بیست و سومین گردهمایی انجمن علمی ژرفا با موضوع «سیر تحولات فیزیک انرژی‌های بالا» روز سه‌شنبه ۲۱ آذر ۱۳۹۶ در سالن جناب دانشکده فیزیک دانشگاه شریف برگزار شد. در این گردهمایی ابتدا آقای دکتر محسن ناصری (پژوهشگر پسادکتری پژوهشکده‌ی ذرات و شتابگرهای پژوهشگاه دانش‌های بنیادی) با موضوع «نگاهی گذرا به یافته‌های تجربی فیزیک ذرات بنیادی» به ارائه سخنرانی خود پرداختند و در ادامه نیز آقای دکتر محمدمهدی شیخ‌جباری (عضو هیئت علمی پژوهشگاه دانش‌های بنیادی «IPM» هستند که به عنوان یکی از چهره‌های سرشناس فیزیک انرژی‌های بالا در کشور، موفق به کسب جوایز و عناوین مختلفی از جمله «چهره‌ی ماندگار فیزیک»، «جایزه‌ی هرمن وایل»، «جایزه‌ی عبدالسلام» گردیده‌اند.) نیز به ایراد سخنرانی جذاب خود با موضوع «مسائل روز در حوزه فیزیک انرژی‌های بالا – ذرات بنیادی و کیهان‌شناسی جهان اولیه» برای حضار پرداختند.

آنچه در ادامه می‌خوانید خلاصه‌ای از سخنرانی دکتر شیخ‌جباری است.

در انتهای صفحه نیز می‌توانید فیلم سخنرانی این دو استاد و تعدادی از عکس‌های روز گردهمایی را مشاهده کنید.

◊

مسائل روز در حوزه‌ی فیزیک انرژی‌های بالا، ذرات بنیادی و کیهان‌شناسیِ جهان اولیه – دکتر محمدمهدی شیخ‌جباری

ایشان در ابتدای صحبت های خود ضمن بحث پیرامون چرخه تولید علم و نیز چگونگی انجام کارهای پژوهشی، بر مهم بودن “مساله” در امر پژوهش تاکید کردند: “اگر جواب سوالی را دانستید ولی خود سوال را خوب نفهمیدید بدانید یک جای کار ایراد دارد.” و نیز اینکه سوالات مطرح در یک حوزه از پیدا کردن شناخت کافی نسبت به آن حوزه حاصل می‌شود و پاسخ دادن به این سوالات، سوالات جدیدتری را پیش پای پژوهشگران قرار می‌دهد.
ایشان با تاکید بر اینکه فرآیند تولید علم یک فرآیند چرخه‌ای است که بخش‌های مختلف در آن دست به دست هم می‌دهند ، سعی در تشریح این بخش‌ها به طور خاص در فرآیند تولید علم فیزیک داشتند: “برای فهمیدن یک مساله در فیزیک باید تئوری داشته باشیم و در چهارچوب تئوری مدل‌سازی کنیم و تحلیل مدل و پیداکردن داده از مدل را انجام دهیم و با آزمایش مطابقت دهیم. در این چرخه آزمایشگر هم داده خود را به تئوری کار می‌دهد و او تحت تاثیر قرار می‌گیرد.”
با این مقدمه ایشان به بیان مسائل مطرح کنونی در حوزه‌های کیهان‌شناسیِ جهان اولیه و ذرات بنیادی پرداختند.

کیهان‌شناسیِ جهان اولیه

دیدگاه رایج در بین کیهان‌شناسان این است که جهان با مهبانگ شروع شده و سپس دوران تورم و دوران بازگرمایش (دوره‌ای که می‌شود آن را به عنوان شروع جهان تلقی کرد.) را طی کرده است. در مرحله بعد جهان منبسط و سرد می‌شود. در حال حاضر تابش زمینه‌ی کیهانی دمای ۲٫۷ کلوین را به ما می‌دهد. جای جای این تصویر جای کنکاش دارد که در ادامه به پاره‌ای ازین دست مسائل اشاره خواهد شد:

حوزه‌ی نظری

مهبانگ: تصور ما این است که جهان با مهبانگ آغاز شده است؛ ما در جاهای مختلف فیزیک “نمی‌دانم” را به شکل‌های مختلفی بیان می‌کنیم و یکی از آن ها مهبانگ است. تنها مساله‌ی واضح این است که مدل‌های نظری ما برای آنجا کار نمی‌کنند چرا که “تکینگی” در مدل‌های فعلی ما وجود دارد. مساله‌ی تکینگیِ مهبانگ یکی از مسائل بنیادیِ فیزیک نظری است.

تورم: آیا به لحاظ تئوری وجود دوره‌ی تورم اجتناب‌ناپذیر است؟ یا ما به خودی خود آن را به چارچوب نظری اضافه کرده‌ایم؟ پدیده‌ی تورم کیهانی چقدر طبیعی است؟ آیا چهارچوب‌های نظریِ موجود، مدل تورم سازگار می‌دهند یا نه؟ آیا برای شروع تورم نیاز به شرایط اولیه خاص داریم یا نه؟

بازگرمایش: ما درباره‌ی دوره بازگرمایش یا پیش‌بازگرمایش چه چیز می‌دانیم؟ گذار از دوره‌ی تورم به پساتورم چگونه انجام شده است؟

ماده‌ی تاریک: دینامیک ماده‌ی تاریک چگونه است؟ نقش ماده‌ی تاریک در تحول عالم اولیه چیست؟

تشکیل ساختارها: از نظر تئوری تشکیل ساختارها چگونه رخ داده است؟

سیاهچاله‌های اولیه: امکان وجود سیاهچاله‌هایی با بازه‌های جرمی مختلف در جهان اولیه هست؛ این سیاه‌چاله‌های اولیه علی‌الاصول چگونه تشکیل شده‌اند؟

تهی‌جاها: مدل‌های نظری در مورد تهی‌جاها چه می‌گویند؟

انرژی تاریک: انرژی تاریک در جاهای مختلفی از کیهان‌شناسی جهان اولیه مطرح می‌شود.

مدل‌سازی و پدیده‌شناسی

تورم: از لحاظ مدل‌سازی، آزمون‌پذیری و تئوری، کدام مدل تورمی موفق‌تر است؟ از طرفی شاید دنبال یک مدل تورمی گشتن کار اشتباهی است. شاید مدل تورمی، برآیند تعداد زیادی مدل است که همه درکار بوده‌اند و ما برآیند آن را دیده‌ایم.

مشاهده‌پذیرهای کیهانی: کار اصلی یک پدیده‌شناس تحلیل مدل و مشخص کردن چیزهایی است که در رصد می‌تواند مشاهده شود. کیهان‌شناسی به خصوص در بیست سال گذشته بر CMB متمرکز بوده‌است. از مطالعه‌ی افت‌وخیزهای آن مطالب زیادی در مورد کیهان‌شناسیِ جهان اولیه آموخته‌ایم اما با توجه به داده‌های اخیر ماهواره‌ی پلانک، احتمالاً دیگر چیز بیشتری نمی‌توان از مطالعه CMB به تنهایی یاد گرفت‌. دوره‌ی کیهان‌شناسی دو بعدی تمام شده است و باید با مطالعه‌ی کیهان‌شناسی سه بعدی، بررسی کرد که از موقع CMB تا حالا چه اتفاقی افتاده است و مشاهده‌پذیرهای کیهانی را شناخت تا بتوان هرچه بیشتر و بیشتر از این مسائل یاد گرفت. یک پرسش اساسی نیز این است که علی‌الاصول دنبال چه مشاهده‌پذیرهای کیهانی می‌توان گشت؟

برخی از مشاهده‌پذیرهای غیر از CMB:
عدم تقارن باریونی: به مدل‌های مختلفی نیاز داریم که توجیه کند چرا جهان بیشتر از ماده درست شده است تا پادماده.
امواج گرانشی در جهان اولیه: در دوره‌ی تورم و یا بعد از آن، هر گذرِ فاز در جهان علی‌الاصول می‌تواند امواج گرانشی تولید کند.

تحلیل داده‌ها

تحلیل داده‌های ترکیبی: کارهای متنوع و جدیدی در این حوزه در حال انجام است. از آنجا که نوع داده‌های کیهان‌شناسی با داده‌های ذرات و شتابگرها فرق دارد، روش‌های تحلیل آن نیز متفاوت است.

ما داده‌های مختلفی برای مشاهده‌پذیرهای مختلف داریم؛ مثلاً بین داده‌های تابش زمینه‌ی کیهانی و داده‌های حرکت ابرنواخترها یا توزیع کهکشان‌ها، تفاوت‌های زیادی وجود دارد و هر کدام خطاهای سیستماتیک و آماری خودشان را دارند. مهم این است که این داده‌ها را با هم ترکیب کنیم و روی مدل قید بگذاریم. برخی تحلیل‌هایی که به این شکل انجام می‌شود عبارتند از: ماده تاریک – تعداد نوترینوها – تشکیل ساختارها و مدل‌های آن

رصد

همانطور که گفته شد به نظر می‌رسد که CMB به تنهایی دیگر نمی‌تواند به ما کمک کند و باید به دنبال مشاهده‌پذیرهای دیگر و رصد آنها رفت. مثلاً: امواج گرانشی جهان اولیه – توزیع خوشه‌های کهکشانی – ساختارهای اولیه – خط ۲۱ سانتی‌متر هیدروژن

توصیه به دانشجویان جوان دانشگاه

معمولا افراد در دوره کارشناسی و کارشناسی ارشد تصور می‌کنند که کار تئوری مهم است و برای کارهای دیگر ارزش کمی قائل می‌شوند. تلاش بر این است که با تاکید بر ۵ حلقه‌ی چرخه تولید علم بیان شود که این تصور درست نیست. فرهنگ عمومی چنین است که تئوری‌کار، کارش خوب است و آزمایشگر را نیز می‌فهمیم چکار می‌کند ولی پدیده‌شناس کسی است که کار تئوری بی‌کیفیت می‌کند. این تفسیر بسیار غلط است چرا که کسی که کار پدیده‌شناسی می‌کند، هم باید تئوری را خوب بلد باشد و هم در آزمایش چیره‌دست باشد.

فیزیک ذرات بنیادی

بخشی از فیزیک ذرات، فیزیک انرژی‌های بالاست و این دو با هم مترادف نیستند؛ مثلاً برای پاسخ به مسأله‌ی وجود ذرات بنیادی دوقطبی مغناطیسی در فیزیک ذرات، باید در دمای تقریباً صفر کلوین آزمایش انجام دهیم.

نظری

چهارچوب‌های مختلفی وجود دارد که در آن مدل‌سازی ذرات انجام می‌شود؛ چهارچوب تثبیت‌شده‌ی فعلی نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی نسبیتی است چون مدل‌های ساخته‌شده در این چهارچوب با مشاهدات مطابقت خوبی داشته‌اند. می‌شود پرسید که آیا این چهارچوب بهترین چهارچوب است یا خیر؟

اصول راهنما: در همین چهارچوب میدان‌های کوانتومی نسبیتی میتوان بینهایت مدل ساخت! اصول راهنمای ما در ساختن مدل چیست؟
– اصول فلسفی: زیبایی و سادگی
– اصول ریاضی: خاصیت‌های جالب تئوری‌های ریاضی یا تقارن‌های خاصی را دارا باشد.
– اصولی بین فیزیک و فلسفه: اصل طبیعی بودن به این معنی که عددهای بی‌بعد این مدل، مرتبه خیلی بزرگ و خیلی کوچک نداشته باشد.

مدل‌سازی و پدیده‌شناسی

مدل استاندارد ذرات بنیادی به جز چند مورد خاص تقریباً تمام داده‌های موجود در حوزه‌های مختلف فیزیک ذرات را به خوبی توضیح می‌دهد. به قولی، مدل استاندارد زیادی خوب کار می‌کند! بعضی‌ها در حوزه‌ی نظری و یا فلسفه علم به این فکر می‌کنند که چرا مدل استاندارد به این خوبی کار می‌کند. با این وجود کاستی‌هایی دارد و خوب است که این کاستی‌ها رفع شود. بعضی از این کاستی‌ها عبارتند از:

ماده تاریک: در مدل استاندارد برای ماده تاریک کاندیدایی وجود ندارد. (البته این را هم باید با دقت بیشتر در موردش صحبت کنیم.)

هیگز: آیا پتانسیل هیگز پایدار است یا خیر؟ و آیا به لحاظ مدل‌سازی خوب است یا خیر؟ (داده‌های موجود می‌گویند که باید شک کرد.)

بخش نوترینوها: در مدل استاندارد اولیه نوترینوها بی‌جرم بودند و حالا می‌دانیم که جرم دارند. این را می‌توان به مدل اضافه کرد بدون اینکه ساختار نظریه به هم بخورد. با این حال، اضافه کردن اطلاعات آزمایشگاهی به مدل نوعی وصله و پینه است و نظریه پیش‌بینی خاصی در این موارد ندارد.

فیزیک هادرون‌ها و QCD: مدل استاندارد را خوب می‌شناسیم و تحلیل‌هایش را هم در چهارچوب نظریه میدان‌های کوانتومی اختلالی انجام می‌دهیم ولی در فیزیک هادرون‌ها چگونگیِ روش تحلیل را نمی‌دانیم.

تعداد پارامترهای آزاد: مدل استاندارد، مدلی‌ست که بیش از بیست پارامتر دارد که باید از بیرون و به کمک آزمایش تعیین شود. برای یک مدل بنیادی فیزیک به نظر می‌رسد این تعداد پارامتر زیاد است و سعی می‌شود که این تعداد کمتر شود و تئوری بنیادی‌تر با پارامترهای کمتر ارائه شود.

تحلیل داده و آزمایش

دو شکل کلی از آزمایش‌ها مطرح هستند: جبهه‌ی انرژی (که با بالا بردن انرژی در شتابگرها و یا نگاه کردن در جهان اولیه و جاهایی که اتفاقات با انرژی بالا رخ می‌دهند) و جبهه‌ی شدت (بالا بردن دقت و شدتِ برخورد بدون بالا بردن انرژی) که این دو مکمل هم هستند و هیچ یک جایگزین دیگری نیست. ولی در جبهه‌ی انرژی محدودیت‌های تکنولوژیک بیشتری وجود دارد.

در بسیاری از آزمایش‌های انجام شده، مساله‌ی ماده‌ی تاریک مطرح است که بیشترِ این آزمایش‌ها روی زمین نیست و به کمک ماهواره‌ها انجام می‌شوند. در مورد نوترینوها هم آزمایش‌های خوبی در حال پیگیری است.
 
 

فیزیک ساهچاله‌ها

این قسمت به دلیل کمبود وقت، مختصر ارائه شد.

نظری و فراتر

حوزه‌ی کلاسیک سیاهچاله‌ها: تئوری نسبیت عام و بررسی جواب‌های سیاهچاله‌ها

حوزه‌ی نیمه‌کلاسیک: جنبه‌های ترمودینامیکی سیاهچاله‌ها

حوزه‌ی کوانتومی: اضافه کردن جنبه‌های کوانتومی به بررسی‌های نسبیتی سیاهچاله‌ها، موارد جالبی از جمله تابش هاوکینگ و تبخیر سیاهچاله‌ها
علاوه بر بخش نظری، در ۵ سال اخیر فیزیک سیاهچاله‌ها وارد بخش‌های مدل‌سازی (گرانش عددی و نیز مدل‌های مختلفِ تشکیل و تحول سیاهچاله)، پدیده‌شناسی (سیاهچاله‌های جهان اولیه و اینکه کاندیدای ماده تاریک باشند) و تحلیل داده و رصد (اموج گرانشی و قرص‌های برافزایشی و بررسی مدل‌های تشکیل و تحول آن‌ها) هم شده‌است.

فیلم سخنرانی دکتر ناصری

فیلم سخنرانی دکتر شیخ‌جباری

عکس‌های روز گردهمایی