การประโคมเกิดขึ้นมากมายเกี่ยวกับฮิกส์โบซอนเมื่อมีการค้นพบอนุภาคที่เข้าใจยากนี้ในปี 2555

แม้ว่าจะถูกขนานนามว่าให้มวลสารธรรมดา แต่การมีปฏิสัมพันธ์กับสนามฮิกส์นั้นสร้างมวลประมาณ 1% เท่านั้น อีก 99% มาจากปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแรงนิวเคลียร์อย่างแรง ซึ่งเป็นแรงพื้นฐานที่ยึดอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าควาร์กเข้ากับอนุภาคขนาดใหญ่ที่เรียกว่าโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมของสสารสามัญ

แรงนิวเคลียร์อย่างแรง (มักเรียกกันว่ากำลังแรง) เป็นหนึ่งในสี่กองกำลังพื้นฐานในธรรมชาติ ส่วนอื่นๆ ได้แก่ แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ตามชื่อของมัน มันแข็งแกร่งที่สุดในสี่ อย่างไรก็ตาม มันมีช่วงที่สั้นที่สุด ซึ่งหมายความว่าอนุภาคจะต้องอยู่ใกล้มากก่อนที่จะรู้สึกถึงผลกระทบของมัน

• บทความอื่น ๆ : tedbrews.com

ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ทดลองดึงความแรงของแรงออก ซึ่งเป็นปริมาณที่สนับสนุนทฤษฎีอย่างแน่นหนา โดยอธิบายว่ามวลหรือสสารธรรมดาส่วนใหญ่ในจักรวาลถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไร การวิจัยได้ดำเนินการที่โรงงานเร่งความเร็วแห่งชาติ Thomas Jefferson ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (Jefferson Lab)

ปริมาณนี้เรียกว่าการประกบกันของแรงกำลังสูง อธิบายว่าวัตถุสองชิ้นมีปฏิสัมพันธ์หรือ “คู่” ภายใต้แรงนี้มากเพียงใด แรงคัปปลิ้งแรงจะแปรผันตามระยะห่างระหว่างอนุภาคที่ได้รับผลกระทบจากแรง ก่อนการวิจัยนี้ ทฤษฎีต่างๆ ไม่เห็นด้วยกับการกระทำของแรงคัปปลิ้งแรงในระยะทางไกล: บางคนคาดการณ์ว่ามันจะเพิ่มขึ้นตามระยะทาง บางส่วนก็จะลดลง และบางส่วนก็จะยังคงที่

ด้วยข้อมูลของเจฟเฟอร์สัน แล็บ นักฟิสิกส์สามารถระบุแรงคัปปลิ้งกำลังแรงในระยะทางที่ใหญ่ที่สุดได้ ผลลัพธ์ของพวกเขาซึ่งสนับสนุนการทดลองสำหรับการทำนายทางทฤษฎี ได้รับการนำเสนอบนหน้าปกของวารสารParticles เมื่อเร็วๆ นี้

“เรามีความสุขและตื่นเต้นที่ได้เห็นความพยายามของเราได้รับการยอมรับ” Jian-Ping Chen นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ Jefferson Lab และผู้ร่วมเขียนรายงานกล่าวแม้ว่าบทความนี้จะเป็นจุดสิ้นสุดของการเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลเป็นเวลาหลายปี แต่ก็ไม่ได้ตั้งใจตั้งแต่ต้น

ผลพลอยได้จากการทดลองปั่นที่ระยะห่างระหว่างควาร์กที่น้อยกว่า การมีเพศสัมพันธ์แบบแรงจะเล็ก และนักฟิสิกส์สามารถแก้หามันด้วยวิธีวนซ้ำแบบมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม ในระยะทางที่ไกลกว่า แรงคัปปลิ้งแรงจะใหญ่มากจนวิธีการวนซ้ำใช้ไม่ได้อีกต่อไป

“นี่เป็นทั้งคำสาปและพร” อเล็กซานเดร เดียร์ นักวิทยาศาสตร์ของเจฟเฟอร์สัน แล็บ และผู้เขียนร่วมของหนังสือพิมพ์กล่าว แม้ว่าเราจะต้องใช้เทคนิคที่ซับซ้อนกว่านี้ในการคำนวณปริมาณนี้

ซึ่งรวมถึงกลไกที่คิดเป็น 99 เปอร์เซ็นต์ของมวลปกติในจักรวาล (แต่เราจะไปที่นั้นในอีกสักครู่)แม้จะมีความท้าทายที่ไม่สามารถใช้วิธีวนซ้ำ Deur, Chen และผู้เขียนร่วมของพวกเขาได้ดึงการมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งในระยะทางที่ใหญ่ที่สุดระหว่างร่างกายที่ได้รับผลกระทบ

พวกเขาดึงค่านี้จากการทดลองของ Jefferson Lab จำนวนหนึ่งที่ออกแบบมาเพื่อศึกษาสิ่งที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง นั่นคือ การหมุนของโปรตอนและนิวตรอน

การทดลองเหล่านี้ดำเนินการในห้องแล็บของ Continuous Electron Beam Accelerator Facility ซึ่งเป็นสถานที่สำหรับผู้ใช้ DOE CEBAF สามารถให้ลำแสงอิเล็กตรอนแบบโพลาไรซ์ ซึ่งสามารถมุ่งตรงไปยังเป้าหมายพิเศษที่มีโปรตอนและนิวตรอนโพลาไรซ์ในห้องโถงทดลอง เมื่อลำอิเล็กตรอนถูกโพลาไรซ์ นั่นหมายความว่าอิเล็กตรอนส่วนใหญ่หมุนไปในทิศทางเดียวกัน

การทดลองเหล่านี้ยิงลำแสงอิเล็กตรอนแบบโพลาไรซ์ของเจฟเฟอร์สันแล็บที่เป้าหมายโปรตอนหรือนิวตรอนโพลาไรซ์ ในช่วงหลายปีของการวิเคราะห์ข้อมูลหลังจากนั้น นักวิจัยตระหนักว่าพวกเขาสามารถรวมข้อมูลที่รวบรวมเกี่ยวกับโปรตอนและนิวตรอนเพื่อแยกแรง coupling ที่แรงในระยะทางที่ไกลกว่าได้

Chen กล่าว “เฉพาะลำแสงอิเล็กตรอนโพลาไรซ์ประสิทธิภาพสูงของ Jefferson Lab เท่านั้น ร่วมกับการพัฒนาเป้าหมายแบบโพลาไรซ์และระบบตรวจจับที่ช่วยให้เราได้รับข้อมูลดังกล่าว

พวกเขาพบว่าเมื่อระยะห่างระหว่างวัตถุที่ได้รับผลกระทบเพิ่มขึ้น การประกบกำลังอย่างแรงจะเติบโตอย่างรวดเร็วก่อนที่จะปรับระดับและคงที่

“มีทฤษฎีบางอย่างที่คาดการณ์ว่าควรจะเป็นเช่นนั้น แต่นี่เป็นครั้งแรกที่เราเห็นสิ่งนี้จริงๆ” เฉินกล่าว “สิ่งนี้ทำให้เราทราบรายละเอียดว่ากำลังแรงในระดับของควาร์กที่ก่อตัวเป็นโปรตอนและนิวตรอนนั้นทำงานอย่างไร”

การปรับระดับออกรองรับทฤษฎีขนาดใหญ่การทดลองเหล่านี้ดำเนินการเมื่อประมาณ 10 ปีที่แล้ว เมื่อลำอิเล็กตรอนของเจฟเฟอร์สันแล็บสามารถให้พลังงานได้เพียง 6 GeV เท่านั้น สามารถรองรับได้ถึง 12 GeV ต้องใช้ลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานต่ำเพื่อตรวจสอบแรงในระยะทางที่ไกลกว่าเหล่านี้: หัววัดพลังงานต่ำช่วยให้สามารถเข้าถึงมาตราส่วนเวลาที่ยาวขึ้น ดังนั้นจึงมีระยะห่างระหว่างอนุภาคที่ได้รับผลกระทบมากขึ้น

ในทำนองเดียวกัน หัววัดพลังงานสูงก็จำเป็นสำหรับการซูมเข้าเพื่อจับภาพมุมมองของช่วงเวลาที่สั้นลงและระยะห่างระหว่างอนุภาคที่เล็กลง แล็บที่มีคานพลังงานสูง เช่นCERN ห้อง ปฏิบัติการFermi National Acceleratorและห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ SLACได้ตรวจสอบการประกบกำลังแรงในระดับกาลอวกาศที่เล็กกว่าเหล่านี้แล้ว เมื่อค่านี้ค่อนข้างน้อย

มุมมองแบบซูมเข้าของลำแสงพลังงานสูงแสดงให้เห็นว่ามวลของควาร์กมีขนาดเล็ก มี MeV เพียงไม่กี่ตัว อย่างน้อยนั่นคือมวลหนังสือเรียนของพวกเขา แต่เมื่อควาร์กถูกตรวจสอบด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า มวลของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเป็น 300 MeV อย่างมีประสิทธิภาพ

นี่เป็นเพราะว่าควาร์กรวบรวมกลุ่มเมฆกลูออน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีกำลังแรงสูง ขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านระยะทางที่ไกลกว่า ผลกระทบของการสร้างมวลของเมฆนี้มีมวลส่วนใหญ่ในจักรวาล หากไม่มีมวลเพิ่มเติมนี้ มวลของควาร์กตามตำราเรียนจะมีเพียงประมาณ 1% ของมวลโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้น อีก 99% มาจากมวลที่ได้มานี้