بوزون هیگز (ذره خدا) چیست و چرا اینقدر اهمیت دارد؟

تا کنون درباره ذره کوب (برخورد دهنده) بزرگ CERN (LHC) بسیار صحبت کرده ایم و از بررسی ذرات سریع تر از نور تا امکان استفاده از آن به عنوان ماشین زمان گفته ایم. طی دو روز گذشته دوباره این ماشین غول آسا، سرو صدای زیادی بر پا کرده و در صدر اخبار علمی دنیا نشسته است. همه درباره بوزون هیگز یا همان ذره خدا صحبت می کنند و کشف آن توسط دانشمندان سرن، حسابی فیزیکدانان را به وجد آورده است. به قول تحلیلگر ارشد آزمایش CMS سرن، «ما هم اکنون در آغاز یک دوراهی (وجود یا عدم وجود بوزون هیگز) قرار داریم که بالاخره می توانیم مسیرمان را انتخاب کنیم. این کشف تنها آغاز یک راه و زمینه ساز کشفیات شگرفی در دانش بشری است.»

اما جدای از همه این شور و هیجان و داستان ها، واقعا Higges boson چیست و چرا اینقدر کشف آن برای دانشمندان مهم است؟ اجازه دهید کمی ساده تر به این موضوع بپردازیم و ببینیم اصلا دعوا سر چیست؟! پس در ادامه مطلب با نارنجی همراه باشید، تا بیشتر درباره این ذره و تئوری های پیرامون آن بدانیم.

ضمن اینکه برای نوشتن این مطلب از کمک های عملی و راهنمایی های خانم دکتر رحمانی پور، دکترای فیزیک گرایش ذرات بنیادی کمک گرفتیم.

 

بوزون چیست؟

بوزون یک ذره زیر-اتمی است. ذرات اتمی پرتون ها، نوترون ها و الکترون ها هستند. در حالی که در دنیای یونان اتم به معنی غیر قابل تقسیم بود، دانشمندان مدرن دریافتند که ذرات اتمی هم قابل بخش به ذرات زیر-اتمی هستند. که این ذرات زیر-اتمی شامل کوارک ها، لپتون ها و بوزون ها می شوند.

 

بوزونِ هیگز چیست؟

هیگز آخرین بخش گمشده مدل استاندارد ( Standard Model )‌ است. تئوری که بلوک های اصلی سازنده جهان را تشریح می کند. ۱۱ ذره دیگری که توسط این مدل پیش بینی شده اند، تا کنون کشف شده بودند و حالا پیدا شدن هیگز می تواند مدل استاندارد را تایید نماید. با اثبات وجود این ذره، ما مجبور به باز اندیشی در خصوص نحوه شکل گیری جهان خواهیم بود.

دانشمندان عقیده دارند در یک میلیاردم ثانیه پس از بیگ بنگ، جهان هستی یک سوپ فوق العاده غول پیکر از ذراتی بوده که با سرعت نور با یکدیگر مسابقه گذاشته بودند و هیچ جرمی نداشته اند. در این میان برهم کنش 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 فوتون ها که اجزاء نور هستند) توسط این میدان تحت تاثیر قرار نگرفته اند و در نتیجه جرمی ندارند. بقیه ذرات اما به خوش شانسی فوتون ها نبودند و همانند قاشقی که در آش گیر می کند، در این میدان انرژی به دام 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 بوزون های هیگز را که به صورت خوشه ای به تعداد کاملا متفاوت در اطراف هر ذره هستند، به خود جذب می کنند.

جهان را همانند یک میهمانی تصور کنید. میهمانان عادی که یکدیگر را نمی شناسند با سرعت و بدون هیچ توجهی از کنار یکدیگر رد می شوند. اما میهمانان مشهور و اشخاص مهم، گروه هایی از مردم (بوزن های هیگز) را به دور خود جذب می کنند و در نتیجه سرعت حرکت آنها در اتاق کند خواهد شد.

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

ذره هیگز که تا کنون فقط یک موضوع تئوری بوده است، برای اولین بار در سال ۱۹۶۴ 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 1980 شروع شد. این آزمایشات ابتدا در Fermilab و با استفاده از برخورد دهنده Tevatron در نزدیکی شیکاگو انجام می شدند و امروزه در CERN با دستگاهی شبیه به آن (ولی بسیار بزرگتر) دنبال می شوند. 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 زیست شناسی دارد. این تئوری بهترین توضیح و تفسیری است که فیزیکدانان درباره چگونگی کنار هم قرار گرفتن بلوک های سازنده جهان توانسته اند ارائه کنند. این تئوری شرح می دهد که چگونه ۱۲ ذره بنیادی توسط چهار نیروی اصلی کنترل می شوند.

نکته: البته بسیاری از منابع فیزیک تعداد این ذرات بنیادی در مدل استاندارد را به شکل دقیق تر و جزئی تر، به این صورت تقسیم بندی می کنند: ۱۲ لپتون، ۳۶ کوارک (و آنتی کوارک)، ۱۲ ذره واسطه و ذره هیگز. یعنی جمعا ۶۱ ذره.

اما جهان هستی جای بسیار بزرگی است و مدل استاندارد تنها می تواند بخش کوچکی از آن را توضیح دهد. دانشمندان همیشه میان آنچه که ما می توانیم ببینیم و آنچه که باید در واقعیت وجود داشته باشد، یک فاصله و شکاف فرض می کنند. این شکاف باید با چیزی پر شود که ما به درستی آن را نمی شناسیم، که محققان این چیز را ماده تاریک یا Dark Matter می نامند. کهکشان ها نیز با سرعتی بیشتر از نیروهایی که ما می شناسیم و تصور می کنیم بر آنها وارد می شود، در حال دور شدن از یکدیگر هستند. این شکاف دانش نیز با انرژی تاریک یا dark energy پر می شود. اعتقاد بر این است که این جفت تقریبا ناشناخته بیش از ۹۶ درصد جرم و انرژی کیهان را در بر می گیرند.

تایید مدل استاندارد، یا شاید اصلاح آن، می تواند 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 می گیرد، چیزی که مدل استاندارد از پس توضیح آن بر نمی آید. این داستان همچنین می تواند نور دانش را حتی بر ایده های مبهم تری همچون امکان وجود جهان های موازی بتاباند.

James Gillies سخنگوی سرن گفته بود همان گونه 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.‬

ذره کوب (برخورد دهنده) بزرگ یا LHC چیست؟

به گمانم جواب این سوال را خوانندگان نارنجی از خیلی وقت قبل می دانند و آگاهی خوبی نسبت به آن دارند. برخورد دهنده بزرگ سرن یا Large Hadron Collider در واقع بزرگترین و قدرتمند ترین 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 پروتون ها در جهت مخالف یکدیگر درون این لوله عظیم به حرکت در می آیند و سپس با یکدیگر برخورد می کنند تا میلیون ها ذره در هر ثانیه ایجاد شود. و این واکنش، شرایطی شبیه ثانیه اول بیگ بنگ را شبیه سازی خواهد کرد، همان زمانی که به اعتقاد فیزیکدان ها میدان هیگز روشن شده است.

هم اکنون حجم بسیار عظیمی از داده ها طی آزمایشات سرن در کامپیوترهای این مرکز جمع آوری شده است. اطلاعاتی از تریلیون ها 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 می گویند. یعنی اینکه تنها با احتمال یک در ۹ تریلیون، نتیجه گیری آنها از دیتاهای جمع آوری شده از ذره کوب (برخورد دهنده) می تواند یک اتفاق و اشتباه آماری باشد.

از زمان شروع به کار سرن در سال ۲۰۱۰ دو تیم کاملا مجزا با نام های ATLAS و CMS به طور هم زمان کار بر روی هیگز را شروع کرده بودند. و اکنون دانشمندان سرن برای اطمینان از نتیجه گیری شان، 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 پیدا کردن بوزون هیگز اینقدر اهمیت دارد؟

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

بوزون هیگز در واقع آخرین تکه گمشده از درک فعلی ما از بنیادی ترین ذات و جوهره جهان هستی است. و اکنون به لطف LHC ما قادر هستیم که مربع کنار این گزینه را تیک بزنیم: این شیوه ای است که جهان کار می کند، یا حداقل ما فکر می کنیم این گونه کار می کند.

در واقع این شروع یا پایان چیزی نیست، بلکه فقط درباره اینکه ما به صورت عملی درباره جهان و چگونگی اش چه بگوییم، می تواند به یاری ما بیاید و چیزهای زیادی برای گفتن داشته باشد.

گوردون کن، مدیر فیزیک نظری -مرکز میشیگان اضافه می کند که یافتن شواهدی درباره بوزون هیگز می تواند «یک موفقیت بسیار شگفت انگیز برای دانش و برای انسان در چهار قرن اخیر باشد.»

چرا به بوزون هیگز‪،‬ ذره خدا می گویند؟

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 می گوید ابتدا می خواسته نام آن را ذره نفرین شده (Goddamn Particle) بگذارد، زیرا هیچ کس نمی توانسته آن را پیدا کند!

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

 

دانشمندان چگونه به دنبال بوزون هیگز می گشتند؟

در هجده ماه گذشته دانشمندان جستجو برای ذره هیگز را با به هم کوبیدن پروتون ها با انرژی بسیار بالا در ذره کوب (برخورد دهنده) ۱۰ میلیارد دلاری که در مرکز سرن ژنو قرار دارد، ادامه داده اند. درون LHC که ۱۰۰ متر زیر زمین بوده و یک تونل ۲۷ کیلومتری است و قویترین برخورد دهنده ای است که تا کنون ساخته شده، تصادم پروتون های پر انرژی، مجموعه ای از ذرات کوچکتر را پدید می آورد که دانشمندان تمام آنها را بررسی می کنند و به دنبال یک نشانه می گردند که وجود بوزون هیگز را نشان دهد.

آرچر می گوید: «شما تنها امیدوارید که یک جایی در این تصادم ها چیزی را ببینید... شاید به نوعی یک اتفاق آماری.» در واقع بوزون های هیگز بسیار فرّارند، لحظه ای به وجود می آیند و بلافاصله به سرعت نابود می شوند. به گفته آرچر، دانشمندان در سرن تنها می توانند بازمانده های فراپاشی بوزون هیگز را مشاهده کنند.