همه چیز دربارۀ بوزون هیگز

دربارۀ نام بوزون هیگز

این ذره یک نام کاملا قابل قبول دارد: بوزون هیگز. اما فیزیکدانی به نام لئون لدرمن در اوایل دهه ۹۰ از نام استعاری “ذره خدا” برای عنوان کتاب خود استفاده نمود. مطمئنا او در آن زمان تصور می کرد که این فقط یک نام مناسب برای کتابش است اما مطبوعات شیفتۀ این نام شدند و هم اکنون جدا کردن فیزیک حقیقی هیگز از افسانه ها کار بسیار مشکلی شده است. اما نام حقیقی این ذره همانطور که ذکر شد بوزون هیگز است که کاملا حاوی اطلاعات مفیدی است و به نام دو فیزیکدان اشاره دارد. نفر اول پیتر هیگز می باشد که به همراه عده ای از همکارانش در دهه ۶۰ میلادی وجود این ذره را پیشنهاد کردند و نفر دوم ساتیندرا بوز میباشد که از پیشتازان فیزیک ذرات در ابتدای شکل گیری این شاخه از فیزیک بود.

بوزون واژه ایست که به یکی از دو نوع ذره در کیهان اشاره دارد.( دستۀ دیگر ذرات به یاد فیزیکدان انریکو فرمی، فرمیون نام دارد) در یک مفهوم ساده و ابتدایی می توانید فرمیونها را به عنوان قطعات سازندۀ کیهان (همانند الکترونها، پروتونها، کوارکها، نوترینوها و سایر دوستانشان) تصور کنید. در حالی که بوزونها نیروهای بین این ذرات هستند مانند فوتونها، گلوئونها و …. بنابراین از آنجائی که نام این ذره بوزون هیگز میباشد (و نه فرمیون) پس باید ارتباطی با نیروها داشته باشد.

میدان رویاها

اما فیزیک ذرات مدرن واقعا در مورد خود ذرات نیست و این مورد دربارۀ بوزون هیگز نیز صادق است. از دیدگاه فیزیک امروزی، سنگ بنا و شالودۀ کیهان میدانها هستند و نه ذرات. میدان ساختاری است که در کل فضا- زمان گسترده شده و در نقاط مختلف فضا- زمان می تواند مقادیر مختلفی (بر اساس مجموع ذراتی که توسط یک ناظر در آن نقطه از فضا زمان قابل مشاهده است) داشته باشد. از این منظر با افزودن یا کاستن انرژی در یک نقطه از میدان می توان ذرات را به وجود آورد و یا از بین برد. به بیان ساده تر شما با ضربه زدن به یک میدان می توانید تعدادی ذره تولید کنید. یک ذرۀ منفرد در یک میدان چیزی نیست جز حداقل انرژی که میدان در آن نقطه می تواند داشته باشد. همۀ ذراتی که دانشمندان می شناسند از الکترون گرفته تا فوتونها با میدان خودش که در فضا- زمان گسترده شده و در حال نوسان است در ارتباط میباشد.

بنابراین هدف از شکار بوزون هیگز در واقع خود ذره نیست بلکه ماشین هایی مانند برخورد دهنده هادرونی بزرگ(LHC) در تلاش برای مطالعۀ میدان هیگز راهی جز ایجاد تعدادی ذره هیگز و مطالعه رفتار این ذرات ندارند. پس این میدان هیگز است که کارهای شگفت انگیز در کیهان می کند و نه خود ذرۀ هیگز. در ۴ جولای ۲۰۱۲، فیزیکدانان برخورددهنده هادرونی بزرگ بیان کردند که نتایج تجربی سازگار با ذره ی بوزون هیگز کشف کردند، سپس شواهدی برای تایید این ذره افزایش یافت و منجر به کسب جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۳ برای پیتر هیگز و فرانسوا انگلر شد. همان طور که فیزیکدانان در صدد یافتن ویژگی های بوزون هیگز هستند، همزمان ویژگی های فیزیکی میدان هیگز را نیز درک می کنند.

کیهان شکسته شده

کار شگفت انگیزی که میدان هیگز در کیهان انجام می دهد با یک سوال اساسی در فیزیک مدرن در ارتباط است. فیزیکدانان چهار نیرو در طبیعت مشاهده می کنند: نیروی الکترومغناطیس، نیروی هسته ای ضعیف، نیروی هسته ای قوی و گرانش. هر کدام از نیروها توسط ِ ذرۀ مرتبط با خودش حمل می شود: فوتون نیروی الکترومغناطیس را حمل می کند در حالیکه بوزونهای W و +Z و -Z نیروی هسته ای ضعیف را حمل می کنند و تعدادی گلوئون نیز مسوول حمل نیروی هسته ای قوی هستند. گرانش نیز که خود داستان جداگانه و مفصلی دارد فرض می شود که توسط ذراتی (اثبات نشده) به نام گراویتون حمل می شود.[ذرات بنیادی جهان هستی]

این چهار نیروی طبیعت بسیار متفاوت از همدیگر هستند و به هیچ وجه خانوادۀ نیروها شباهتی به خانواده فرمیون ها ندارند. در خانوادۀ فرمیون ها یک تغییر کوچک در شارژ و یا جرم یک ذره منجر به تولید نوع جدیدی از ذرات می شود، اما در دنیای بوزون ها برای مثال نیروی الکترومغناطیس در میزان جرم و یا برد اثر نیرو و یا واکنش با ذرات دیگر کاملا متفاوت از نیروی هسته ای ضعیف است. اما چرا نیروهای طبیعت یا بوزون ها در مقایسه با فرمیون ها اینقدر متفاوت از یکدیگر هستند؟

یک سر نخ برای کشف این راز این است که در مناطق بسیار پر انرژی مثلا در یک برخورد دهندۀ ذرات به جای چهار نیرو فقط با سه نیرو سر و کار داریم: گرانش، نیروی هسته ای قوی و ترکیبی عجیب از دو نیروی الکترومغناطیس و نیروی هسته ای ضعیف به نام نیروی الکتروضعیف. نیروی الکتروضعیف فقط در انرژی های بالا و توسط چهار ذره بدون جرم حمل می شود. از نظر ریاضی این چهار ذره و نیروی مرتبط با آنها در یک وضعیت فوق العاده متقارن قرار دارند ولی در انرژی های پایین مانند انرژی هایی که به طور روزمره و معمولی با آنها سر و کار داریم این نیروی متقارن متحد شکسته شده و دو نیروی الکترومغناطیس (که به وسیله ی ذره بدون جرمی به نام فوتون حمل می شود) و نیروی هسته ای ضعیف (که توسط سه ذرۀ سنگینتر که پیشتر ذکر شد حمل می گردند) از یکدیگر جدا می شوند. علت جدایی این دو نیرو همان میدان هیگز میباشد.

جدا کردن نیروها

در حالت متقارنی که در انرژی های بالا وجود دارد نه فقط چهار ذره حامل نیروی الکتروضعیف بلکه چهار میدان هیگز نیز وجود دارد. همان تقارن بنیادینی که منجر به اتحاد دو نیرو و تولید نیروی متحد الکتروضعیف شده است علت وجود داشتن چهار میدان هیگز در انرژی های بالا میباشد. به عبارت دیگر اگر شما در انرژی های بالا وجود یک میدان هیگز را بپذیرید از نظر ریاضی و بر اساس قوانین بنیادین تقارن در دنیای ما، مجبور به پذیرش چهار میدان هیگز هستید.

در دماهای بالا چهار ذره حامل نیروی الکتروضعیف کار خودشان یعنی حمل نیروی الکتروضعیف را انجام می دهند و چهار میدان هیگز نیز کار خیلی مهمی برای انجام دادن ندارند. اما در دماهای پائین چهار میدان هیگز از هم گسسته شده و سه تا از این میدان ها با جفت شدن با سه تا از ذرات حامل نیروی الکتروضعیف موجب به وجود آمدن نیروی هسته ای ضعیف می شود که توسط سه ذره حامل این نیرو یعنی W و -Z و +Z که اکنون به علت بر همکنش با میدان هیگز جرم دار شده اند حمل می شود. اما میدان هیگز چهارم در یک وضعیت نامتقارن باقی می ماند که از جفت شدن آن با ذره چهارم حامل نیروی الکتروضعیف جلوگیری کرده و بنابراین آخرین حامل به علت عدم برهمکنش با میدان هیگز بدون جرم باقی می ماند که ما آن را فوتون می نامیم که حامل نیروی الکترومغناطیس است.

میدان هیگز چهارم که تنها باقی مانده است مورد مطالعه دانشمندان است و وقتی دانشمندان می گویند در حال مطالعۀ بوزون هیگز هستند، منظورشان همان ذرات میدان هیگز چهارم است و فیزیکدانان با مطالعه این ذره و یادگیری خصوصیات میدان مرتبط با آن شناخت بهتری پیدا می کنند از اینکه چرا نیروی هسته ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیس به صورت بنیادین این قدر متفاوت از یکدیگر هستند.