برچسب: شورانگیز

در ۴ ژوئیه سال ۲۰۱۲ بود که دانایان آزمایشگاه سرن «CERN» در نزدیکی ژنو سوییس ذره‌‌ای به نام بوزون هیگز «Higgs boson» را کشف و به جهانیان معرفی کردند، ذره‌ای که وجود اون منشا جرم را آشکار می‌کرد!

وجود ذره‌ی هیگز اولین بار در سال ۱۹۶۴ به نام علامت‌ای از فرآیند جرم‌دهی به ذرات بنیادی نزد‌بینی شد اما برای اثبات وجود این ذره از دنیای تئوری به واقعیت، فیزیکدانان اون تاریخ باید چشم به راه ساخت برخورد‌دهنده‌ی عظیم هادرونی (LHC) می‌بودند تا اینکه در سال ۲۰۱۰ سرانجام LHC ساخته شد و شروع به درهم کوبیدن پروتون‌ها با انرژی‌های فراوان بالا کرد؛ در حالی که دو آشکارساز ATLAS و CMS آشکارسازی ذرات (جت‌های) نتیجه از برخورد پروتون‌ها را دنبال می‌کردند. کشف هیگز مشابه‌ قطعه‌‌ی گمشده‌ی پازلِ مدل استاندارد فیزیک «The Standard Model» بود که جای خالی اون سرانجام پُر شد.

مدل استاندارد فیزیک یکی از برنده‌ترین نظریه‌ها در مورد ذرات بنیادی معروف و برهمکنش‌های بین اون‌ها است. به طور کلی ذرات‌ بنیادی به نام بلوک‌های سازنده‌ی اتم‌ها در نظر گرفته می‌شود که نیروهای اصلی دنیا از جمله نیروی الکترومغناطیسی را منتقل می‌کنند. در این بین جذاب است بفهمید که درک سازوکار و جرم این ذرات کلید درک رفتار اون‌هاست. به نام مثال فرض کنید الکترون‌ها هیچ جرمی نداشتند، در چنین حالتی هیچ اتمی تشکیل نمی‌شد! بدون وجود بوزون هیگز و درک برهم‌کنش‌های اون، یکی از برنده‌ترین تئوری‌های دانایان یعنی مدل استاندارد فرو می‌ریخت. بنابراین طبیعی بود که با کشف بوزون هیگز این خبر سرفصل اخبار علمی سراسر دنیا را به خود اختصاص دهد! پس از اون و در حدود یک سال سپس از این کشف، جایزه نوبل برای فرانسوا انگلرت «François Englert» و پیتر هیگز «Peter Higgs» برای ارائه‌ی تئوری هیگز به هدیه آمد.

حال بیش از حدود ۱۰ سال از اون 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 تلاش در درک خوب تر اون دارند. واجب به ذکر است که اگرچه اندازه‌گیری‌های حال آماده با نزد‌بینی‌های 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 نزد آمد که پاسخ به اون به شناسایی ویژگی‌های دیگر هیگز و کسب داده‌های زیادتر کمک می‌کند.

هم‌الآن LHC ارتقا یافته است و با انرژی ۱۳.۶ تریلیون الکترون‌ولت به کار خود به منظور جمع‌آوری داده‌های زیادتر تا سال ۲۰۲۶ ادامه می‌دهد. واجب است بفهمید که با ارزش و مهم بودن استفاده از برخوردهنده‌هایی با انرژی‌های بالاتر زمان شناسایی شناسایی ذرات سنگین‌تر را ساختن می‌کند. درواقع پیدا کردن یک ذره‌ی جدید، به معنی آخر نیست، بلکه شروع ماجراست.

مدل استاندارد ذرات

مدل استاندارد ذرات تئوری است که بر چگونگی رفتار ذرات بنیادی معروف و برهمکنش‌های اون‌ها دلالت دارد. این مدل از ۱۷ ذره‌ی بنیادی تشکیل شده است که بسیاری از اون‌ها 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 (قسمت نارنجی) ذراتی هستند که نیروهای اصلی دنیا را منتقل می‌کنند. در این میان بوزون هیگز درجه مخصوص‌ای دارد و منشا جرم ذرات را توضیح می‌دهد.

• برای اطلاعات زیادتر روی قسمت‌های رنگی نمودار زیر کلیک کنید تا توضیحات هر قسمت را ببینید؛ همچنین روی کلید ماده/ضدماده ضربه بزنید تا پادذره‌ی هر ذره را مشاهده کنید.

معنی زوج‌شدگی در فیزیک ذرات

مطالعه‌ی بوزون هیگز صحیح همانند 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 گنج‌ای همچون بوزون هیگز استفاده می‌کنند. مطالعه‌ی دقیق بوزون هیگز می‌تواند در حل معماهایی که مدل استاندارد قادر به توضیح اون‌ها نیست فراوان کمک‌کننده باشد؛ درواقع فیزیکدانان به خوبی آگاهند که این مدل محدودیت‌های ویژه خود را دارد. به نام مثال، مدل استاندارد هیچ توضیحی برای ماده تاریک ندارد؛ ماده‌ای که در دور و بر کیهان پخش شده‌ است و این قابلیت را دارد که کشش گرانشی واجب برای توضیح انواع مشاهدات نجومی را آماده کند. همچنین این مدل پاسخی برای چرایی تشکیل دنیا 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 معروف 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 نتیجهِ 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 هنگامی ذره‌ای بنیادی با میدان هیگز برهم‌کنش می‌کند، جرم به دست می‌آورد. بنابراین اگر ذره‌ای پُر جرم در دنیا می‌بینید به این سبب است که با میدان هیگز و بوزون هیگز برهم‌کنش توانا‌تری داشته است. ذرات بدون جرم، همانند فوتون‌ها به هیچ وجه مستقیماً با میدان هیگز برهم‌کنشی نداشتند.

در همین راستا یکی از بهترین راه‌ها برای جمع‌آوری اطلاعات زیادتر در مورد هیگز، اندازه‌گیری همین برهم‌کنش‌هاست که به نام کوپلینگ یا زوج‌شدگی «coupling» شناخته می‌شوند. پارامتر زوج‌شدگی 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 دانایان پارامتر زوج‌شدگی را با تجزیه و تحلیل جت‌های تولید شده در وقت ظهور بوزون‌های هیگز در فرآیند کوبیدن پروتون‌ها اندازه‌گیری می‌کنند. حتی اگر ذرات ناشناخته به حدی سنگین باشند که فعلا نتوان در LHC اون‌ها را دید با وجود زوج‌‌شدگی‌های هیگز می‌توان وجود اون‌ها را آشکار کرد.

به طور کلی فیزیکدانان از قبل نسبت به بررسی و اندازه‌گیری زوج‌شدگی‌های 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 ناتوان هسته‌ای و مسئول واپاشی‌های رادیواکتیو هستند!) انجام شده است. زوج‌شدگی‌های هیگز با کوارک بالا و پایین هم قابل توجه است، چراکه این کوارک‌ها در بین شش نوع کوارک معروف در دنیا مسئول تشکیل ذرات بزرگتری همانند 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، زیادتر از راه انرژی ذراتیست که در دور و بر اون‌ها وجود دارد.

میدان هیگز مسئول جرم‌دهی به ذرات بنیادی است، اما جرم ذرات مرکبی همچون پروتون‌ها و نوترون‌ها، زیادتر از راه انرژی ذراتی است که در دور و بر اون‌ها پرسه می‌زند.

اصولا پارامترهای زوج‌‌شدگی‌ای که تاکنون اندازه‌گیری شده‌اند، شامل ذرات بنیادی سنگین‌تر در مدل استاندارد می‌شوند. به نام مثال کوارک بالا تقریباً به اندازه‌ی کل اتم طلا سنگین است؛ از طرفی از آنجایی که هیگز فراوان زیاد تمایل دارد تا با ذرات سنگین زوج شود، اندازه‌گیری این دست از برهم‌کنش‌ها آسان‌تر است. در مرحله سپس، از آنجایی که فیزیکدانان علاقه‌مند به اندازه‌گیری زوج‌شدگی ذرات سبک‌تر هم هستند آشکارسازهایی همچون ATLAS و CMS برای مشاهده‌ی علامت‌هایی 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 علامت می‌دهد که احتمالا ذره‌ی میوآن‌ قابلیت برهم‌کنش با ذره‌ی هیگز را دارد!

همچنین اندازه‌گیری ضریب زوج‌شدگی کوارک‌های افسون «charm quarks» که نسبت به کوارک‌های بالا و پایین کم جرم‌تر هستند هم حائز با ارزش و مهم بودن است و دانایان به دنبال اون 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 نزد‌بینی‌های مدل استاندارد ذرات است. فیزیکدانان برهم‌کنش‌های هیگز یا زوج‌شدگی‌های این ذره را با پنج ذره‌ی مدل استاندارد (به رنگ صورتی تاریک در عکس) اندازه‌گیری کرده‌اند و شواهد اولیه‌ای از زوج‌شدگی با ذره ششم هم دیده می‌شود. به طور کلی در گفت و گو زوج‌شدگی‌های ذره‌ی هیگز، ذرات سنگین‌تر اولین هدف‌ها هستند، چراکه با بوزون هیگز برهم‌کنش توانا‌تری دارند (همانطور که در نمودار مشاهده می‌شود)، بنابراین اندازه‌گیری اون آسان‌تر است. واجب به ذکر است که تاکنون، تمام زوج‌شدگی‌های اندازه‌گیری شده با نزد بینی‌های مدل استاندارد توافق دارد.

آیا بوزون هیگز ذره‌ای منحصر‌به‌فرد است؟

قبل از اینکه LHC شروع به کار کند، دانایان نظریه‌ای دردانه‌ای داشتند که به واسطه‌ی اون مشکلات مدل استاندارد را حل می‌کردند و اون چیزی به جز تئوری ابرتقارن «supersymmetry» نبود. در این نظریه هر ذره‌ی معروف، 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 اون فراوان 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 زیادتر به سو 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 دانایان در LHC در حال بررسی اون هستند این است که آیا هیگز واقعا ذره‌ای منحصر به فرد است یا خیر! در حالت کلی تمام ذرات بنیادی معروف 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 نام ذره‌ای اسکالر معرفی می‌کند. در عین حال بنابر آنچه مطرح شد ممکن است سایر افراد خانواده‌ی این ذره هم ذراتی اسکالر باشند که تا کنون از چشم ما پنهان بوده‌اند.

از طرفی ذکر این ایده هم خالی از مهربانی نیست که ممکن است هیگز ذره‌ای بنیادی نباشد و نتیجه از ترکیب ذراتی مشابه با کوارک‌ها، به نام ذرات بزرگتر و با اسپین صفر باشد؛ یا شاید هیگز همانند 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 شرح کرده است که میوآن‌ها دارای خواص مغناطیسی خاصی هستند که با نزد‌بینی‌های مدل استاندارد مطابقت ندارد. همچنین نتیجه‌ی یکسری مطالعات و آزمایش‌ها در آوریل سال ۲۰۱۱ علامت داد که جرم بوزون W سنگین‌تر از اون چیزی است که مدل استاندارد نزد‌بینی می‌کند. با توجه به همین شرایط هم می‌توان اذعان داشت که بوزون هیگز می‌تواند دری به رازها جدیدی باشد که هنوز کشف نشده است.

زوج‌شدگی بوزون هیگز با خود یا خود زوج‌شدگی

مساله‌ی خود زوج‌شدگی به مطالعه‌ی نحوه‌ی تعامل بوزون‌های هیگز با یکدیگر می‌پردازد. این داستان از این جهت مهم است که زوج‌شدگی 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 زوج‌شدگی هیگز ارتباط نزدیکی با پتانسیل هیگز (سطحی موج‌دار و زنگوله همانند که انرژی فراگیر میدان هیگز را در دنیا وصف می‌کند!) دارد. این پتانسیل از این جهت مهم است که تعیین‌کننده‌ی چگونگی جرم‌دار شدن ذرات بنیادی به‌وسیله‌ی میدان هیگز برای اولین بار است.

اینکه دقیقا و به چه شکلی گذار ذره از حالت بی‌جرم به جرم‌دار اتفاق می‌افتد، سوال فراوان مهمی است و پیامدهای احتمالی بزرگی دارد، از جمله اینکه می‌تواند چگونگی برتری ماده بر ضد ماده در دنیا اولیه را توضیح دهد. بنابراین چنین مواردی با اندازه‌گیری دلیل‌ انگشت‌هایی که روی پتانسیل هیگز باقی مانده است، شناسایی می‌شود. در همین راستا برای درک خوب تر پتانسیل هیگز، دانایان در تلاش‌اند تا خودجفت‌شدگی هیگز را اندازه‌گیری کنند که این کار با جست‌وجوی بوزون‌های هیگز تولید شده به شکل زوج، که علامت‌ای از تعامل هیگز با خودش است، دنبال می‌شود.

البته این زوج‌ها در کمتر از یک هزارم بار در LHC تولید می‌شوند، بنابراین اندازه‌گیری اون فراوان دشوار است. اما در عین حال وجود تکنیک‌های جدید می‌توانند به فیزیکدانان اجازه دهند تا رویدادهای زوج هیگز را خوب تر شناسایی کنند. به نام مثال در برخوردهایی که در اون 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 ویژه 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 نتیجه از سایر تحقیقات امیدهایی وجود دارد که بتوان خود زوج‌شدگی هیگز را به طور قطعی مشاهده کرد.

صبر برای کشف‌هایی عظیم‌تر

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 ایمن هستند که باید گنج‌های بیشتری در کنار هیگز برای کشف وجود داشته باشد. البته به شخصه خود من هم اعتقاد زیادی در این باره دارم!