بوزون هیگز یا ذره خدا چیست؟

بوزون هیگز یا ذره خدا چیست؟

 «بوزون هیگز» چیست؟ نیم قرن تلاش دانشمندان برای یافتن مهم‌ترین ذره بنیادی عالم، عملا به نتیجه رسید و وجود ذره‌ای شبیه به هیگز را در محدوده انرژی ۱۲۵ تا ۱۲۶ گیگاالکترون‌ ولت اثبات کرد. با توجه به مدل‌هایی که تکامل عالم را بررسی می‌کند، در ابتدای شکل‌گیری عالم، ذرات بدون جرم بودند. 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 حضور داشته باشند. برخی دیگر اما جرم پیدا کردند و تغییر رفتار دادند. سوال مهمی که در دنیای فیزیک وجود دارد، این است که چه چیزی باعث شد تا ذرات عالم جرم‌دار شوند؟

برای درک اهمیت این موضوع بهتراست نگاهی به جهان اطرافمان بیاندازیم : 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 شدن به تعداد محدودتری از ذرات تشکیل ‌دهنده هستند. برای مثال همه اشیاء 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 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.

نظریه ذرات بنیادی مانند هر نظریه دیگری در دنیای علم بر مبنای مشاهده‌ها شکل می‌گیرد، پدیده‌ها را پیش‌بینی می‌کند و در برابر آزمایش‌های جدید محک می‌خورد و اگر از آن سربلند بیرون آید مستحکم‌تر شده و اگر در آزمایشی شکست بخورد نظریه دیگری را باید بر مبنای نتایج جدید تدوین کرد. به همین دلیل برای توصیف یک پدیده، گاهی نظریات مختلفی مطرح می‌شود که هر کدام بتواند بهتر از پس چالش‌های پیش‌رو برآید، جای پایش محکم‌تر می‌شود و بیشتر مورد قبول قرار می‌گیرد.

مدل استاندارد ذرات بنیادی :  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. در نظریه ذرات بنیادی، نظریه‌ای به نام مدل استاندارد ذرات بنیادی وجود دارد. به بیان دیگر نظریه مدل استاندارد می‌توان، 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.

ویژگی یک جسم چه مواردی است؟  همه موجودات عالم. فارغ از مشخصات ظاهری، ویژگی‌های یک جسم را دارا می باشند. یکی از این ویژگی ها جرم یک جسم است (که البته می‌توانید آن را نوعی انرژی به دام افتاده در آن جسم نیز تصور کنید). اگر از ما پرسیده شود چقدر جرم داریم؟، می گوییم مثلا ۶۰ کیلوگرم و اگر از بپرسند چرا جرم شما این عدد است؟، خواهیم گفت که بدن ما از موادی تشکیل شده که هر یک از آنها جرمی دارند و مجموعه جرم آنها به این عدد می‌رسد. این فرآیند خرد کردن را می‌توانیم آن‌ قدر ادامه دهیم تا به ذرات بنیادی برسیم. اما از آن بیشتر نمی‌توانیم پیش رویم. بخشی از مواد تشکیل‌دهنده بدن ما 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 ۶۰ میلادی، «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 ما احتمالا این آزمایش معروف را یا انجام داده‌ایم یا دیده‌ایم که اگر یک آهن‌ربا را زیر کاغذ بگذاریم و روی کاغذ براده‌های آهن بریزیم، 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 باشیم یا جایی که فکر می‌کنیم 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 . این تحقیقات دامنه دار که بیش از نیم  قرن به طول انجامید و منجر به کشف ذره گریزپای بوزون هیگز شد در نهایت توسط «شتابدهنده بزرگ هاردنی (LHC )» در «موسسه سرن ( CERN )» واقع در مرز فرانسه و سوئیس به بار نشت و داده‌های بدست آمده در این باره تکمیل شد.

پیتر هیگز بریتانیایی استاد دانشگاه ادینبوروی اسکاتلند به همراه فرانسوا انگلرت بلژیکی استاد دانشگاه بروکسل، دو دانشمندی بودند که از دهه ۶۰ میلادی تحقیقاتشان را در این زمینه آغاز کردند، تا این که در سال ۲۰۱۲ موفق شدند توسط برخورد دهنده بزرگ هادرونی، در سوئیس، به کشف بوزون هیگز یا ذره خدا برسند. آکادمی سلطنتی استکهلم سوئد به پاس تلاش های آنها در این زمینه که منجر به این کشف بسیار مهم شد. جایزه نوبل سال ۲۱۰۲ را به آنها اهدا کرد.

پس از نوشته شدن کتابی بنام «ذره خدا : اگر پاسخ کائنات است، سؤال چیست؟» توسط «لئون لدرمن» برنده جایزه نوبل، که در آن این ذره را «ذره خدا» نامید، اغلب در رسانه‌ها از بوزون هیگز به‌عنوان «ذره خدا» یا «ذره الهی» یاد می‌شود.

منبع : noojum.com