در پایان سال ۲۰۲۵، مدل استاندارد هنوز شکسته نشده است

مدل استاندارد ما برای جهان، هم در فیزیک ذرات و هم در کیهان‌شناسی، در حال حاضر دست نخورده باقی مانده است. چه زمانی پایه‌های آن می‌شکنند؟

نکات کلیدی

• در سال‌های اخیر، چالش‌های متعددی به مدل استاندارد جهان وارد شده‌اند: چالش‌هایی برای مادهٔ تاریک، انرژی تاریک، یکنواختی لپتون‌ها، یا حتی خود گسترش جهان.
• با وجود تنش‌های مهم متعدد که می‌توانند سرنخی از فیزیک جدید باشند، مدل استاندارد همچنان دست نخورده باقی مانده است، حتی با داده‌های DESI، تنش هابل، و نتایج جدید LHCb.
• برای پیشرفت واقعی فراتر از مدل استاندارد یا حتی شکستن آن چه نیاز است؟ این مقالهٔ پایان‌سالانه بررسی می‌کند که ما تا چه حد در درک کیهان پیشرفت کرده‌ایم و آینده چه چشم‌اندازی دارد.

هر سال، دانشمندان سراسر جهان صرفاً به‌سوی تقویت دانش موجود و افزایش حجم کلیهٔ اطلاعات نمی‌پردازند؛ گرچه این‌هم‌ین کار را انجام می‌دهند. بخشی از انگیزهٔ علمی، امید است: امیدی که پژوهش‌های شما می‌تواند در نهایت به‌انقلابی در درک ما از واقعیت منجر شود. اگرچه ما به‌دست‌آوردهای بسیاری در فهم این جهان رسیده‌ایم — شامل قوانین و مؤلفه‌های بنیادی آن، و چگونگی ترکیب این مؤلفه‌ها برای ایجاد واقعیتی پیچیده و متنوع که امروز در آن زندگی می‌کنیم — ما همچنان مطمئنیم که چیزهای بیشتری برای یادگیری وجود دارد؛ چرا که تناقض‌های فراوان و معماهای مهمی همچنان بی‌پاسخ مانده‌اند. با هر آزمایش، مشاهدات و دادهٔ جدید، فرصتی برای پیشرفت علمی فراهم می‌شود.

با این حال، بیش از حد و هم برای خوب و هم برای بد، آنچه ابتدا به‌نظر می‌رسید:

• ناهمخوانی بین نظریه و مشاهدات،
• نشانه‌ای با معنی‌داری کم که در صورت تأیید، تصویر توافق‌شدهٔ ما را به چالش می‌کشد،
• یا مجموعه‌ای از مشاهداتی که چارچوبی غیر از مدل استاندارد برای جهان را حمایت می‌کردند،

به‌نظر می‌رسد که این موارد در زمان جمع‌آوری داده‌های جدید، برتر و جامع‌تر، از بین می‌روند یا فروکش می‌کنند. اگرچه در هر سال سرفصل‌های علمی پرحواسی می‌شوند، واقعیت معتدل این است که حقیقت‌های علمی بسیاری همچنان پابرجا هستند، حتی اگر در میان عموم غیر‌دانشمندان محبوبیت کمتری داشته باشند، زیرا مجموعه‌ کامل داده‌ها به‌طور قاطع از آن‌ها حمایت می‌کند.

در مورد جهان، «مدل استاندارد» ما برای فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی همچنان به‌عنوان چارچوب توافقی و پایهٔ بنیادین باقی می‌ماند: نقطهٔ شروع برای تمام پژوهش‌های علمی که امروز انجام می‌دهیم. علیرغم تمام ادعاهای مخالف، مدل استاندارد هنوز شکسته نشده است. دلایل این امر در ادامه آمده است.

تصویری که در بالا می‌بینید، نمایی از مدل استاندارد ذرات جزئی است. اجزای آن شامل:

• شش کوارک، که هر یک در سه رنگ مختلف وجود دارند،
• شش آنتی‌کوارک، که در سه رنگ مخالف (آنتی‑رنگ) وجود دارند،
• لپتون‌های باردار شامل الکترون، میون و تاو به‌همراه هم‌پاره‌های ضد مادهٔشان،
• سه نوع نوترینو: نوترینوی الکترونی، میونی و تاوی به‌همراه آنتی‌نوترینوهایشان،
• ذرات حامل نیرو: یک فوتون، سه بوزن سنگین W و Z ضعیف، و هشت گلوون،
• همچنین بوزن هیگز منفرد،

که از طریق نیروهای الکترومغناطیسی، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف، و همچنین گرانش با یکدیگر تعامل می‌کنند. در انرژی‌های بالا، نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف ترکیب می‌شوند تا نیروی الکتروضعیف را تشکیل دهند.

این چارچوب با این حال همه چیز را توضیح نمی‌دهد. معماهایی شامل ریشه و ماهیت مادهٔ تاریک، ماهیت انرژی تاریک، وجود مادهٔ بیشتر نسبت به ضد ماده (معمای باریوجن)، و مشکل سلسله‌مراتبی: عدم وجود مکانیزمی برای توضیح مقادیر جرم‌های ایستایی هر یک از این ذرات. در طول سال، سؤالات متعددی پیرامون مدل استاندارد پیش‌رو بودند و این‌که آیا این مدل در برابر داده‌های جدید در پایان سال پابرجا می‌ماند یا تحت چالش قرار می‌گیرد.

این بازسازی ۲۰۱۶ از یک رویداد LHCb نشان می‌دهد که یک باریون حاوی کوارک b تجزیه شد و یک باریون حاوی کوارک s به‌همراه سایر مزون‌ها تولید شد. با مشاهدات کافی از این تجزیه‌ها، همکاری LHCb در سال ۲۰۲۵ توانست برای نخستین بار شواهدی از تخلف CP در باریون‌ها را نشان دهد.

به‌عنوان مثال، می‌دانستیم که تخلف CP، یا تفاوت در رفتار ماده نسبت به ضد ماده زمانی که تصویر آینه‌ای آن‌ها را می‌گیریم، در طبیعت رخ می‌دهد؛ این پدیده در کوارک‌های عجیبی، چارمی و بَتوم در انواع مختلف مزون‌ها مشاهده شده است. اما آیا تخلف CP، که برای توضیح باریوجن ضروری است، در باریون‌های هر نوعی نیز ظاهر می‌شود؟ در سال ۲۰۲۵، فیزیک‌دانان مشارکت‌کننده در همکاری LHCb نشان دادند که بله، تخلف CP در باریون‌ها واقعاً وجود دارد و شواهدی از آن در تجزیه دو باریون حاوی کوارک b یافت شد. این چالش احتمالی برای مدل استاندارد بالا رفت و سپس فرو رفت، نشان داد که نیازی به فیزیک فراتر از مدل استاندارد برای توضیح رفتار این ذرات نیست.

به‌عنوان مثال، فکر می‌کردیم که در مقدار گشتاور مغناطیسی میون ناهنجاری وجود دارد و این‌که آزمایش پیشرفته‌ای در فرمی‌لب به‌نام تجربه g‑2 میون نهایتاً به ما امکان می‌دهد تا به معنی‌داری لازم برای مشاهده اختلاف میان نظریه و آزمایش دست پیدا کنیم. اگرچه این آزمایش به‌درستی به دقت مطلوب رسید، بهبودهای اخیر در روش‌های نظری برای محاسبهٔ مقدار پیش‌بینی‌شده باعث تغییر در پیش‌بینی‌ها شد و اکنون نظریه و آزمایش هم‌راستا هستند. این فرصت دیگری برای به چالش کشیدن مدل استاندارد بود، اما نتایج نشان دادند که پیش‌بینی‌های مدل استاندارد واقعاً با واقعیت مطابقت دارد.

پس از این، مسیر پیش رو چیست؟ آیا این به معنای این است که مدل استاندارد به‌سادگی پابرجاست؟ ما مسیرهای دیگری را که ممکن است این مدل را زیر سؤال ببندند بررسی کرده‌ایم، اما آزمایش‌های ما همچنان با پیش‌بینی‌ها هم‌راستا هستند. در سال جاری ما راز وزن‌های نوترینوها را به‌دست‌آمده‌ترین محدودهٔ ممکن محدود کردیم و هیچ نشانه‌ای از رخداد «نوآورانه» دیگری جز نوسان بین سه طعم شناخته‌شدهٔ نوترینو مشاهده نشده است. هنوز دلایل قانع‌کننده‌ای وجود دارد که معتقدیم شاید نوترینوها روزی نور به معماهای فعلی ما در مورد جهان بیفکنند؛ اما این روز تا سال ۲۰۲۵ هنوز نرسیده است.

اما نظریه‌های فراتر از مدل استاندارد یا گسترش‌های آن چه می‌شوند؟ ایده‌ای محبوب که در سال ۲۰۲۵ به‌دست آوردن توجه کرد، به نام «هندسهٔ مثبت» شناخته می‌شود که ادعا می‌کند مسیری به سوی نظریهٔ همه چیز است. شاید این ایده روزی پرثمر باشد، اما در حال حاضر فقط یک ایدهٔ دیگر در «صندوق رایت» است: یکی از بسیاری که امیدوارند موفقیت‌های مدل استاندارد را بازآفرینی کنند و در عین حال پدیده‌هایی را توضیح دهند که مدل استاندارد قادر به شرح آن‌ها نیست. با این حال، دلایل قوی برای این باور وجود دارد که همانند بسیاری از نظریه‌های دیگر که مدل استاندارد را در بر می‌گیرند اما گسترش می‌دهند، این نظریه نیز پیش‌بینی‌هایی خواهد داشت که به‌خوبی با واقعیت هم‌راستا نیست.

مطمئناً همیشه نظریه‌های جدیدی پیشنهاد می‌شوند، اما با ظهور مدل‌های زبانی بزرگ (LLMها)، نظریه‌های بی‌سابقه‌تری به‌طور مداوم به عرصه می‌آیند و باعث افزایش «نوفه» در دریای پرنوفه‌ای می‌شوند که نظریه‌پردازان تا حد اضطراری در جستجوی نشانهٔ واقعی هستند.

در سمت کیهان‌شناسی، همان مجموعه معماها پابرجا است:

• ریشه و ماهیت مادهٔ تاریک،
• ویژگی‌ها و ثبات (یا عدم ثبات) انرژی تاریک،
• ریشهٔ عدم تقارن ماده‑ضد ماده،

به‌علاوه، سایر معماهایی که صرفاً بر پایهٔ مشاهدات پدید آمده‌اند:

• جدال دربارهٔ نرخ گسترش کیهانی،
• ریشهٔ غبار کیهانی،
• وفور و روشنایی کهکشان‌های اولیه،
• آیا پیش‌بینی‌های آزمون‌نشدهٔ تورم کیهانی واقعیت ما را توصیف می‌کند،
• و آیا انرژی تاریک در حال تکامل است یا نه؛ این سؤال به‌ویژه توسط مشاهدات اخیر DESI تحریک شده است.

بسیاری پیشاپیش تصمیم گرفته‌اند — چه درست باشد چه نباشد — که معماهای بسیار زیادی وجود دارد و نشان‌های فراوانی بر این باور وجود دارد که مدل استاندارد کافی نیست، و این تصویر توافقی را زیر سؤال می‌برد.

این انیمیشن از نقشهٔ سه‌بعدی DESI برای ساختار بزرگ‌مقیاس جهان، که بزرگ‌ترین نقشهٔ تا به‌حال ساخته‌شده است، به‌منظور مطالعهٔ انرژی تاریک و امکان تکامل آن ایجاد شد. اما اگرچه آن‌ها شواهدی برای تکامل انرژی تاریک یافتند، این احتمالاً به‌دلیل این است که فرض می‌شود تکامل انرژی تاریک عامل اختلاف داده‌ها با مدل کیهانی استاندارد ما است؛ این لزوماً صحیح نیست.

اما این لزوماً روشی نیست که ما بر مبنای علمی مسایل را تصمیم می‌گیریم. به‌ویژه، تعداد زیادی از مشاهدات توصیفی و تنش‌های نظری — که به‌صورت فردی معنی‌داری کمی دارند — می‌تواند ترفندی نادرست برای استدلال‌های علمی باشد. در عوض، داده‌های قوی‌ترین و مهم‌ترین هستند و ما را به تصمیم‌گیری دربارهٔ مسائلی که بحث‌برانگیزند، هدایت می‌کنند.

به‌عنوان مثال، در مورد نتایج DESI که تماماً دربارهٔ سؤال این است که آیا انرژی تاریک با ثابت کیهانی مطابقت دارد یا داده‌ها نشان‌دهندهٔ نوعی تکامل در ویژگی‌های انرژی تاریک هستند، معنی‌داری کافی وجود ندارد. DESI بزرگ‌ترین نظرسنجی عمیق ساختار بزرگ‌مقیاس تا به‌حال است که صورت گرفته است و کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی و تارهای کیهانی را با جزئیات بیشتری از پیش نشان می‌دهد. با این حال، به‌تنهایی «شواهد» برای انرژی تاریک تکامل‌پذیر از DESI تنها حدود ۲ سیگما معنا دارد؛ در حالی که برای اعلام کشف، ۵ سیگما لازم است. فقط با ترکیب این داده‌ها با سایر مجموعه‌ها، مانند CMB و داده‌های ابرنواهای، معنیداری افزایش می‌یابد، اما حتی در این صورت هم به‌دست‌آورد ۵ سیگما نمی‌رسد. (علاوه بر این، ترکیب با برخی داده‌های ابرنوا، حتی معنیداری را کاهش می‌دهد.) ممکن است که انرژی تاریک به‌طور واقعی تکامل یابد، اما ما باید شواهد را از نظرسنجی‌های بزرگ‌تری نظیر Vera Rubin، Euclid، SPHEREx و تلسکوپ آیندهٔ Nancy Roman دریافت کنیم.

بسیاری از افراد سؤال کرده‌اند که آیا تورم کیهانی تصویر صحیحی برای تنظیم و آغاز انفجار بزرگ داغ است؛ و انتقادات زیادی به تورم وارد شده است، از جمله توسط یکی از مؤسسان آن. با این حال، این انتقادات نمی‌توانند موفقیت‌های تورم را که شامل پیش‌بینی مسطح بودن فضایی با دقت حداقل ۹۹.۹۹٪، پیش‌بینی حداکثر دمایی که در آغاز انفجار بزرگ وجود دارد و به‌طور واضح زیر مقیاس پلنک است، پیش‌بینی طیفی تقریباً (اما نه کاملاً) مقیاس‌ناوردا، و نوسان‌های آداپتیک در مقیاس‌های فراتر از افق می‌شوند، تضعیف کنند. هیچ‌یک از این‌ها را نمی‌توان بدون یک دورهٔ تورمی در یک انفجار بزرگ داغ توجیه کرد. شواهدی که از تورم حمایت می‌کنند بسیار قوی‌اند و به همین دلیل همان‌قدر در میان متخصصان به‌عنوان مادهٔ تاریک یا انرژی تاریک پذیرفته‌شده‌اند.

در کیهان بسیار دوردست، ما کهکشان‌های دورتر از همیشه را دیده‌ایم، حتی رکورد بیشترین دوری یک کهکشان تک‌کاره که در سال ۲۰۲۵ کشف شد را شکسته‌ایم. بسیاری ادعا کرده‌اند که این کهکشان‌های اولیه و دوردست، که به‌صورت فراوان ظاهر می‌شوند، مدل استاندارد کیهان‌شناسی را رد کرده‌اند. اما دوباره، این برداشت علمی واقعی نیست. ما به‌جای آن دریافته‌ایم که ترکیب استاندارد از ساختار تشکیل، با عنصر کلیدی مادهٔ تاریک، می‌تواند اشیائی که می‌بینیم را تولید کند به‌شرط اینکه پدیده‌های انفجار ستاره‌ای و افزایش روشنایی ناشی از فعالیت یک سیاه‌چالهٔ فوق‌جرم مرکزی را در نظر بگیریم. این کهکشان‌های اولیه که گاهی به‌عنوان «نقطه‌های قرمز کوچک» شناخته می‌شوند، با مدل استاندارد کیهان‌شناسی ما سازگارند.

این کهکشان‌های اولیه، و به‌ویژه تعداد آن‌ها که باید کارخانه‌های ابرنوا باشند، می‌تواند فراوانی و ظاهر غبار کیهانی که در اوایل ظاهر می‌شود را نیز توضیح دهد. این غبار کیهانی به‌طور نامساوی در طول زمان کیهانی توزیع شده است؛ کهکشان‌های کم‌غبار، که به‌عنوان GELDAs شناخته می‌شوند، نمایانگر:

• ۸۳٪ از تمام کهکشان‌های جوان‌تر از ۵۵۰ میلیون سال،
• ۲۶٪ از کهکشان‌های بین ۵۵۰ میلیون تا ۱.۵ میلیارد سال سن،
• و تقریباً هیچ کهکشان‌­ای با سن بیش از ۱.۵ میلیارد سال وجود ندارد.

در طول سال، افراد متعددی ادعاهایی مطرح کرده‌اند که تصویر استاندارد وجود مادهٔ تاریک را زیر سؤال می‌برند. اما ما می‌دانیم که جهان بدون مادهٔ تاریک به‌طرز شگفت‌انگیزی متفاوت خواهد بود و چندین واقعیت مشاهداتی عمیق وجود دارد که بدون حضور مادهٔ تاریک نادرست می‌شوند.

به‌ طور مشابه، برخی سؤال کرده‌اند که آیا تابش زمینهٔ مایکروویو کیهانی (CMB) واقعاً منبع کیهانی دارد یا خیر. اما به‌صراحت نشان داده شده است که توضیح‌های غیرکیهانی برای CMB به‌طرز چشمگیری شکست می‌خورند، و نوسان‌های CMB بطور خاص شواهد بسیار قوی‌ای هستند که نشان می‌دهند این پدیده‌ها با ساختارهای غباردار و پرستاره‌ای که در دوره‌های زمان‌دار بعدی شکل می‌گیرند، مرتبط نیستند.

در همین حین، در حوزهٔ سیاه‌چاله‌ها، ما اکنون صدها ترکیب سیاه‌چاله را با آشکارسازهای امواج گرانشی مانند LIGO مشاهده کرده‌ایم و این مشاهدات با مدل استاندارد کیهان‌شناسی سازگارند؛ شواهدی از این داده‌ها نشان نمی‌دهد که تصویر کنونی ما از جهان نیاز به بازنگری داشته باشد. و علیرغم ادعاهای برخی کلاکارهای مشهور، تازه‌ترین «دست‌نوشتهٔ بین‌ستاره‌ای» در منظومهٔ خورشیدی ما، دنبالهٔ ۳I/ATLAS، چیزی جز یک دنبالهٔ بین‌ستاره‌ای نیست. هیچ نشانه‌ای از فیزیک جدید، فناوری بیگانه، شتاب‌های غیرعادی یا هر ادعای دیگری که به‌همراه آن مطرح شده، مشاهده نمی‌شود.

اما یک معما همچنان مهم است و شاید نشانه‌ای واقعی از فیزیک جدید باشد: تنش هابل. علیرغم ادعای یک ستارهٔ افسانه‌ای، حتی ستاره‌ای که گفته می‌شود هنوز نتوانسته‌ایم به درجه‌ای رسیده باشیم که تنش هابل نشانگر یک مشکل واقعی برای کیهان‌شناسی باشد، واقعیت این است که تقریباً در هر روشی که مقیاس‌سنجی فاصله‌ای را ترکیب می‌کنیم، تمام نتایج به یک نتیجهٔ مشترک می‌رسند: اینکه جهان با سرعتی بسیار بالاتر از آنچه روش‌های «بقایا» مبتنی بر CMB یا BAO می‌آورد، گسترش می‌یابد. به‌جای مقدار ۶۷ km/s/Mpc، آنها مقدار ۷۳‑۷۴ km/s/Mpc یا بیشتر را به‌دست می‌دهند که معمایی دربارهٔ محتوای جهان ایجاد می‌کند و ما را وادار می‌کند این سؤال کنیم که آیا انرژی تاریک ثابت است یا نه.

در پایان سال ۲۰۲۵، اگر تمام کاری که کرده‌اید این باشد که خبرهای علمی عمومی را مصرف کنید، ممکن است این تصور به‌ ذهن‌تان برسد که مدل استاندارد—چه در فیزیک ذرات و چه در کیهان‌شناسی—پُر از حفره‌هاست و تیم‌های مختلفی به‌صورت کامل آن را رد کرده‌اند. این‌چنین نیست؛ مدل استاندارد بارها با شدیدترین حملات مواجه شده اما با استفاده از بزرگ‌ترین مجموعه داده‌های با کیفیت بالا، همه آن‌ها را رد کرده است. اگرچه معماهای بسیاری در مورد آنچه هم‌اکنون می‌دانیم وجود دارد، مدل استاندارد تقریباً هیچ نقطه ضعفی ندارد.

قطعا دوست داریم توضیح کامل پشت تنش هابل را کشف کنیم. دوست داریم بدانیم آیا شواهد DESI پیش‌درآمدی برای یک انقلاب است یا فقط نوسان کوتاه‌مدت در داده‌ها. دوست داریم بدانیم ماهیت مادهٔ تاریک و انرژی تاریک چیست و عدم تقارن ماده‑ضد ماده کیهان چگونه به‌وجود آمده است. دوست داریم بفهمیم خواص اصلی نوترینوها چه هستند و آیا آنها به‌هر یک از این معماها مرتبطند یا نه. و دوست داریم به‌جای حدس‌و‌گمان دربارهٔ آنچه می‌تواند فراتر از مدل استاندارد باشد، دانش واقعی داشته باشیم: داده‌هایی که به‌وضوح پاسخ را نشان می‌دهد.

تمام این‌ها نیاز به سرمایه‌گذاری در علم دارد؛ در آزمایش‌ها، در رصدخانه‌های جدید، در کشف مرز فیزیک بنیادی فراتر از جایی که تا کنون به‌آن دست یافته‌ایم. آیا ما سازندهٔ شتاب‌دهنده‌های جدید، رصدخانه‌های فضایی و زمینی جدید، آشکارسازهای جدید، و امکانات جدیدی خواهیم شد که بتواند عمیق‌ترین سؤال‌های ما را پاسخ دهد؟ این گزینه برای رشد دانشمان به‌صورت نوآورانه وجود دارد: در این سال و هر سال آینده. اینکه آیا این مسیر را ادامه می‌دهیم یا نه، به عهدهٔ همهٔ ماست.