کشف دروازه‌ای به بخشی ناشناخته از کیهان؛ چه چیزی را در درون آن خواهیم یافت؟
تصور کنید که دریچه‌ای کوچک پیدا کرده‌ایم که به بخشی پنهان از واقعیت باز می‌شود، جهانی که قبلاً هرگز ندیده‌ایم، اما از دیرباز آنجا بوده و پشت قوانین طبیعتی که می‌شناسیم پنهان شده است.
سال‌هاست که دانشمندان سعی کرده‌اند فراتر از این دریچه را ببینند، اما قدرتمندترین ابزارهای ما، مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی (بزرگترین و قدرتمندترین شتاب‌دهنده ذرات در جهان)، تنها نگاهی گذرا به آن انداخته‌اند، گویی از سوراخ کلید به واقعیت دیگری نگاه می‌کنیم.
امروزه، علم با یک فرصت تاریخی روبروست: ساخت ماشینی که قادر به غواصی در اعماق میلیاردها برابر کوچکتر از آنچه تاکنون به آن رسیده‌ایم، در جستجوی قوانین ناشناخته‌ای که همه چیز را در جهان شکل می‌دهند، باشد.
در این مقاله که از مجله New Scientist ترجمه شده است، هری کلیف، فیزیکدان ذرات از دانشگاه کمبریج، مهمترین سؤال را مورد بحث قرار می‌دهد: آیا باید این دریچه را کاملاً باز کنیم، یا باید آن را بسته بگذاریم و اجازه دهیم اسرار آن از ورای حجاب زمان و مکان با ما زمزمه کنند؟
پانزده سال از زمانی که برخورددهنده بزرگ هادرونی سفر خود را برای کشف اسرار جهان آغاز کرد و ذرات را در شدیدترین برخوردهای شناخته شده برای علم از هم جدا کرد، می‌گذرد. از آن زمان، من یکی از هزاران ذهنی بوده‌ام که در اعماق آن برخوردها کاوش کرده و در میان قطعات به دنبال کورسوی امیدی برای فیزیک جدیدی گشته‌ام که ممکن است توضیحی برای عدم وجود ماده تاریک یا راز وجود ما داشته باشد.
در سال ۲۰۱۲، این برخورددهنده ذره هیگز (ذره‌ای مرتبط با میدان به اصطلاح هیگز، میدانی نامرئی که کل جهان را پر می‌کند و به ذرات دیگر جرم می‌دهد) را کشف کرد و بدین ترتیب پایه‌های مدل استاندارد، مهمترین نظریه برای درک ذرات بنیادی و قوانین آن‌ها را بنا نهاد. با این حال، علیرغم آن لحظه تاریخی، درهای فیزیک جدید همچنان بسته است و برخورددهنده تا به امروز نتوانسته است آن را باز کند.
لزوما دلیلی برای ناامیدی وجود ندارد. برخورددهنده بزرگ هادرونی ممکن است همین الان ذرات جدیدی تولید کند، اما آن‌ها از دید ما پنهان هستند، یا به این دلیل که بسیار نادر هستند، تشخیص آن‌ها بسیار دشوار است، یا به این دلیل که هوشمندانه در میان هرج و مرج بقایای برخورد پنهان شده‌اند. در این صورت، ارتقاء آتی این برخورددهنده در پایان این دهه ممکن است نویدبخش آشکار شدن این اسرار مورد انتظار باشد.
با این حال، از احتمال نگران‌کننده‌تری نمی‌توان گریخت: ذراتی که ما به دنبالشان هستیم، فراتر از توانایی‌های فعلی ما، فراتر از دسترس حتی بزرگترین برخورددهنده‌ای که تاکنون ساخته شده است، قرار دارند. اگر این درست باشد، ممکن است مجبور باشیم، شاید سال‌های زیادی، برای یک برخورددهنده بزرگتر که قادر به دستیابی به چیزی باشد که پیشینیان آن نمی‌توانستند، منتظر بمانیم. البته اگر هرگز ساخته شود.
اما آندژی بوراس، نظریه‌پرداز دانشگاه فنی مونیخ در آلمان، نمی‌خواهد منتظر یک برخورددهنده جدید بماند. او در ۷۸ سالگی، همچنان رهبری یک جنبش علمی جسورانه را بر عهده دارد و معتقد است که می‌توانیم درب پشتی را به جهان‌هایی بسیار فراتر از دسترس برخورددهنده بزرگ هادرونی باز کنیم.
ماموریت بوراس دسترسی به چیزی است که او جهان زپتون می‌نامد، قلمرویی پنهان به ابعاد حدود ۱۰²¹ متر، جایی که ذرات جدیدی که مدت‌هاست رویای کشف آن‌ها را در سر می‌پرورانیم، احتمالاً در آنجا پنهان شده‌اند. چیزی که مرا هیجان‌زده می‌کند این است که ما از قبل شروع به کوبیدن در این دنیای ناشناخته کرده‌ایم.
مدل استاندارد نزدیک‌ترین چارچوب نظری به چیزی است که می‌توان آن را «نظریه جامع همه چیز» نامید، زیرا می‌تواند تمام ذرات بنیادی شناخته شده و نیروهایی که آن‌ها را کنترل می‌کنند، به استثنای گرانش، را توصیف کند. این مدل به طور قابل توجهی موفق بوده و هر آزمایشی را که در معرض آن قرار گرفته با دقتی شگفت‌آور، تا سرحد حیرت‌انگیزی، پشت سر گذاشته است. این دقت خود منبع سردرگمی است، زیرا ما به طور قطع می‌دانیم که مدل استاندارد تصویر کاملی را ارائه نمی‌دهد و پدیده‌هایی در جهان وجود دارد که مدل استاندارد قادر به توضیح آن‌ها نیست.
به همین دلیل، بسیاری از فیزیکدانان نظری کاملاً متقاعد شده‌اند که مدل استاندارد حرف آخر را در فیزیک ذرات نمی‌زند و ذرات بنیادی جدید هنوز در انتظار کشف هستند.
از آنجایی که برخورددهنده بزرگ هادرونی، واقع در سرن در نزدیکی ژنو، سوئیس، هنوز چیز جدیدی پیدا نکرده است، عزم محققان کاهش نیافته و آن‌ها را به سمت جستجوی راه‌های نوآورانه برای نفوذ به حجاب ناشناخته‌ها سوق می‌دهد. از این رو جذابیت این درب پشتی که به احتمال وجود جهانی دیگر فراتر از دسترس ما اشاره دارد، آشکار می‌شود.
برای درک اینکه چرا این درب پشتی وجود دارد و چگونه می‌توانیم از آن عبور کنیم، ابتدا باید برخی از اصول اولیه فیزیک ذرات را درک کنیم. اولین مورد از این اصول این است که وقتی برخورددهنده‌ها به انرژی بالایی می‌رسند، نه تنها نیروی برخورد را آشکار می‌کنند، بلکه به اعماق فواصل بی‌نهایت کوچک نیز نفوذ می‌کنند.
دامنه نفوذ برخورددهنده بزرگ هادرونی اغلب با حداکثر انرژی که می‌تواند به ذرات شتاب‌دهنده تزریق کند، اندازه‌گیری می‌شود. هرچه انرژی برخورد بیشتر باشد، احتمال تولید ذرات سنگین‌تر بیشتر است، زیرا انرژی طبق معادله انیشتین به جرم تبدیل می‌شود.
اما می‌توان این برخورددهنده را از زاویه‌ی دیگری نیز مشاهده کرد: به عنوان یک ابر میکروسکوپ، که نه تنها کوچک را بزرگ می‌کند، بلکه به عمیق‌ترین اعماق ماده نیز نگاه می‌کند و ساختار بنیادی واقعیت را در فواصل بسیار کوتاه آشکار می‌سازد.
دومین حقیقتی که باید درک کنیم این است که ذرات ابرپرجرم که در اعماق فواصل کوچک کمین کرده‌اند، قدرت هدایت سرنوشت ذرات سبک‌تر را در فواصل بزرگتر یا در مقیاس‌های بزرگتر دارند.
این به این دلیل است که نظریه میدان کوانتومی نشان می‌دهد که ذرات به خودی خود موجودیت‌های بنیادی نیستند، بلکه ارتعاشاتی در میدان‌های کوانتومی همیشه حاضر هستند، شبیه به یک محیط سیال نامرئی که کل جهان را پر می‌کند. طبق این دیدگاه، ذرات مانند موج‌هایی در اقیانوس کیهانی هستند و حتی در غیاب این موج‌ها (یعنی غیاب ذرات)، میدان کوانتومی مرتبط با آن‌ها همیشه وجود دارد.
