ايتنا - بوزون هیگز: توصیف «ذره خدا»

بوزون هیگز ذره اصلی حامل نیرو در میدان هیگز است که وظیفه اعطای جرم سایر ذرات را بر عهده دارد. این میدان نخستین بار در اواسط دهه ۱۹۶۰ میلادی و توسط پیتر هیگز پیشنهاد شد. این ذره به افختار هیگز و همکارانش نامگذاری شده است.

به گزارش ایتنا و به نقل از اسپیس، برخورددهنده بزرگ هادرون وجود میدان هیگز و مکانیسمی را که منجر به جرم می‌شود، تأیید کرد و بدین ترتیب مدل استاندارد فیزیک ذرات کامل شد؛ یعنی بهترین توصیفی که از دنیای زیراتمی داریم.

همزمان با پایان یافتن سده بیستم میلادی، پیشرفت‌های فیزیک ذرات به سؤالات بسیاری پیرامون اجزای سازنده اصلی طبیعت پاسخ داده بود. با این حال، از آنجایی که فیزیکدانان به طور پیوسته مجموعه شگفت‌انگیز ذرات را با الکترون‌ها، پروتون‌ها، بوزون‌ها و تمام طعم‌های کوارک‌ها پر می‌کردند، برخی از سوالات مبرم همچنان بی‌پاسخ مانده بودند.

در این میان سؤالات، یکی این بود که: «چرا برخی از ذرات جرم دارند»؟ اتفاقاً همین سؤال انگیزه بوزون هیگز را تشکیل داد.

بوزون هیگز چیست؟
به گفته سرن، بوزون هیگز دارای جرمی معادل ۱۲۵ میلیارد الکترون ولت است؛ به این معنی که جرم آن ۱۳۰ برابر یک پروتون می‌باشد. همچنین هیگز بوزون بدون بار مغناطیسی با اسپین صفر است؛ اسپین، معادل مکانیک کوانتومی تکانه زاویه‌ای است. در واقع بوزون هیگز تنها ذره بنیادی بدون اسپین می‌باشد.

بوزون یک ذره «حامل نیرو» است و وقتی که ذرات با یکدیگر برهمکنش دارند، با بوزونی که در این برهمکنش رد و بدل می‌شود، وارد عمل می‌شود. برای مثال، وقتی دو الکترون برهمکنش می‌کنند، یک فوتون مبادله می‌کنند؛ ‌یعنی همان ذره حامل نیرو میدان‌های الکترومغناطیسی.

از آنجایی که نظریه میدان کوانتومی، جهان میکروسکوپی و میدان‌های کوانتومی را به صورت موج توصیف می‌کند، بوزون را نیز می‌توان به عنوان موجی در یک میدان توصیف کرد.

بنابراین فوتون یک ذره و موج است که از یک میدان الکترومغناطیسی برانگیخته به وجود می‌آید و بوزون هیگز ذره یا «تجلی کوانتیزه» است که در هنگام برانگیختگی از میدان هیگز پدید می‌آید. این میدان از طریق برهمکنش خود با ذرات دیگر و مکانیسمی که توسط بوزون هیگز به نام مکانیسم بروت-انگلرت-هیگز حمل می‌شود، جرم تولید می‌کند.

چرا بوزون هیگز «ذره خدا» نامیده می‌شود؟
نام مستعار بوزون هیگز یعنی «ذره خدا» پس از کشف آن در نتیجه رسانه‌های اصلی تثبیت شد. منشأ این نام اغلب به لئون لدرمن فیزیکدان برنده جایزه نوبل ارتباط داده می‌شود که از بوزون هیگز به عنوان «ذره لعنتی» در زمان ناامید شدن از دشوار بودن تشخیص آن یاد می‌کرد.

به گزارش ایتنا، در دهه ۱۹۹۰ که لدرمن کتابی درباره بوزون هیگز نوشت، عنوان آن «ذره لعنتی» بود، اما ناشران نام این کتاب را به «ذره خدا» تغییر دادند و بدین ترتیب یک ارتباط دردسرساز با دین ایجاد شد، رابطه‌ای که فیزیکدانان را تا به امروز نیز آزار می‌دهد.

با این حال، نمی‌توان اهمیت بوزون هیگز و میدان هیگز را دست کم گرفت، زیرا بدون این جنبه از طبیعت، هیچ ذره‌ای جرم نخواهد داشت. این بدان معناست که هیچ ستاره، هیچ سیاره و هیچ «مایی» وجود نمی‌داشت و به هیمن علت نامی مبالغه‌آمیز دارد.

چرا بوزون هیگز مهم است؟
در سال ۱۹۶۴، محققان شروع به استفاده از تئوری میدان کوانتومی برای مطالعه نیروی هسته‌ای ضعیف کردند که واپاشی اتمی عناصر را با تبدیل پروتون‌ها به نوترون و حامل‌های نیروی آن بوزون‌های W و Z تعیین می‌کند.

حامل‌های نیروی ضعیف باید بدون جرم باشند که اگر اینطور نمی‌بود، خطر نقض یک اصل طبیعت به نام تقارن وجود می‌داشت. تقارن درست مانند ویژگی تقارن یک شکل که تضمین می‌کند که در صورت چرخاندن یا بازتاب دادن یک شکل، همچنان ثابت باقی بماند، اصل تقارن در طبیعت نیز تضمین می‌کند که قوانین طبیعت در همه حال درست هستند. قرار دادن جرم خودسرانه روی ذرات نیز باعث می‌شد که پیش‌بینی‌های خاصی به سمت بی‌نهایت بروند.

اما پژوهشگران می‌دانستند از آنجایی که نیروی ضعیف در برهم‌کنش‌های فاصله کوتاه بسیار قوی است (بسیار قوی‌تر از گرانش) اما در برهم‌کنش‌های طولانی‌تر بسیار ضعیف است، بوزون‌های آن باید جرم داشته باشند. راهکاری که در سال ۱۹۶۴ توسط پیتر هیگز فرانسوا انگلرت و رابرت بروت پیشنهاد شد، میدان جدیدی بود و راهی بود برای «فریب دادن» طبیعت به شکستن تقارن خود به خودی.

مقاله‌ای از سرن این مسئله را با مدادی مقایسه می‌کند که روی نوک خود قرار گرفته؛ یعنی یک سیستم متقارن که ناگهان به یک سمت می‌چرخد و تقارن خود را از دست می‌دهد. هیگز و فیزیکدان همکارش پیشنهاد کردند که وقتی کیهان متولد شد با میدان هیگز در حالتی متقارن، اما ناپایدار پر شد؛ درست مثل همان مداد با تعادل ناپایدار.

میدان به سرعت

از آنجایی که نظریه میدان کوانتومی، جهان میکروسکوپی و میدان‌های کوانتومی را به صورت موج توصیف می‌کند، بوزون را نیز می‌توان به عنوان موجی در یک میدان توصیف کرد.

و تنها در کسری از ثانیه، یک پیکربندی پایدار پیدا می‌کند، اما در این فرآیند، تقارن آن از بین می‌رود و باعث ایجاد مکانیسم بروت-انگلرت-هیگز می‌گردد و به بوزون‌های W و Z جرم می‌دهد.

آنچه که در ادامه پیرامون میدان هیگز کشف شد، این بود که این میدان نه تنها به بوزون‌های W و Z جرم می‌دهد، بلکه به بسیاری از ذرات بنیادی دیگر نیز جرم می‌دهد. بدون میدان هیگز و مکانیسم بروت-انگلرت-هیگز، همه ذرات بنیادی با سرعت نور در سراسر جهان می‌چرخند. این تئوری نه تنها توضیح می‌دهد که چرا ذرات جرم دارند، بلکه شرح می‌دهد که چرا جرم‌های آنها متفاوت هستند.

ذراتی که با میدان هیگز تعامل شدیدی دارند (یا با آن «زوج» می‌شوند)، جرم بیشتری دارند. حتی خود بوزون هیگز جرم خود را از برهمکنش خود با میدان هیگز بدست می‌آورد. این مسئله با مشاهده چگونگی تجزیه ذرات بوزون هیگز تأیید شده است.

به گزارش ایتنا، یک ذره که توسط میدان هیگز از جرم برخوردار نیست، ذره اصلی نور یعنی فوتون است. دلیل این مسئله این است که شکست تقارن خودبه‌خودی برای فوتون‌ها اتفاق نمی‌افتد؛ اما برای ذرات حامل نیرو، بوزون‌های W و Z رخ می‌دهد.

این پدیده جرم‌دهی فقط برای ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها و کوارک‌ها صدق می‌کند. ذراتی مانند پروتون (که از کوارک ساخته شده است)، بیشتر جرم خود را از انرژی پیوندی که اجزای تشکیل‌دهنده آنها را در کنار هم نگه می‌دارد، به دست می‌آورند.

با اینکه همه این موارد به خوبی با نظریه مطابقت دارند، اما گام بعدی کشف شواهدی از میدان هیگز از طریق شناسایی ذره حامل نیرو بود. البته انجام این کار ساده نیست؛ و در واقع به بزرگترین آزمایش و پیچیده‌ترین ماشین تاریخ بشر نیاز دارد.

به این ترتیب، جست‌وجو برای بوزون هیگز، هم فناوری شتابدهنده ذرات و هم فناوری آشکارساز را به مرزهای جدیدی رسانده است؛ یعنی برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC).

کشف بوزون هیگز و مدل استاندارد
تشخیص بوزون هیگز فقط محدود به راه‌اندازی یک آشکارساز و انتظار برای آمدن آن نیست. این ذرات فقط در شرایط پرانرژی جهان اولیه وجود داشتند؛ به این معنی که قبل از شناسایی این ذره، همین شرایط پرانرژی باید تکرار شوند و بوزون‌های هیگز ایجاد گردند. برخورددهنده بزرگ هادون این کار را با شتاب دادن پروتون‌ها تا سرعت‌هایی نزدیک به نور و درهم شکستن آنها با هم انجام می‌دهد.

این کار باعث ایجاد آبشاری از ذرات می‌شود که به سرعت به ذرات سبک‌تر تبدیل می‌شوند. بوزون هیگز خیلی سریع تجزیه می‌شود، تا حدی که قابل تشخیص نیست. در عوض با شناسایی فروپاشی ذرات که نشان‌دهنده ذره‌ای بدون اسپین و پیش‌بینی‌های نظری مشابه برای این بوزون گم شده بود، شناسایی شد. این ذره توسط آشکارساز LHC ATLAS و آشکارساز Compact Muon Solenoid (CMS) شناسایی شد.

گفتنی است اعلام کشف بوزون هیگز در سرن در ژنو در تاریخ ۴ ژوئیه سال ۲۰۱۲ اعلام شد. در ماه مارس سال بعد نیز تایید شد که ذره کشف‌شده در واقع بوزون هیگز است.

با آشکارسازی این ذره پیش‌بینی‌شده توسط مدل استاندارد، کشف بوزون هیگز توانست تصویر دنیای زیراتمی را تکمیل کند. البته هنوز رازهایی فراتر از این نظریه مانند ماهیت ماده تاریک نیز وجود دارند که بوزون هیگز (از طریق خواص منحصربه‌فرد خود ) می‌تواند به حل آنها کمک کند.

بوزون هیگز پس از سال ۲۰۱۲
یک سال پس از کشف بوزون هیگز، پیتر هیگز و فرانسوا انگلرت جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۳ را به خاطر نظریه میدان هیگز دریافت کردند.

کمیته نوبل درباره این جایزه نوشت: «برای کشف نظری مکانیزمی که به درک ما از منشأ جرم ذرات زیراتمی کمک می‌کند و اخیراً از طریق کشف ذره بنیادی پیش‌بینی‌شده توسط آزمایش‌های ATLAS و CMS در برخورددهنده بزرگ هادرونی سرن نیز مورد تأیید قرار گرفت».

با اینکه ممکن است کشف بوزون هیگز مدل استاندارد را تکمیل کرده باشد، اما این پایان بررسی ذره گریزان را رقم نزد. یکی از اکتشافات مهمی که از سال ۲۰۱۲ به بعد انجام شده است، تأیید فروپاشی هیگز است.

بررسی این ذره گریزان در طول اجرای دوره ۳ از LHC و به ویژه هنگامی که ارتقاء درخشندگی بالای شتاب‌دهنده ذرات در سال ۲۰۲۹ تکمیل شود، عمق بیشتری نیز به خود خواهد گرفت.

این امر به LHC اجازه می‌دهد تا برخوردهای بیشتری انجام داده و فرصت‌های بیشتری برای شناسایی فیزیک شگفت‌انگیز از جمله پدیده‌هایی فراتر از مدل استاندارد برای محققان فراهم کند.

سرن تخمین می‌زند که پس از ارتقاء یا به‌روزرسانی هر سال، شتاب‌دهنده مربوطه ۱۵ میلیون از این ذرات را ایجاد خواهد کرد. این رقم با ۳ میلیون بوزون هیگز ساخته‌شده توسط LHC در سال ۲۰۱۷ قابل مقایسه است.

تئوری‌هایی که فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات هستند، پنج نوع مختلف بوزون هیگز را نیز پیش‌بینی می‌کنند که ممکن است کمتر از بوزون هیگز اولیه تولید شوند. حتی قبل از ارتقاء، دانشمندان شواهد وسوسه‌انگیزی از «بوزون هیگز مغناطیسی» کشف کرده و در اختیار ما قرار داده‌اند.

پرسش و پاسخ پیرامون بوزون هیگز

بوزون هیگز چیست؟
بوزون هیگز یک ذره بنیادی مرتبط با میدان هیگز و در واقع برانگیختگی کوانتومی این میدان است؛ مانند امواج روی دریا. بوزون خود نوع کاملاً جدیدی از انواع مختلف است. این

اصل تقارن در طبیعت نیز تضمین می‌کند که قوانین طبیعت در همه حال درست هستند. قرار دادن جرم خودسرانه روی ذرات نیز باعث می‌شد که پیش‌بینی‌های خاصی به سمت بی‌نهایت بروند.

ماده نه خواص کوانتومی ماده بنیادی را دارد و نه ویژگی‌های حامل‌های برهمکنش‌های کوانتومی مانند نیروی الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف یا برهمکنش‌های هسته‌ای.

چه کسی برای نخستین بار در مورد بوزون هیگز نظریه‌پردازی کرد و چرا؟
وجود بوزون هیگز در اواسط دهه ۱۹۶۰ و در نتیجه مکانیسم شکست تقارن که توسط پیتر هیگز، فرانسوا انگلرت و رابرت بروت در تابستان سال ۱۹۶۴ و همچنین به طور مستقل در اوایل پاییز همان سال توسط گروهی آمریکایی/بریتانیایی متشکل از جرالد گورالنیک، کارل هاگن و تام کیبل پیشنهاد شد، به یک تئوری تبدیل گردید.

بدون این مکانیسم، ساختن نظریه‌ای از فعل و انفعالات اساسی که در تمام مقیاس‌های انرژی معتبر باشد، غیرممکن به نظر می‌رسید. به ویژه، نمی‌توان وجود برهمکنش ضعیف را توضیح داد که فقط در فواصل بسیار کوتاه عمل می‌کند و مسئول رادیواکتیویته در هسته یک اتم است.

چرا این ذره اینقدر مهم است؟
این میدان هیگز، در نخستین لحظات پس از تولد کیهان نقش کاملاً تعیین‌کننده‌ای داشت؛ زیرا ماهیت خلاء را که فضا-زمان را پر می‌کند، تعیین می‌نماید. میدان هیگز وجود ماده و فعل و انفعالاتی را که ما می‌شناسیم ممکن می‌سازد و مسئول ظهور جرم همه ذرات بنیادی شناخته‌شده است.

بدون میدان هیگز (و بنابراین بدون بوزون هیگز)، هیچ عنصر اتمی، ستاره و زندگی در این جهان وجود نخواهد داشت.

بوزون هیگز چگونه کشف شد؟
بوزون هیگز در برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) به طور همزمان توسط دو آزمایش بزرگ چندمنظوره ATLAS و CMS کشف شد. این کشف در تاریخ ۴ ژوئیه سال ۲۰۱۲ در سرن اعلام گردید.

بوزون با اسکالر جدید (اسپین صفر) در آن زمان عمدتاً در دو کانال واپاشی نادر که تمیزترین سیگنال را ارائه می‌دهند، مشاهده شد. فروپاشی یک جفت فوتون (که شامل یک فرآیند مجازی کوانتومی محض بود)، و واپاشی مستقیم در یک جفت بوزون Z، حامل برهمکنش ضعیف خنثی است.

چرا جست‌وجو برای یافتن این ذره اینقدر طول کشید؟
به این دلیل که بوزون هیگز هم بسیار سنگین است و هم کاملاً ناپایدار! بوزون هیگز با جرمی برابر با ۱۲۵ واحد GeV، ۱۳۳ بار سنگین‌تر از اتم هیدروژن است. طول عمر متوسط این ذره بین یک تا دو ده‌هزارم یک‌میلیاردم‌میلیاردم ثانیه است (نزدیک به ۱٫۶ ضربدر ۱۰ به توان منفی ۲۲ ثانیه).
برای تولید چنین ذره سنگینی با توجه به معادله آشنای E = mc²، اساساً باید مقدار قابل توجهی انرژی را در حجم کمی متمرکز کنید. به همین دلیل است که به یک برخورددهنده پر انرژی نیاز داریم. برخورددهنده بزرگ هادون LHC در سرن قدرتمندترین ماشین موجود روی زمین است.

بوزون هیگز پس از ایجاد، به طرق مختلف دچار واپاشی می‌شود، و تنها بخش کوچکی از آنها را می‌توان از پس‌زمینه مشترک متمایز کرد. برای شناسایی چنین ذراتی، دانشمندان توانسته‌اند بزرگترین و پیچیده‌ترین آشکارسازهایی را بسازند که تا پیش از آن تصورش هم غیرممکن بود. آنها سپس صدها میلیارد رویداد برخورد پروتون-پروتون را برای استخراج سیگنال بوزون هیگز مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند.

چرا دانشمندان هنوز درباره بوزون هیگز تحقیق می‌کنند؟
به دو دلیل اصلی؛ البته به جز ضرورت آشکار برای انجام دقیق‌ترین خصوصیات این ذره جدید. اولاً، دانشمندان می‌خواهند پی ببرند که خلأ فیزیکی که در آن زندگی می‌کنیم چگونه در جهان اولیه ایجاد شده است. در مرحله بعد، آنها می‌خواهند متوجه شوند که کدام خلاء فیزیکی را می‌توان پایدار کرد.

میدان هیگز بسیار منحصربه‌فرد است؛ زیرا انرژی پتانسیل غیرصفر مورد انتظار را برای خلاء فیزیکی فراهم می‌کند! این مسئله اساساً همان چیزی است که برای کل کیهان باعث تمایز می‌شود. دانشمندان بر این باور هستند که می‌توان به شکل پتانسیل انرژی که مسئول شکست تقارن ضعیف الکترومغناطیسی است، یعنی وجود نیروی الکترومغناطیسی با برد نامحدود و نیروی ضعیفی که در محدوده‌های بسیار کوتاه عمل می‌کند، دست یافت. معلوم می‌شود که برای انجام این کار، باید نحوه برهمکنش بوزون‌های هیگز با خود را نیز مورد مطالعه قرار دهیم! و برای این کار باید جفت‌هایی از بوزون هیگز تولید کنیم!

با اینکه بوزون هیگز سؤال مربوط به منشأ جرم همه ذرات بنیادی دیگر را حل کرد، اما هیچ توضیحی برای جرم خودش وجود ندارد. این جرم توسط هیچ تقارنی محافظت نمی‌شود و بی‌ثباتی ناخواسته‌ای را در نظریه به ارمغان می‌آورد؛ تا حدی که از طریق فرآیندهای کوانتومی، خود خلاء فیزیکی می‌تواند در اثر نوسانات کوانتومی بی‌ثبات شود.

خوشبختانه، این امر در مقیاس‌های زمانی بسیار بزرگتری از طول عمر شناخته‌شده جهان ما رخ می‌دهد. اما با این وجود، دانشمندان به دنبال یافتن ذرات بوزون هیگز اضافی هستند که وجود فیزیک جدید مورد نیاز برای تثبیت جرم بوزون هیگز را نشان دهد.

به گزارش ایتنا، همه اینها انگیزه تحلیل داده‌های بسیار بیشتر و در صورت امکان دسترسی به انرژی‌های برخورددهنده بالاتر را فراهم می‌کند. به همین دلیل است که هزاران دانشمند از سراسر جهان هنوز سرگرم انجام پژوهش در این زمینه هستند و خود را وقف انجام این کار کرده‌اند!

کشف بوزون هیگز تکمیل‌کننده آن چیزی بود که به عنوان مدل استاندارد فیزیک ذرات شناخته می‌شود. سرن توضیح می‌دهد که این چهارچوب در مورد دنیای زیراتمی مطالب بسیار زیادی برای ما بازگو می‌کند.