صفر تا صد بوزون هیگز به زبان ساده
در ۴ ژوئیه سال ۲۰۱۲ بود که دانشمندان آزمایشگاه سرن «CERN» در نزدیکی ژنو سوییس ذرهای به نام بوزون هیگز «Higgs boson» را کشف و به جهانیان معرفی کردند، ذرهای که وجود آن منشا جرم را آشکار می‌کرد!
کشف ذره هیگز شروع یک ماجرای هیجان‌انگیز
وجود ذره‌ی هیگز اولین بار در سال ۱۹۶۴ به عنوان نشانه‌ای از فرآیند جرم‌دهی به ذرات بنیادی پیش‌بینی شد اما برای اثبات وجود این ذره از دنیای تئوری به واقعیت، فیزیکدانان آن زمان باید منتظر ساخت برخورددهندهی بزرگ هادرونی (LHC) می‌بودند تا اینکه در سال ۲۰۱۰ بالاخره LHC ساخته شد و شروع به درهم کوبیدن پروتون‌ها با انرژی‌های بسیار بالا کرد؛ در حالی که دو آشکارساز ATLAS و CMS آشکارسازی ذرات (جت‌های) حاصل از برخورد پروتون‌ها را دنبال می‌کردند. کشف هیگز مشابه قطعه‌‌ی گمشده‌ی پازلِ مدل استاندارد فیزیک «The Standard Model» بود که جای خالی آن بالاخره پُر شد.
مدل استاندارد فیزیک یکی از موفق‌ترین نظریه‌ها در مورد ذرات بنیادی شناخته شده و برهمکنشهای بین آن‌ها است. به طور کلی ذرات بنیادی به عنوان بلوک‌های سازنده‌ی اتم‌ها در نظر گرفته می‌شود که نیروهای اصلی طبیعت از جمله نیروی الکترومغناطیسی را منتقل می‌کنند. در این بین جالب است بدانید که درک سازوکار و جرم این ذرات کلید درک رفتار آن‌هاست. به عنوان مثال فرض کنید الکترون‌ها هیچ جرمی نداشتند، در چنین حالتی هیچ اتمی تشکیل نمی‌شد! بدون وجود بوزون هیگز و درک برهمکنشهای آن، یکی از موفق‌ترین تئوری‌های دانشمندان یعنی مدل استاندارد فرو می‌پاشید. بنابراین طبیعی بود که با کشف بوزون هیگز این خبر سرفصل اخبار علمی سراسر جهان را به خود اختصاص دهد! پس از آن و در حدود یک سال بعد از این کشف، جایزه نوبل برای فرانسوا انگلرت «François Englert» و پیتر هیگز «Peter Higgs» به خاطر ارائه‌ی تئوری هیگز به ارمغان آمد.
در ۴ جولای سال ۲۰۱۲ در آزمایشگاه فیزیک ذرات (سرن)، دانشمندان کشف بوزون هیگز را به صورت رسمی اعلام کردند. در این تصویر فیزیکدان لین ایوانز (نفر دوم از سمت چپ) که ساخت برخورددهندهی بزرگ هادرونی را رهبری می‌کند در کنار مدیران سابق سرن این کشف را جشن می‌گیرند.
حال بیش از حدود ۱۰ سال از آن روز می‌گذرد و فیزیکدانان طی این سال‌ها با بررسی فهرستی از چیزهایی که درباره‌ی بوزون هیگز می‌دانند از جمله ویژگی‌ها و نحوه‌ی برهم‌کنش این ذره با دیگر ذرات سعی در درک بهتر آن دارند. لازم به ذکر است که اگرچه اندازه‌گیری‌های حال حاضر با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد در تطابق بوده است، اما اگر در آینده اختلافاتی مشاهده شود، ممکن است به این معنا باشد که هنوز ذرات ناشناخته‌‌ی دیگری وجود دارند که کشف نشده‌اند! البته با کشف این بوزون سوالات دیگری از جمله برهم‌کنش بوزون هیگز با خودش هم پیش آمد که پاسخ به آن به شناسایی ویژگی‌های دیگر هیگز و کسب داده‌های بیشتر کمک می‌کند.
هم‌اکنون LHC ارتقا یافته است و با انرژی ۱۳.۶ تریلیون الکترون‌ولت به کار خود به منظور جمع‌آوری داده‌های بیشتر تا سال ۲۰۲۶ ادامه می‌دهد. لازم است بدانید که اهمیت استفاده از برخوردهنده‌هایی با انرژی‌های بالاتر فرصت شناسایی شناسایی ذرات سنگین‌تر را ایجاد می‌کند. درواقع پیدا کردن یک ذره‌ی جدید، به معنی پایان نیست، بلکه آغاز ماجراست.
مدل استاندارد ذرات
مدل استاندارد ذرات تئوری است که بر چگونگی رفتار ذرات بنیادی شناخته شده و برهمکنشهای آن‌ها دلالت دارد. این مدل از ۱۷ ذره‌ی بنیادی تشکیل شده است که بسیاری از آن‌ها دارای خواهرزاده‌های ضد ذره هستند. فرمیون‌ها یا ذرات سازنده‌ی ماده شامل شش نوع کوارک (بخشی با رنگ آبی) و شش نوع لپتون (بخشی با رنگ صورتی) هستند. از طرفی بوزون‌ها یا ذرات حامل نیرو (بخش نارنجی) ذراتی هستند که نیروهای اصلی طبیعت را منتقل می‌کنند. در این میان بوزون هیگز جایگاه ویژه‌ای دارد و منشا جرم ذرات را توضیح می‌دهد.
- برای اطلاعات بیشتر روی بخش‌های رنگی نمودار زیر کلیک کنید تا توضیحات هر بخش را ببینید؛ همچنین روی کلید ماده/ضدماده ضربه بزنید تا پادذره‌ی هر ذره را مشاهده کنید.
معنی جفت‌شدگی در فیزیک ذرات
مطالعه‌ی بوزون هیگز درست مانند پیدا کردن گنج است، همانطور که جویندگان طلا با استفاده از دستگاه جی‌پی‌اس برای کشف ذخایر پنهانی از جواهرات تلاش می‌کنند، فیزیکدانان هم از درایت خود برای کشف گنجینه‌ای همچون بوزون هیگز استفاده می‌کنند. مطالعه‌ی دقیق بوزون هیگز می‌تواند در حل معماهایی که مدل استاندارد قادر به توضیح آن‌ها نیست بسیار کمک‌کننده باشد؛ درواقع فیزیکدانان به خوبی آگاهند که این مدل محدودیت‌های خاص خود را دارد. به عنوان مثال، مدل استاندارد هیچ توضیحی برای ماده تاریک ندارد؛ ماده‌ای که در اطراف کیهان پخش شده است و این قابلیت را دارد که کشش گرانشی لازم برای توضیح انواع مشاهدات نجومی را فراهم کند. همچنین این مدل پاسخی برای چرایی تشکیل جهان از ماده و نه ضد ماده ندارد. با توجه به همین پاشنه آشیل‌ها هم، راه‌حل‌های پیشنهادی برای این مشکلات نیاز به شناخت ذرات جدیدی به منظور تغییر نحوه‌ی برهم‌کنش هیگز با ذرات شناخته شده دارد.
همانطور که می‌دانید بوزون هیگز خود مسئول جرم نیست، بلکه این میدان هیگز است که به ذرات جرم می‌دهد! طبق فیزیک کوانتومی، همه‌ی ذرات حاصلِ میدان‌های نامرئی‌ای (که مشابه با موج‌هایی در فضا است) در فضا هستند، در این میان بوزون‌های هیگز همچون نقاط متورمی در میدان هیگز هستند که کل کیهان را فرا گرفته است. با توجه به همین شرایط وقتی ذرهای بنیادی با میدان هیگز برهم‌کنش می‌کند، جرم به دست می‌آورد. بنابراین اگر ذرهای پُر جرم در دنیا می‌بینید به این دلیل است که با میدان هیگز و بوزون هیگز برهم‌کنش قوی‌تری داشته است. ذرات بدون جرم، مانند فوتون‌ها به هیچ وجه مستقیماً با میدان هیگز برهم‌کنشی نداشتند.
در همین راستا یکی از بهترین راه‌ها برای جمع‌آوری اطلاعات بیشتر در مورد هیگز، اندازه‌گیری همین برهم‌کنش‌هاست که به عنوان کوپلینگ یا جفت‌شدگی «coupling» شناخته می‌شوند. پارامتر جفت‌شدگی مشخص می‌کند که هیگز می‌تواند به چه ذراتی واپاشی کند، چه ذراتی می‌توانند برای تولید بوزون‌های هیگز با هم ترکیب شوند و این فرآیندها با چه ضریبی احتمال رخداد دارد. درواقع دانشمندان پارامتر جفت‌شدگی را با تجزیه و تحلیل جت‌های تولید شده در هنگام ظهور بوزون‌های هیگز در فرآیند کوبیدن پروتون‌ها اندازه‌گیری می‌کنند. حتی اگر ذرات ناشناخته به حدی سنگین باشند که فعلا نتوان در LHC آن‌ها را دید با وجود جفتشدگیهای هیگز می‌توان وجود آن‌ها را آشکار کرد.
آزمایش ATLAS یکی از دو آشکارساز برای مشاهده‌ی نشانه‌های قطعی بوزون هیگز بود. در این اتفاق که در ۱۰ ژوئن ۲۰۱۲ ثبت شده است، در سه نمای مختلف ذره‌ی کاندید هیگز به چهار میوآن (مسیرهای قرمز رنگ) واپاشی کرده است.
به طور کلی فیزیکدانان از قبل نسبت به بررسی و اندازه‌گیری جفتشدگیهای ذرات بنیادی که شامل هر دو دسته‌ی اصلی یعنی بوزون‌ها (ذرات حامل نیرو) و فرمیون‌ها (ذرات سازنده‌ی ماده همچون الکترون‌ها) می‌شود، علاقه‌مند بوده‌اند. همچنین اندازه‌گیری‌هایی بر روی برهمکنشهای هیگز با یکی از خواهرزاده‌های سنگین الکترون به نام تااو (فرمیون) و با بوزون‌های W و Z (ذراتی که حامل نیروی ضعیف هسته‌ای و مسئول واپاشی‌های رادیواکتیو هستند!) انجام شده است. جفتشدگیهای هیگز با کوارک بالا و پایین هم قابل توجه است، چراکه این کوارک‌ها در بین شش نوع کوارک شناخته شده در طبیعت مسئول تشکیل ذرات بزرگتری مانند پروتون و نوترون هستند. به یاد داشته باشید که میدان هیگز مسئول جرم‌دهی به ذرات بنیادی است، اما جرم ذرات مرکب از جمله پروتون‌ها و نوترون‌ها، بیشتر از طریق انرژی ذراتیست که در اطراف آن‌ها وجود دارد.
میدان هیگز مسئول جرم‌دهی به ذرات بنیادی است، اما جرم ذرات مرکبی همچون پروتون‌ها و نوترون‌ها، بیشتر از طریق انرژی ذراتی است که در اطراف آن‌ها پرسه می‌زند.
اصولا پارامترهای جفت‌‌شدگی‌ای که تاکنون اندازه‌گیری شده‌اند، شامل ذرات بنیادی سنگین‌تر در مدل استاندارد می‌شوند. به عنوان مثال کوارک بالا تقریباً به اندازه‌ی کل اتم طلا سنگین است؛ از طرفی از آنجایی که هیگز به شدت تمایل دارد تا با ذرات سنگین جفت شود، اندازه‌گیری این دست از برهم‌کنش‌ها آسان‌تر است. در مرحله بعد، از آنجایی که فیزیکدانان علاقه‌مند به اندازه‌گیری جفت‌شدگی ذرات سبک‌تر هم هستند آشکارسازهایی همچون ATLAS و CMS برای مشاهده‌ی نشانه‌هایی از واپاشی هیگز به میوآن‌ها «muons» خواهر و برادرهای متوسط وزنِ الکترون‌ها (سبک‌تر از تااو« tau» اما سنگین‌تر از الکترون)، ساخته شده‌اند.
نتیجه‌ی مطالعات مختلف، شواهدی را نشان می‌دهد که احتمالا ذره‌ی میوآن قابلیت برهم‌کنش با ذره‌ی هیگز را دارد!
همچنین اندازه‌گیری ضریب جفت‌شدگی کوارک‌های افسون «charm quarks» که نسبت به کوارک‌های بالا و پایین کم جرم‌تر هستند هم حائز اهمیت است و دانشمندان به دنبال آن هستند. طی همین بررسی‌ها به نظر می‌رسد که تاکنون بوزون هیگز با مدل استاندارد مطابقت داشته، اما ممکن است در آینده اختلافاتی مشاهده شود که هنوز شناسایی نشده است.
چک لیست برهم‌کنش‌ها
مطالعه‌ی چگونگی برهم‌کنش بوزون هیگز با ذرات دیگر یکی از راه‌های آزمایش پیش‌بینی‌های مدل استاندارد ذرات است. فیزیکدانان برهمکنشهای هیگز یا جفتشدگیهای این ذره را با پنج ذره‌ی مدل استاندارد (به رنگ صورتی تیره در تصویر) اندازه‌گیری کرده‌اند و شواهد اولیه‌ای از جفت‌شدگی با ذره ششم هم دیده می‌شود. به طور کلی در بحث جفتشدگیهای ذره‌ی هیگز، ذرات سنگین‌تر اولین هدف‌ها هستند، چراکه با بوزون هیگز برهم‌کنش قوی‌تری دارند (همانطور که در نمودار مشاهده می‌شود)، بنابراین اندازه‌گیری آن آسان‌تر است. لازم به ذکر است که تاکنون، تمام جفتشدگیهای اندازه‌گیری شده با پیش بینی‌های مدل استاندارد توافق دارد.
آیا بوزون هیگز ذرهای منحصر‌به‌فرد است؟
قبل از اینکه LHC شروع به کار کند، دانشمندان نظریه‌ای دردانه‌ای داشتند که به واسطه‌ی آن مشکلات مدل استاندارد را حل می‌کردند و آن چیزی به جز تئوری ابرتقارن «supersymmetry» نبود. در این نظریه هر ذره‌ی شناخته شده، یک ذره‌ی شریک کشف نشده، دارد، بنابراین فیزیکدانان امیدوار بودند که با شروع به کار LHC بتوانند این شرکای مرموز را پیدا کنند، اما تا به امروز هنوز هیچ کدام از این ذرات پیدا نشده است. اگرچه ابرتقارن به طور کامل رد نشده است، اما احتمالات اثبات آن بسیار محدودتر قبل شده است. بنابراین با وجود عدم اجماع در میان فیزیکدانان و با وجود بسیاری نظریه‌های مختلف و فراتر از مدل استاندارد این روزها تمرکز بیشتر به سمت بوزون هیگز رفته است. در همین راستا فیزیکدانان امیدوارند که مطالعات بر روی بوزون هیگز چیزهایی فراتر از مدل استاندارد را نمایش دهد!
در این میان یکی از سوالاتی که دانشمندان در LHC در حال بررسی آن هستند این است که آیا هیگز واقعا ذرهای منحصر به فرد است یا خیر! در حالت کلی تمام ذرات بنیادی شناخته شده در عالم شکلی از تکانه‌ی زاویه‌ای کوانتومی به نام اسپین دارند. بوزون هیگز هم ذرهای با اسپین صفر است و همین مشخصه هم این ذره را به عنوان ذرهای اسکالر معرفی می‌کند. در عین حال بنابر آنچه مطرح شد ممکن است سایر اعضای خانواده‌ی این ذره هم ذراتی اسکالر باشند که تا کنون از چشم ما پنهان بوده‌اند.
از طرفی ذکر این ایده هم خالی از لطف نیست که ممکن است هیگز ذرهای بنیادی نباشد و حاصل از ترکیب ذراتی مشابه با کوارک‌ها، به عنوان ذرات بزرگتر و با اسپین صفر باشد؛ یا شاید هیگز مانند ذرات اسکالر دیگر از از اجزای کوچکتری که هنوز ناشناخته‌اند، تشکیل شده باشد. در حالی که فیزیکدانان در جستجوی این پاسخ‌ها هستند، هر گونه برهم‌کنش هیگز با سایر ذرات به دقت بررسی می‌شود. در این میان در سال ۲۰۲۱، آزمایش جی دوی میوآن «Muon g−۲» در فرمی‌لب گزارش کرده است که میوآن‌ها دارای خواص مغناطیسی خاصی هستند که با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد مطابقت ندارد. همچنین نتیجه‌ی یکسری مطالعات و آزمایش‌ها در آوریل سال ۲۰۱۱ نشان داد که جرم بوزون W سنگین‌تر از آن چیزی است که مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند. با توجه به همین شرایط هم می‌توان اذعان داشت که بوزون هیگز می‌تواند دری به اسرار جدیدی باشد که هنوز کشف نشده است.
آشکارساز CMS، یکی از آشکارسازهایی است که بوزون هیگز را کشف کرد!
جفت‌شدگی بوزون هیگز با خود یا خود جفت‌شدگی
مساله‌ی خود جفت‌شدگی به مطالعه‌ی نحوه‌ی تعامل بوزون‌های هیگز با یکدیگر می‌پردازد. این موضوع از این جهت مهم است که جفت‌شدگی بوزون هیگز با خود می‌تواند ذرات پنهانی که فقط با هیگز برهم‌کنش می‌کنند را بدون در نظر گرفتن سایر ذرات مدل استاندارد شناسایی و کشف کند. خود جفت‌شدگی هیگز ارتباط نزدیکی با پتانسیل هیگز (سطحی موج‌دار و زنگوله مانند که انرژی فراگیر میدان هیگز را در جهان توصیف می‌کند!) دارد. این پتانسیل از این جهت مهم است که تعیین‌کننده‌ی چگونگی جرم‌دار شدن ذرات بنیادی به‌وسیله‌ی میدان هیگز برای اولین بار است.
پتانسیل هیگز را می‌توان به عنوان یک شکل زنگوله‌طور نشان داد که انرژی میدان هیگز را توصیف می‌کند. در جهان اولیه، انرژی میدان از مقدار انرژی بیشتر (در بالای زنگوله) به انرژی پایین‌تر (به بیان فنی‌تر چاه پتانسیل) کاهش پیدا کرده است. در چنین حالتی ذرات جرم پیدا می‌کنند.
اینکه دقیقا و به چه شکلی گذار ذره از حالت بی‌جرم به جرم‌دار اتفاق می‌افتد، سوال بسیار مهمی است و پیامدهای احتمالی بزرگی دارد، از جمله اینکه می‌تواند چگونگی برتری ماده بر ضد ماده در جهان اولیه را توضیح دهد. بنابراین چنین مواردی با اندازه‌گیری اثر انگشت‌هایی که روی پتانسیل هیگز باقی مانده است، شناسایی می‌شود. در همین راستا برای درک بهتر پتانسیل هیگز، دانشمندان در تلاش‌اند تا خودجفت‌شدگی هیگز را اندازه‌گیری کنند که این کار با جست‌وجوی بوزون‌های هیگز تولید شده به شکل جفت، که نشانه‌ای از تعامل هیگز با خودش است، دنبال می‌شود.
البته این جفت‌ها در کمتر از یک هزارم بار در LHC تولید می‌شوند، بنابراین اندازه‌گیری آن بسیار دشوار است. اما در عین حال وجود تکنیک‌های جدید می‌توانند به فیزیکدانان اجازه دهند تا رویدادهای جفت هیگز را بهتر شناسایی کنند. به عنوان مثال در برخوردهایی که در آن دو بوزون هیگز با انرژی بالا هر کدام به یک کوارک پایین و یک آنتی کوارک پایین واپاشی می‌کنند برخی فیزیکدانان با یک تکنیک تخصصی خاص در یادگیری ماشین، حساس‌ترین داده‌ها و تحلیل‌ها را در مورد این نوع فروپاشی جمع‌آوری کردند. بنابراین در چنین شرایطی با بهبود تکنیک‌ها و ترکیب نتایج حاصل از سایر تحقیقات امیدهایی وجود دارد که بتوان خود جفت‌شدگی هیگز را به طور قطعی مشاهده کرد.
انتظار برای کشف‌هایی بزرگتر
اگرچه امروزه فیزیکدانان به وجود ذره‌ی هیگز اعتقاد دارند، اما شکار این نوع ذره نزدیک به ۲۰ سال طول کشید، از طرفی تقریباً ۵۰ سال طول کشید تا بوزون هیگز پس از فرضیه‌سازی به طور تجربی کشف شود. در این میان با توجه به مشکلاتی که مدل استاندارد دارد، فیزیکدانان مطمئن هستند که باید گنجینه‌های بیشتری در کنار هیگز برای کشف وجود داشته باشد. البته به شخصه خود من هم ایمان زیادی در این باره دارم!
منابع اصلی:
The Higgs boson implications and prospects for future discoveries
Implications of New Physics Models for the Couplings of the Higgs Boson
منبع: New Science
