ه‍.ش. ۱۳۹۳ مهر ۲۵, جمعه

بوزون هیگز یا ذره خدا

از: مقالات فیزیک اکونومیست؛ برگردان، ویرایش و تلخیص از: آکاایران[۱]

بوزون هیگز یا ذره خدا چیست؟


فهرست مندرجات
[قبل][بعد]



بوزون چیست؟

بوزون یک ذره زیر-اتمی است. ذرات اتمی پرتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها هستند. در حالی‌که در دنیای یونان اتم به‌معنای غیر قابل تقسیم بود، دانشمندان مدرن دریافتند که ذرات اتمی هم قابل بخش به ذرات زیر-اتمی هستند. که این ذرات زیر-اتمی شامل کوارک‌ها، لپتون‌ها و بوزون‌ها می‌شوند.



بوزونِ هیگز چیست؟

هیگز آخرین بخش گمشده مدل استاندارد (Standard Model)‌ است. تئوری که بلوک‌های اصلی سازنده‌ی جهان را تشریح می‌کند. ۱۱ ذره دیگری که توسط این مدل پیش‌بینی شده‌اند، تا کنون کشف شده بودند و حالا پیداشدن هیگز می‌تواند مدل استاندارد را تأیید نماید. با اثبات وجود این ذره، ما مجبور به بازاندیشی در خصوص نحوه‌ی شکل‌گیری جهان خواهیم بود.

دانشمندان عقیده دارند در یک میلیاردم ثانیه پس از بیگ بنگ، جهان هستی یک سوپ فوق‌العاده غول‌پیکر از ذراتی بوده که با سرعت نور با یکدیگر مسابقه گذاشته بودند و هیچ جرمی نداشته‌اند. در این میان برهم‌کنش آن‌ها با میدان هیگز باعث شده که جرم پیدا کنند و سرانجام جهان شکل بگیرد.

میدان هیگز، یک میدان انرژی تئوری و نادیدنی است که تمام کیهان را در برگرفته است. برخی ذرات (همچون فوتون‌ها که اجزای نور هستند) توسط این میدان تحت تأثیر قرار نگرفته‌اند و در نتیجه جرمی ندارند. بقیه ذرات اما به‌خوش شانسی فوتون‌ها نبودند و همانند قاشقی که در آش‌گیر می‌کند، در این میدان انرژی به‌دام افتادند. تمامی ذرات با فواصل کم و زیاد در اطراف این میدان هستند و در حال بده بستان و اثرات متقابل با آن هستند و بوزون‌های هیگز را که به‌صورت خوشه‌ای به تعداد کاملاً متفاوت در اطراف هر ذره هستند، به‌خود جذب می‌کنند.

جهان را همانند یک میهمانی تصور کنید. میهمانان عادی که یکدیگر را نمی‌شناسند با سرعت و بدون هیچ توجهی از کنار یکدیگر رد می‌شوند. اما میهمانان مشهور و اشخاص مهم، گروه‌هایی از مردم (بوزن‌های هیگز) را به‌دور خود جذب می‌کنند و در نتیجه سرعت حرکت آن‌ها در اتاق کُند خواهد شد.

سرعت حرکت ذرات در میدان هیگز هم بسیار شبیه به این داستان است. برخی ذرات معین، گروه بزرگ‌تری از بوزون‌های هیگز را جذب می‌کنند و جرم بیش‌تری هم پیدا خواهند کرد.

ذره هیگز که تا کنون فقط یک موضوع تئوری بوده است، برای اولین‌بار در سال ۱۹٦۴ توسط شش فیزیکدان وارد فرضیات علمی شد، که یکی از آن‌ها Briton Peter Higgs بود. اما جستجو برای یافتن این ذره فرضی از اوایل دهه ۱۹٨٠ شروع شد. این آزمایشات ابتدا در Fermilab و با استفاده از برخورددهنده Tevatron در نزدیکی شیکاگو انجام می‌شدند و امروزه در CERN با دستگاهی شبیه به آن (ولی بسیار بزرگ‌تر) دنبال می‌شوند. اما تمرکز عمده بر این ذره، از سال ۲۰۱۰ و با آغاز کار LHC، شکل گرفت.



مدل استاندارد چیست؟

مدل استاندارد در علم فیزیک جایگاهی همانند نظریه تکامل در علم زیست‌شناسی دارد. این تئوری بهترین توضیح و تفسیری است که فیزیکدانان درباره چگونگی کنار هم قرار گرفتن بلوک‌های سازنده جهان توانسته‌اند ارائه کنند. این تئوری شرح می‌دهد که چگونه ۱۲ ذره بنیادی توسط چهار نیروی اصلی کنترل می‌شوند.

نکته: البته بسیاری از منابع فیزیک تعداد این ذرات بنیادی در مدل استاندارد را به‌شکل دقیق‌تر و جزئی‌تر، به‌ این صورت تقسیم‌بندی می‌کنند: ۱۲ لپتون، ۳۶ کوارک (و آنتی کوارک)، ۱۲ ذره واسطه و ذره هیگز. یعنی جمعاً ٦۱ ذره.

اما جهان هستی جای بسیار بزرگی است و مدل استاندارد تنها می‌تواند بخش کوچکی از آن‌را توضیح دهد. دانشمندان همیشه میان آنچه که ما می‌توانیم ببینیم و آنچه که باید در واقعیت وجود داشته باشد، یک فاصله و شکاف فرض می‌کنند. این شکاف باید با چیزی پر شود که ما به‌درستی آن‌را نمی‌شناسیم، که محققان این چیز را ماده تاریک یا Dark Matter می‌نامند. کهکشان‌ها نیز با سرعتی بیش‌تر از نیروهایی که ما می‌شناسیم و تصور می‌کنیم بر آن‌ها وارد می‌شود، در حال دورشدن از یکدیگر هستند. این شکاف دانش نیز با انرژی تاریک یا dark energy پر می‌شود. اعتقاد بر این است که این جفت تقریباً ناشناخته بیش از ۹٦ درصد جرم و انرژی کیهان را در بر می‌گیرند.

تأیید مدل استاندارد، یا شاید اصلاح آن، می‌تواند یک گام به‌ جلو برای رسیدن به‌ هدف نهایی فیزیک (نظریه همه چیز یا theory of everything) است که ماده تاریک، انرژی تاریک و نیروی جاذبه را در بر می‌گیرد، چیزی که مدل استاندارد از پس توضیح آن بر نمی‌آید. این داستان هم‌چنین می‌تواند نور دانش را حتی بر ایده‌های مبهم‌تری همچون امکان وجود جهان‌های موازی بتاباند.

James Gillies سخنگوی سرن گفته بود همان‌گونه که نظریات اینشتین در برگیرنده کارهای ایزاک نیوتون بودند و بر پایه آن‌ها بنا شده بودند، چیزی که هزاران فیزیکدان در سرن مشغول انجام آن هستند، همین کار را با نظریات اینشتین خواهد کرد‫.‬



ذره‌کوب (برخورددهنده) بزرگ یا LHC چیست؟

به‌گمانم جواب این سئوال را خوانندگان نارنجی از خیلی وقت قبل می‌دانند و آگاهی خوبی نسبت به‌ آن دارند. برخورددهنده بزرگ سرن یا Large Hadron Collider در واقع بزرگ‌ترین و قدرتمند‌ترین دستگاه جداکننده ذرات در جهان است. LHC از یک لوله حلقوی ۲۷ کیلومتری در عمق ۱۰۰ متری زمین میان فرانسه و سوئیس تشکیل شده است. ساخت این مجموعه عظیم بیش از ۱۰ میلیارد دلار هزینه در بر داشته است.

دو باریکه از پروتون‌ها در جهت مخالف یکدیگر درون این لوله عظیم به‌حرکت در می‌آیند و سپس با یکدیگر برخورد می‌کنند تا میلیون‌ها ذره در هر ثانیه ایجاد شود. و این واکنش، شرایطی شبیه ثانیه اول بیگ بنگ را شبیه‌سازی خواهد کرد، همان زمانی‌که به‌ اعتقاد فیزیکدان‌ها میدان هیگز روشن‌شده است.

هم‌اکنون حجم بسیار عظیمی از داده‌ها طی آزمایشات سرن در کامپیوترهای این مرکز جمع‌آوری شده است. اطلاعاتی از تریلیون‌ها برخورد انجام شده که هر کدام نور کوچکی بودند برای افشای ذره بنیادین جهان هستی: بوزون هیگز. البته این فرآیند شکار ذره خدا، کاری کند و بسیار زمان بر بوده است.



آستانه اثبات این ذره کجاست؟

دانشمندان برای دستیابی به‌ این اکتشاف، برای خود هدفی از میزان قطعیت و اطمینان گذاشته بودند که به‌ آن 5sigma می‌گویند. یعنی این‌که تنها با احتمال یک در ۹ تریلیون، نتیجه‌گیری آن‌ها از دیتاهای جمع‌آوری‌شده از ذره‌کوب (برخورددهنده) می‌تواند یک اتفاق و اشتباه آماری باشد.

از زمان شروع به‌کار سرن در سال ۲۰۱۰ دو تیم کاملاً مجزا با نام‌های ATLAS و CMS به‌طور هم‌زمان کار بر روی هیگز را شروع کرده بودند. و اکنون دانشمندان سرن برای اطمینان از نتیجه‌گیری‌شان، دو گروه مستقل از اطلاعات کامل را در اختیار دارند و این، دقت کار را از آستانه آماری مورد نظر هم بالاتر برده است.



چرا پیداکردن بوزون هیگز این‌قدر اهمیت دارد؟

در حالی که کشف بوزون هیگز هم نمی‌تواند همه آنچه را که درباره چگونگی کارکرد جهان هستی نیاز داریم، به‌ ما بگوید؛ اما می‌تواند یک حفره عظیم در مدل استاندارد را که بیش از ۵۰ سال خالی مانده بود، پُر کند. مارتین آرچر فیزیکدان کالج سلطنتی لندن می‌گوید:

بوزون هیگز در واقع آخرین تکه گمشده از درک فعلی ما از بنیادی‌ترین ذات و جوهره جهان هستی است. و اکنون به‌ لطف LHC ما قادر هستیم که مربع کنار این گزینه را تیک بزنیم: این شیوه‌ای است که جهان کار می‌کند، یا حداقل ما فکر می‌کنیم این‌گونه کار می‌کند.

در واقع این شروع یا پایان چیزی نیست، بلکه فقط درباره این‌که ما به‌‌صورت عملی درباره جهان و چگونگی‌اش چه بگوییم، می‌تواند به‌ یاری ما بیاید و چیزهای زیادی برای گفتن داشته باشد.

گوردون کن، مدیر فیزیک نظری - مرکز میشیگان اضافه می‌کند که یافتن شواهدی درباره بوزون هیگز می‌تواند «یک موفقیت بسیار شگفت‌انگیز برای دانش و برای انسان در چهار قرن اخیر باشد.»



چرا به بوزون هیگز‪ذره خدا می‌گویند؟ ،‬

نام مستعار جالب ذره خدا (God Particle) برای این ذره گریزان، توسط دانشمند برنده جایزه نوبل، لئون لدرمن برای عنوان کتابش انتخاب شد. البته وی به‌ مزاح می‌گوید ابتدا می‌خواسته نام آن‌را ذره نفرین‌شده (Goddamn Particle) بگذارد، زیرا هیچ‌کس نمی‌توانسته آن را پیدا کند!

وی دلیل انتخاب آن را اهمیت بسیار فراوان آن می‌داند، زیرا طبق نظریات علمی، این ذره همه‌جا را در بر گرفته و تمام فضا و کیهان را پوشانده است.



دانشمندان چگونه به‌دنبال بوزون هیگز می‌گشتند؟

در هجده ماه گذشته دانشمندان جستجو برای ذره هیگز را با به‌ هم‌کوبیدن پروتون‌ها با انرژی بسیار بالا در ذره‌کوب (برخورددهنده) ۱۰ میلیارد دلاری که در مرکز سرن ژنو قرار دارد، ادامه داده‌اند. درون LHC که ۱۰۰ متر زیر زمین بوده و یک تونل ۲۷ کیلومتری است و قوی‌ترین برخورددهنده ای است که تا کنون ساخته شده، تصادم پروتون‌های پر انرژی، مجموعه‌ای از ذرات کوچک‌تر را پدید می‌آورد که دانشمندان تمام آن‌ها را بررسی می‌کنند و به‌‌دنبال یک نشانه می‌گردند که وجود بوزون هیگز را نشان دهد.

آرچر می‌گوید: «شما تنها امیدوارید که یک‌جایی در این تصادم‌ها چیزی را ببینید... شاید به‌ نوعی یک اتفاق آماری» در واقع بوزون‌های هیگز بسیار فرّارند، لحظه‌ای به‌‌وجود می‌آیند و بلافاصله به‌سرعت نابود می‌شوند. به‌ گفته آرچر، دانشمندان در سرن تنها می‌توانند بازمانده‌های فراپاشی بوزون هیگز را مشاهده کنند.



[] يادداشت‌ها

يادداشت ۱: اين مقاله برای دانش‌نامه‌ی آريانا توسط مهدیزاده کابلی ارسال شده است.



[] پی‌نوشت‌ها

[۱]- با تشکر از کمک‌های علمی و راهنمایی‌های خانم دکتر رحمانی‌پور، دکترای فیزیک گرایش ذرات بنیادی.



[] جُستارهای وابسته







[] سرچشمه‌ها

آکاایران؛ برگرفته از: مقالات فیزیک - اکونومیست