بوزون هیگز چیست؟

براساس مدل‌هایی که تکامل عالم را بررسی می‌کند، می‌دانیم در ابتدای شکل‌گیری عالم ذرات جرم نداشتند. اما در دوره‌ای نسبتا کوتاه، هر یک از ذرات جرم مشخصی را به دست آوردند و این جرم ذرات بود که روند بعدی تکامل عالم را مشخص کرد. برخی از ذرات مانند فوتون‌ها که ذرات تشکیل‌دهنده نور هستند، بدون جرم ماندند و توانستند بدون محدودیت در عالم سفر کنند؛ برخی دیگر اما جرم پیدا کردند و رفتارشان تغییر کرد. سوال مهمی که در دنیای فیزیک وجود دارد، این است که چه چیزی باعث شد تا ذرات عالم جرم‌دار شوند؟

برای اینکه اهمیت این داستان را بهتر درک کنید، نگاهی به جهان اطرافتان بیاندازید: جهان اطراف ما از مواد مختلفی ساخته شده است. من و شما و هر آنچه می‌بینید، هر یک از ترکیبات و مواد گوناگونی تشکیل شده‌اند. اما اگر اندکی دقیق‌تر نگاه کنیم، می‌بینیم همه این مواد قابل تبدیل به تعداد محدودتری از ذرات تشکیل‌دهنده هستند. برای مثال همه اشیا از مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند.

تنوع و تعداد این مولکول‌ها بسیار زیاد است اما هر ترکییی که داشته باشند، قطعا از عناصر محدودی شکل گرفته‌اند که آنها را در طبیعت می‌شناسیم. همه این عناصر به نوبه خود از ذرات بنیادی‌تری به نام الکترون، نوترون‌ و پروتون شکل گرفته‌اند و خاصیت مختلف هر یک از آنها به این برمی‌گردد که چه ترکیبی از این سه ذره در کنار هم قرار گرفته باشند.

برخی از این ذرات به نوبه خود از ذرات بنیادی‌تری شکل گرفته‌اند. بررسی این ذرات بنیادی می‌تواند ما را به درک جهان اطرافمان یاری کند. ترکیب این ذرات که آنها را ذرات زیر اتمی می‌نامند، کمک می‌کنند بفهمیم چه قوانینی بر جهان ما حاکم است. اهمیت این دنیای فوق‌العاده کوچک مقیاس و در عین حال فوق‌العاده مهم باعث شده تا گروهی از دانشمندان تمام تمرکز و هم و غم خود را به رازگشایی از این جهان شگفت و توصیف آن با کمک نظریه ذرات بنیادی مبذول کنند.

 

مدل استاندارد ذرات بنیادی

در نظریه ذرات بنیادی نیز نظریه‌ای به نام مدل استاندارد ذرات بنیادی وجود دارد که بدون ورود به جزئیات فنی و دشوار آن، می‌توان آن را نظریه‌ای توصیف کرد که تلاش دارد به روان‌ترین شکل رفتارهای حاکم بر ذرات بنیادی را توصیف کند و توضیحی بر دلیل رفتارهای آنها ارائه دهد.

بوزون هیگز در این نظریه است که نقش مهمی ایفا می‌کند. بار دیگر و بدون وارد شدن به جزئیات فنی بیایید به این سوال بیندیشید که ویژگی یک جسم چه مواردی است؟ مثلا خود شما، یا هر چیز دیگر. فارغ از مشخصات ظاهری برخی از ویژگی‌های یک جسم، بنیادی و اساسی به‌شمار می‌رود. یکی از این موارد جرم یک جسم است (که البته می‌توانید آن را نوعی انرژی به دام افتاده در آن جسم نیز تصور کنید). اگر از شما بپرسند چقدر جرم دارید، ممکن است بگویید مثلا 60 کیلوگرم و اگر از شما بپرسند چرا جرم شما این عدد است، خواهید گفت که بدن من از موادی تشکیل شده که هر یک از آنها جرمی دارند و مجموعه جرم آنها به این عدد می‌رسد. این فرآیند خرد کردن را می‌توانید آن‌قدر ادامه دهید تا به ذرات بنیادی برسید.

اما از آن بیشتر نمی‌توانید پیش روید. بخشی از مواد تشکیل‌دهنده بدن شما الکترون‌ها هستند. چرا یک الکترون مقدار مشخصی جرم دارد و چرا این مقدار برای ذرات بنیادی مختلف متفاوت است؟ برای مثال چرا یک الکترون مقدار جرم مشخصی دارد که از پروتون و نوترون کمتر است، اما از ذراتی مانند فوتون یا نوتریونوها که تقریبا بدون جرم هستند، بیشتر است؟ چه چیزی باعث می‌شود که یک ذره جرم مشخصی را داشته باشد و به عبارت دیگر، در دنیای فیزیک ذرات چه عاملی باعث می‌شود جرمی خاص به ذره‌ای خاص اختصاص یابد؟ این یکی از معماهای مدل استاندارد به شمار می‌رود و در دهه 1960/1340، پیترهیگز نظریه‌ای را مطرح کرد که به نام میدان هیگز معروف شد و می‌توانست این مساله را توجیه کند.

 

نظریه هیگز

براساس نظریه هیگز، کل جهان ما را میدان هیگز فرا گرفته است. برای این‌که تصوری از میدان داشته باشید، میدان آشناتر الکترومغناطیس را در نظر بگیرید. همه شما احتمالا این آزمایش معروف را یا انجام داده‌اید یا دیده‌اید که یک آهن‌ربا را زیر یک کاغذ می‌گذاریم، روی کاغذ براده‌های آهن می‌ریزیم و می‌بینیم که این براده‌ها در مسیرهای مشخصی که خطوط میدان مغناطیسی هستند، قرار می‌گیرند. در واقع آهن‌ربا یک میدان مغناطیسی دارد که بر موادی که خاصیت فلزی دارند تاثیر می‌گذارد.

براساس نظریه هیگز، مهم نیست اطراف یک جرم باشید یا جایی که فکر می‌کنید خلأ است؛ همه جا میدان هیگز وجود دارد. اگر می‌خواهید تصور بهتری از نوع حضور این میدان داشته باشید، یک آکواریوم را تصور کنید که پر از آب است. برای ماهی‌ای که درون این آکواریوم است شاید بقیه فضای آکواریوم خالی به نظر آید، اما می‌دانیم که مملو از ماده‌ای به نام آب است که این آب عمدتا از ماده‌ای به نام مولکول آب یا H2O تشکیل شده است. میدان هیگز هم به همین ترتیب همه جا را در بر گرفته، ولی به جای مولکول‌های آب از ذره‌ای بنیادی به نام بوزون هیگز تشکیل شده است. این ذره بنیادی جرم مشخصی دارد و نسبتا ذره سنگینی به شمار می‌رود، اما مهم‌تر از جرم خودش این ویژگی مهم را دارد که با ذرات بنیادی دیگر اطراف خودش واکنش نشان می‌دهد. مثل ذرات براده آهن که در میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دادند و در مسیرهای مشخصی قرار می‌گرفتند هر ذره با این بوزون‌های هیگز در حال واکنش دادن است. آنچه ذره هیگز را مهم می‌کند، این است که بر اساس این نظریه، نوع و قدرت واکنش بوزون‌های هیگز با مواد و ذرات بنیادی اطرافش معلوم می‌کند که آن ذره چقدر جرم داشته باشد. یعنی جرم الکترون به دلیل قدرت واکنش الکترون‌ها با بوزون هیگز است. اگر فوتون تقریبا بدون جرم است به این دلیل است که واکنشش با بوزون‌های هیگز بسیار ضعیف است و در عوض الکترون واکنش قوی‌تری دارد.

از طرف دیگر چون بوزون‌های هیگز همه جای میدان هیگز قرار دارند و همه عالم را پر کرده‌اند (مانند آب درون آکواریوم) پس یک ذره مانند الکترون یا فوتون فارغ از این‌که کجای عالم قرار دارد، به‌طور دائمی در حال واکنش با بوزون هیگز است و در نتیجه جرم ثابتی دارد.

به این ترتیب در مدل استاندارد ذرات بنیادی بوزون‌های هیگز می‌توانند توضیح دهند که چرا هر ذره جرم مخصوص به خود را دارد. اما این ذره تا پیش از این، یک ذره نظری بود که هرگز در آزمایشگاه مشاهده نشده و تنها حاصل محاسبات ریاضیاتی بود. این ذرات را تنها می‌توان زمانی آشکار کرد که بتوانیم برخوردهای بزرگی را میان ذرات بنیادی ایجاد کنیم و در شرایط آشوبناک و آزاد شدن انرژی حاصل از برخورد، این شانس را به وجود بیاوریم که این ذره برای مدتی ظاهر شود و آن را آشکار کنیم. یکی از دلایل اصلی و هدف‌های علمی اولیه ساخت شتاب‌دهنده بزرگ‌هادرونی در مرکز تحقیقات سرن نیز تلاش برای آشکار کردن این ذره و تایید وجود آن بود. البته اگر تلاش سرن هم مانندتواترون در آزمایشگاه ملی فرمی به ثمر نمی‌رسید و بوزون هیگز پیدا نمی‌شد هم اتفاق مهمی در دنیای فیزیک محسوب می‌شد، چراکه در این صورت دانشمندان باید سراغ نظریات پیچیده تری برای توجیه جرم مواد بروند که به نام نظریات فارغ از هیگز معروف هستند.

 

گزارش نشست سرن

پس از موجی از شایعات، سرانجام زمان کنفرانس فرا رسید. بسیاری از دانشجویان و خبرنگاران از ساعات ابتدایی شب گذشته در مقابل در ورودی سالن حضور داشتند تا بتوانند جای مناسبی به دست بیاورند. بخش بزرگی از سالن احتماعات برای خبرنگاران و فیزیکدانان رزرو شده بود.

 

 

مراسم با سخنرانی کوتاه رالف هوئر، مدیر سرن آغاز شد. او ضمن خوش‌آمدگویی، امروز را روزی مهم ارزیابی کرد؛ روزی که نه تنها حاضران در سرن، که دانشمندان فیزیک ذرات شرکت‌کننده در کنفرانس فیزیک انرژی‌های بالا در ملبورن استرالیا نیز به این سخنرانی گوش می‌دهند تا نشان دهنده نمایی از جهان علمی امروز و همکاری‌های بین‌المللی باشند.

سپس جو اینکلاندا، مدیر پروژه سی.اس.ام روی صحنه آمد و در حالی‌که صدایش از اضطراب و هیجان می‌لرزید، سخنرانی خود را که شامل بیش از 70 اسلاید بود آغاز کرد. او با ارایه عملکرد آشکارساز سی.اس.ام و داده‌های قبلی آغاز کرد و سپس به آزمایش‌های امسال رسید.

شرح عکس زیر: جو انکلاندا، مدیر سی.اس.ام در حال ارایه توضیحات در کنفرانس سرن

 

 

پژوهشگران این آزمایش با بررسی چند نوع واپاشی بوزون هیگز و تحلیل چند صد نمونه آشکارشده از این واپاشی‌ها در آزمایش‌های مختلف، توانستند به قطعیت‌های متفاوتی بین 4.5 تا 5.2 سیگما دست یابند، هرچند در یک مورد قطعیت موردنظر برای اعلام کشف یک ذره جدید بیشتر از معیار 5سیگما بود، اما در نهایت با ترکیب داده‌ها و تحلیل دسته‌جمعی، محققان به این نتیجه رسمی رسیدند که رد ذره جدیدی شبیه بوزون هیگز را در حوالی انرژی 125.3 گیگاالکترون ولت (با خطای 0.6 گیگاالکترون‌ولت) با قطعیت آماری 4.9 سیگما آشکار کرده‌اند. از آن‌جاکه برای اعلام کشف یک ذره جدید قطعیتی از رده سیگما 5 لازم است، این یک‌دهم مانع از اعلام رسمی کشف بوزون هیگز شد.

شرح عکس: تحلیل مشاهدات سی.ام.اس در 5 نوع واپاشی مختلف بوزون هیگز، نتایج ترکیبی (خط مشکی پررنگ) و قطعیت آماری آنها

 

پس از سخنرانی او، فابیولا جیانوتی مدیر آشکارساز اطلس به روی صحنه آمد و به روش مشابهی آزمایش‌های اطلس را توضیح داد. در آزمایش اطلس کمتر از 100 مورد واپاشی هیگز آن‌هم فقط در دو کانال مشاهده شده بود و به همین دلیل قطعیت آماری بالاتری نسبت به گزارش سی.ام.اس بدست آمد. جیانوتی نتیجه نهایی آشکارساز اطلس را چنین اعلام کرد: ذره جدیدی در محدوده 126.5 گیگا الکترون ولت و با قطعیت سیگما 5.

شرح عکس: فابیولا جیانوتی، مدیر اطلس در حال ارایه توضیحات در کنفرانس سرن

 

در عین حال خانم جیاتونی تاکید کرد که اطلاعات موجود برمبنای یک‌سوم داده‌هایی است که انتظار داریم امسال به دست آوریم. مشاهدات و بررسی‌های بیشتری برای شناخت بیشتر ماهیت بوزون کشف‌شده جدید انجام خواهد شد اگرچه این ذره در محدوده‌هایی است که انتظار داریم بوزون هیگز وجود داشته باشد و می‌توان آن را کشف بوزون هیگز دانست، اما باز هم تلاش‌های بیشتری برای درک بهتر ماهیت آن صورت خواهد گرفت.

نتایج تحقیقات این دو آشکار ساز در پایان ماه جولای به طور مشترک منتشر خواهد شد. البته ذکر این نکته این لازم است که اعتبار گزارش سی.ام.اس به دلیل تعداد بسیار بیشتر مشاهدات، جستجو در چند کانال و ترکیب آنها از نظری آماری اعتبار بیشتری نسبت به گروه اطلس داشت و قطعا با بررسی دیگر اطلاعات گردآوری‌شده تا پایان سال، هم تعداد رخدادها و هم قطعیت آماری نتایج بهتر خواهد شد.

پس از پایان این سخنرانی مدیر سرن برای جمع بندی روی صحنه آمد و اعلام کرد این اتفاق مدیون همکاری بین‌المللی و برمبنای ابزاری بی‌نظیر ال.اچ.سی و قدرت پردازش شبکه گرید است. او تاکید کرد ما امروز شاهد یک کشف قطعی بودیم. ما بوزون هیگز را پیدا کردیم، اما باید در باره ماهیت این کشف بیشتر بحث کنیم. هنوز بررسی‌ها و مشاهده‌های طولانی در راه است.

 

شرح عکس: مدیر سرن (سمت چپ) و مدیران آزمایش‌های اطلس و سی.ام.اس در انتهای کنفرانس سرن

 

در پایان، فیزیک‌دانان و حاضران مدتی طولانی به تشویق دانشمندان و مدیران سرن پرداختند و یکی از دانشمندان حاضر در پرسش و پاسخ، این اتفاق را جهشی غول‌آسا در علم نامید.

روز چهارشنبه گذشته جهان شاهد روز بزرگی بود، روزی که مردم خارج از دنیای علم نیز در شور و شوق کشفی در مرزهای علم به هیجان آمدند. با کشف ذره هیگز اگرچه به سوال مهمی پاسخ داده شد اما سوال‌های بسیاری در برابر دانشمندان قرار گرفته است. آجر دیگری در دیوار رفیع دانش و درک ما از عالم در جای خود قرار گرفته است و اینک سنگ بنایی برای ادامه ساخت این باروی با شکوه فراهم آمده است.

 

 سرن، تلاش در ژرفای جهان

شتاب‌دهنده‌های ذرات یکی از ابزارهای ضروری برای کشف ماهیت جهانی هستند که در آن زندگی می‌کنیم. سرن برای اینکه بتواند به عمیق‌ترین رازهای جهان نفوذ کند، بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده جهان تا زمان حاضر را به نام LHC یا شتاب‌دهنده بزرگ‌هادرونی ساخته است. بخش اصلی این ماشین که ساخت آن مدت 10 سال از 1998/1377 تا 2008/1387 به طول انجامید، مسیری دایره ای به محیط 27 کیلومتر و در عمق 175 متری زیر زمین است که در مرز فرانسه و سوییس ساخته شده است. این ماشین تا پاییز سال 2012/1391 با توان 4 تراالکترون ولت به ازای هر پرتو (متناظر با انرژی برخورد 8 تراالکترون‌ولت) به فعالیت خواهد پرداخت؛ سپس 20 ماه تعطیل خواهد شد تا پس از به‌روز‌رسانی‌های لازم، با توان نهایی خود که انرژی 7 ترا الکترون ‌ولت به ازای هر پرتو (متناظر با انرژی برخورد 14 تراالکترون‌ولت) را شامل شود به کار ادامه دهد.

ساز و کار این ماشین به این گونه است که پرتوهایی از ذرات ابتدا در حلقه‌هایی کوچک‌تر شتاب می‌گیرند و پس از افزایش سرعتشان از دوجهت وارد تونل اصلی می‌شوند. ذرات در این مسیر می‌توانند تا آستانه سرعت نور سرعت بگیرند (اگر این ماشین با حداکثر توانش کار کند سرعت پرتوها به 99.9999991% سرعت نور می‌رسد) و سپس با یکدیگر برخورد کنند. در اثر این برخورد، ذرات به اجزای تشکیل دهنده خود شکافته می‌شوند و این برخورد با کمک 4 آشکارساز بزرگ این مجموعه به نام‌های اطلس، سی.ام.اس، آلیس و ال.اچ.سی.بی مورد مشاهده و رصد قرار می‌گیرند. در اثر این برخوردها شرایطی مشابه با دوران آغازین عالم به وجود می‌آید و ذرات بنیادی ناپایداری شکل می‌گیرند تا دانشمندان به کمک آن بتوانند به بررسی قوانین حاکم بر ذرات بنیادی بپردازند.

این مسیر عظیم با کمک میدان‌های مغناطیسی که به کمک 9300 مغناطیس ابررسانای عظیم ایجاد می‌شود، کنترل می‌شود. برای اینکه در این آزمایش عوامل غیرمنتظره تا حد امکان کاهش یابد، داخل تونل این شتاب‌دهنده بهترین خلأ ممکن در روی زمین ایجاد شده است . این خلأ با خلأ موجود در فضای میان‌سیاره‌ای قابل مقایسه است و فشار داخلی آن 10 برابر کمتر از فشار هوا در سطح ماه است.

اگرچه این ابزار به شدت خنک نگاه داشته می‌شود و با نگاه داشتن دمای آن در حدود منفی 271.3 سانتی‌گراد یا تنها 9/1 کلوین، دمای ماشین حتی از دمای محیط فضا کمتر است؛ اما دمایی که در هنگام برخورد دو باریکه ذرات به وجود می‌آید در حدود 100هزار بار بیش از دمای مرکز خورشید است. بدین ترتیب این ماشین گرم‌ترین و سردترین دماهای تولیدی در سیاره ما را به وجود می‌آورد.

حجم داده‌هایی که آزمایش‌های انجام شده توسط این ماشین در یک سال تولید می‌کند، آن‌قدر زیاد است که می‌تواند 100 هزار لوح دی.وی.دی را پر کند و بررسی و تحلیل آن توسط هزاران دانشمند در سراسر جهان سال‌ها به طول می‌انجامد. سرن که مبتکر وب در جهان به شمار می‌رود، برای پردازش این حجم عظیم از اطلاعات شبکه‌ای برای پردازش داده به نام گرید (Grid که در فارسی به تورین محاسباتی ترجمه شده است) طراحی کرده که قدرت پردازش هزاران کامپیوتر را در سراسر جهان به اشتراک می‌گذارد. بیش از 10هزار نفر به طور مستقیم در آزمایش شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی مشارکت دارند و ده‌ها کشور در ساخت و بهره‌برداری از آن نقش داشته‌اند.

ایران نیز در این پروژه مشارکت داشته است. ایران بخشی از یکی از قطعات آشکارساز سی.ام.اس این شتاب‌دهنده را ساخته و همچنین چندین نفر از دانشجویان و پژوهشگران ایرانی در این پروژه و به ویژه در آشکار ساز سی.ام.اس مشارکت دارند.