترند، می‌برازد. اشرام گفت این‌ها اولین آزمون‌های ذره‌ای نمونه‌ی کیهانی هستند. و این درست آغاز کار برای کیهان‌شناسان است، زیرا که هنوز معماهای عمده در مورد تولد و تکامل جهان باقی مانده‌اند. یکی از این معماها، مسئله‌ی به اصطلاح ماده‌ی تاریک است. الیس می‌گوید اگر حد سه خانوادگی را برگیرید و آن را با فراوانی مشاهده شده‌ی عنصرهای سبک درآمیزید می‌توانید برآورد کنید که در جهان چقدر ماده‌ی باریونیک یا معمولی وجود دارد. پاسخ این برآورد این است: نه خیلی زیاد. درواقع اخترفیزیک‌دانان حساب کرده‌اند که مقدار ماده‌ای که به‌علت درخشان بودن قادر به دیدن آن هستیم یک تا ده درصد ماده – هر نوع ماده - ای است که باید وجود داشته باشد تا توضیحی برای حرکت کهکشانها و ستاره‌ها در درون آن باشد. و نیز این ماده‌ی درخشان، حداکثر ده درصد مقدار ماده‌ای است که برای بستن جهان از جنبه‌ی گرانشی، یعنی برای جلوگیری از انبساط ابدی آن، لازم است. و این‌گونه بستن مستلزم وجود نظریه‌های متنوعی است. حقیقت این است که بسیاری از کیهان‌شناسان براین باورند که آن‌قدر ماده باید وجود داشته باشد که برای بازداشتن جهان از انبساط بی‌پایان، و به‌پایان رسیدنش با ناله‌ای سوزناک، کفایت کند، اما نه آن‌قدر زیاد که موجب فروریختن و رمبیدن جهان گردد. چنین روی‌دادی ممکن است به انفجار دیگری بیانجامد. نتیجه‌ای که گریزی از چنگ آن نیست این است که مقدار بسیار زیادی ماده باید وجود داشته باشد که از دیدن آن به علت آن‌که روشنی ندارد عاجزیم، و از این رو به آن ماده‌ی تاریک می‌گوییم. این ماده‌ی ناپیدا چه می‌تواند باشد؟ از هنگامی که این پرسش مطرح شده است تعداد رو به تزایدی پاسخ برای آن پیشنهاد می‌شود: سیاه‌چاله‌ها، ستاره‌های بزرگِ برجیس‌آسا، ستاره‌های کوچک و سنگین نامرئی، و ذراتی به نام آکسون، کوسیمون، و کریپتون – اما بسیاری از نظریه‌پردازان با نوعی ذره‌ی بیگانه‌ی بسیار سنگین موافقند که هیچ شباهتی با ماده‌ی معمولی باریونی ندارد. کشف این اجرام، که نام جمعی ویمپ بر آن‌ها نهاده شده است، بسیار دشوار است زیرا برخلاف هادرونها که تابع نیروهای قوی هستند، مانند نونرینوها تابع نیروی ضعیفند. نامزد دیگر برای پاسخ، گروه ذره‌های باردار سنگین است که گلاشو و هم‌کارانش نام جامپ را بر آن‌ها گذاشته‌اند. نام‌هایی که برای شناسایی ویمپ‌ها ارائه شده‌اند مجموعه‌ای است که پوشش‌دهنده‌ی نوترینوی سنگین تا همتاهای فرضی از ذره‌های معمولی ماده است و عناوینی چون هیگینو، فوتینو، زینو و حتی وینو دارند. نظریه‌ی کوانتومی پیچیده‌ی وحدتی که خواستار چنین همتاهایی است اَبَرتقارن نام گرفته است و الیس معتقد است که برهم کوبنده‌ی بزرگ نوترون-پوزیترون هم‌اکنون دست‌کم شواهد و قرائن غیرمستقیم دال بر صحت وجود همه‌ی این ذره‌ها در ابرتقارن را فراهم نموده است.
نوترینوی سنگین که نامزدی بود که چندین میلیون الکترون ولت جرم داشت از گردونه‌ی مسابقه بیرون انداخته شد یا آن‌چنان که الیس می‌گوید به‌وسیله‌ی باپ کشته شد. الیس می‌گوید نتایج حاصل از باپ، هرگونه نوترینوی سنگین امکان‌پذیر را محدود می‌سازد و اعلام می‌دارد که این ذره‌ها حداکثر می‌توانند یک‌صدم ماده‌ی مفقود را تأمین نمایند. هم‌چنین همتاهای نوترینو در اَبَرتقارن به‌وسیله‌ی باپ طرد شده‌اند و بارِ نامِ نچسب اسنوترینو بر سرشان اضافه شده است. همتاهای فوتون در ابرتقارن‌ها و zها و هیگزها ذره‌هایی هستند که الیس در مسابقه‌ی ماده‌ی تاریک برگزیده است. برنار سادوله، اخترفیزیک‌دان، می‌گوید فکر این‌که نمی‌فهمیم جزء عمده‌ی جهان از چه چیزی تشکیل شده است تقریباً مایه‌ی سرافکندگی است به‌ویژه برای دانشمندی که شورِ شناخت آن‌چه او را در میان گرفته است را در سر دارد. سادوله برای ردگیری مستقیم ویمپ‌ها با استفاده از ابزارهای گوناگون الکترونی مستقر در مکان‌های مختلف، به همکاری عظیمی سازمان بخشیده است. یکی از این مکان‌ها، برای محفوظ ماندن از آثار پرتوهای کیهانی در عمق دویست و پنجاه و دو متری زیر صخره‌ی سد اوروویل نزدیک ساکرومنتو کالیفرنیا درنظر گرفته شده است. آزمایشی که در این رابطه در آن‌جا از طرف دانشگاه کالیفرنیا در سان‌باربارا ترتیب داده شد نوترینوی سنگین را از فهرست نامزدهای ویمپ حذف نمود. الیس در کارگاه سرن بیان داشت که باپ پی‌بردن به این‌که ماده‌ی تاریک چیست را دشوارتر ساخته است ... آیا ما هم از همان جنسی هستیم که بقیه‌ی جهان از آن ساخته شده است؟
این انواع بیگانه‌ی ذره را ماده‌ی تاریک سرد نامیده‌اند زیرا که به کندی حرکت می‌کنند و انرژی متشعشع را نسبتاً کم می‌سازند و شاید این یکی از دلایلی باشد که ردگیری آن‌ها را این‌قدر دشوار ساخته است. ماده‌ی تاریک سرد با توضیحی که درباره‌ی موضوع معماگونه‌ی متناقضی داده است نقشی هم در بسیاری از روایت‌های تازه‌ی انفجار بزرگ پیدا کرده است. این موضوع معماگونه چنین است: اگر جهان در لحظه‌ی آفرینش هموار و همگن بوده است چرا حالا قلنبه و ناهموار و پر از مجموعه‌هایی از ماده به‌نام کهکشان شده است؟ کیهان‌شناسان برای حل این معما و معماها مشابه دیگر، نظریه‌ی ماده‌ی تاریک سرد را با یکی از چند روایت نظریه‌ی تورمی، که مفهوم اساسی دیگری است، در هم آمیخته‌اند. نظریه‌ی تورم بر این باور است که پیش از آن‌که کیهان به سن 38-10 ثانیه برسد قطعه‌ی بسیار کوچکی از آن با سرعتی که با توان اعداد افزایش می‌یافت، و سرعتی بسیار بیشتر از سرعت نور بود، باد کرد و متورم شد. این انبساط که اَبَرنوری نامیده شد در کسر خیلی کوچکی از ثانیه کند شد و به سرعتی رسید که امروز شاهد آن هستیم. گروهی از اخترفیزیک‌دانان انگلیسی و کانادایی به‌رهبری دکتر ویل ساندرز گزارشی از تحلیل مطالعه‌ای که به‌وسیله‌ی ماهواره‌ی اخترشناسی فروسرخ درباره‌ی جهان انجام شده بود تنظیم کردند.
این گروه که گزارش خود را در مجله‌ی نِیچر منتشر کردند به این نتیجه رسیدند که در مقیاس بزرگ، ساختار ماده بیش از آنی است که در نظریه‌ی معیار ماده‌ی سرد تاریک در تشکیل کهکشانها پیش‌بینی شده است. در این‌جا اشاره به اَبَرخوشه‌های وسیع کهکشان‌هاست که در میان حفره‌های اَبَرتهی‌ها یا اَبَرخلأهای تاریک پراکنده‌اند. یکی از مجتمع‌های کهکشانی، که بر آن نام دیوار بزرگ نهاده شده است در فضایی دست‌کم به‌اندازه‌ی نیم میلیارد سال نوری گسترده است. این موضوع، کشفِ رازِ توزیع ماده در جهان را هم‌چنان حل‌نشده رها می‌کند. برای کسی تردیدی در صحت مفهوم اساسی انفجار بزرگ و نیز این‌که حداقل نود درصد این ماده، ناپیداست وجود ندارد. اما هم نظریه‌ی تورم و هم نظریه‌ی ماده‌ی تاریک سرد، آسیب‌پذیرند و کیهان‌شناسی درحال آشفتگی است. آیا علم هیچ‌گاه به همه‌ی پاسخ‌ها دست خواهد یافت؟ طبیعت، شگفتی‌آفرین‌تر از آن‌چیزی است که می‌اندیشیم یا اصلاً بتوانیم اندیشید.
/ج
