تلاش برای یافتن ذره خالق

یكی از اهداف اصلی ساخت شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی در مرز سوئیس و فرانسه پیدا كردن مداركی مبنی بر وجود یا عدم وجود ذره‌ای به نام بوزون هیگز بود. ذره‌ای كه در دهه 60 میلادی و در قالب تئوری میدان هیگز از سوی پیتر هیگز معرفی شد.

نتیجه كنفرانس ژنو نه آنقدر كه خوش بین ترین علاقه‌مندان مایل بودند امیدوار كننده بود و نه آنقدر كه افراد بدبین گمان می‌كردند ناامیدانه. براساس اعلام دانشمندان هیگز طی برخوردهایی كه در یك سال گذشته صورت گرفته است، ذراتی در بازه محدوده‌ای از جرم آشكار شده‌اند. این ذرات ممكن است به دلیل پدیده‌های جانبی رویت شده باشند یا واقعا خود بوزون هیگز باشند اما ظهور آنها در یك منطقه در دو آزمایش گوناگون این امیدواری را كه نشانه‌های آشكار شده نشان‌دهنده بوزون هیگز باشد، تقویت می‌كند. باید یك سال دیگر منتظر بود تا در برخورد دهنده بزرگ ذرات، برخوردهای بیشتری صورت گیرد و دانشمندان بتوانند با قطعیت بیشتری در باره وجود این ذره صحبت كنند.

اما بوزون هیگز چیست و چه اهمیتی برای فیزیك دارد كه خبر پیدا شدن آن تا این حد مهم به شمار می‌رود و حتی در بیرون از دنیای فیزیك به آن القابی مانند ذره خالق می‌دهند؟

بوزون هیگز چیست؟

برای این‌كه پاسخ ساده‌ای به این پرسش بدهیم باید بگوییم كه جهان اطراف ما از مواد مختلفی ساخته شده است. من و شما، روزنامه‌ای كه در دست دارید و صندلی كه روی آن نشسته اید هر یك از تركیبات و مواد گوناگونی تشكیل شده‌اند. اما اگر اندكی ژرف‌تر نگاه كنیم می‌بینیم همه این مواد قابل تبدیل به تعداد محدودتری از ذرات تشكیل‌دهنده هستند. برای مثال همه اشیا از مولكول‌هایی تشكیل شده‌اند.

تنوع و تعداد این مولكول‌ها بسیار زیاد است اما هر تركییی كه داشته باشند قطعا از عناصر محدودی كه آنها را در طبیعت می‌شناسیم شكل گرفته‌اند.

همه این عناصر به نوبه خود از ذرات بنیادی‌تری به نام الكترون، نوترون‌ و پروتون شكل گرفته اند و خاصیت مختلف هر یك از آنها به این برمی‌گردد كه چه تركیبی از این 3 ذره در كنار هم قرار گرفته باشند.

برخی از این ذرات به نوبه خود از ذرات بنیادی تری هم شكل گرفته‌اند. بررسی این ذرات بنیادی می‌تواند ما را به درك جهان اطرافمان یاری كند. تركیب این ذرات كه آنها را ذرات زیر اتمی می‌نامند كمك می‌كنند بفهمیم چه قوانینی بر جهان ما حاكم است.

اهمیت این دنیای فوق‌العاده كوچك مقیاس و در عین حال فوق العاده مهم باعث شده است تا گروهی از دانشمندان تمام تمركز و هم و غم خود را به رازگشایی از این جهان شگفت مبذول و سعی در توصیف این جهان با كمك نظریه ذرات بنیادی كنند. نظریه ذرات بنیادی مانند هر نظریه دیگری در دنیای علم بر مبنای مشاهده‌ها شكل می‌گیرد، پدیده‌ها را پیش‌بینی می‌كند و در برابر آزمایش‌های جدید محك می‌خورد و اگر از آن سربلند بیرون آید مستحكم‌تر شده و اگر در آزمایشی شكست بخورد نظریه دیگری را باید بر مبنای نتایج جدید توسعه داد. به همین دلیل برای توصیف یك پدیده، گاهی نظریات مختلفی مطرح می‌شود كه هر كدام بتواند بهتر از پس چالش‌های پیش‌رو برآید، جای پایش محكم‌تر می‌شود و بیشتر مورد قبول قرار می‌گیرد.

در نظریه ذرات بنیادی نیز نظریه‌ای به نام مدل استاندارد وجود دارد كه بدون ورود به جزئیات فنی و دشوار آن، نظریه‌ای است كه تلاش دارد به روان‌ترین شكل رفتارهای حاكم بر ذرات بنیادی را توصیف كند و توضیحی بر دلیل رفتارهای آنها ارائه دهد.بوزون هیگز در این نظریه است كه نقش مهمی ایفا می‌كند. بار دیگر و بدون وارد شدن به جزئیات فنی بیایید به این سوال بیندیشید كه ویژگی یك جسم چه مواردی است؟ مثلا خود شما، روزنامه‌ای كه در دست دارید یا هر چیز دیگر. فارغ از مشخصات ظاهری برخی از ویژگی‌های یك جسم، بنیادی و اساسی به‌شمار می‌رود. یكی از این موارد جرم یك جسم است (كه البته می‌توانید آن را نوعی انرژی به دام افتاده در آن جسم نیز تصور كنید). اگر از شما بپرسند چقدر جرم دارید. ممكن است بگویید مثلا 60 كیلوگرم و اگر از شما بپرسند چرا جرم شما این عدد است؟ خواهید گفت، بدن من از موادی تشكیل شده كه هر یك از آنها جرمی دارند و مجموعه جرم آنها به این عدد می‌رسد. این فرآیند خرد كردن را می‌توانید آنقدر ادامه دهید تا به ذرات بنیادی برسید. اما از آن بیشتر نمی‌توانید پیش روید. بخشی از مواد تشكیل‌دهنده بدن شما الكترون‌ها هستند؟ چرا یك الكترون مقدار مشخصی جرم دارد؟ و چرا این مقدار برای ذرات بنیادی مختلف متفاوت است؟ برای مثال چرا یك الكترون مقدار جرم مشخصی دارد كه از پروتون و نوترون كمتر از اما ذراتی مانند فوتون یا نوتریونوها كه تقریبا بدون جرم هستند، بیشتر است؟ چه چیزی باعث می‌شود كه یك ذره جرم مشخصی را داشته باشد ؟ و به عبارت دیگر، در دنیای فیزیك ذرات چه عاملی باعث می‌شود جرمی خاص به ذره‌ای خاص اختصاص یابد؟ این یكی از معماهای مدل استاندارد به شمار می‌رود و در دهه 1960 میلادی پیترهیگز نظریه‌ای را مطرح كرد كه به نام میدان هیگز معروف شد و می‌توانست این مساله را توجیه كند.

جرم مواد و نظریه هیگز

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

براساس این نظریه، كل جهان ما از میدانی به نام میدان هیگز تشكیل شده است مهم نیست اطراف یك جرم باشد یا جایی كه فكر می‌كنیم خلا است همه جا این میدان وجود دارد. اگر می‌خواهید تصور بهتری از نوع حضور این میدان داشته باشید یك آكواریوم را تصور كنید كه پر از آب است. برای ماهی‌ای كه درون این آكواریوم است شاید بقیه فضای آكواریوم خالی به نظر آید اما می‌دانیم كه مملو از ماده‌ای به نام آب است كه این آب عمدتا از ماده‌ای به نام مولكول آب یا H2O تشكیل شده است. میدان هیگز هم به همین ترتیب همه جا را در بر گرفته ولی به جای مولكول‌های آب از ذره‌ای بنیادی به نام بوزون هیگز تشكیل 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 كه با ذرات بنیادی دیگر اطراف خودش واكنش نشان می‌دهد. مثل ذرات براده آهن كه در میدان مغناطیسی واكنش نشان می‌دادند و در مسیرهای مشخصی قرار می‌گرفتند هر ذره با این بوزون‌های هیگز در حال واكنش دادن است. آنچه ذره هیگز را مهم می‌كند، این است كه بر اساس این نظریه، نوع و قدرت واكنش بوزون‌های هیگز با مواد و ذرات بنیادی اطرافش معلوم می‌كند كه آن ذره چقدر جرم داشته باشد. یعنی جرم الكترون به دلیل قدرت واكنش الكترون‌ها با بوزون هیگز است. اگر فوتون تقریبا بدون جرم است به این دلیل است كه واكنشش با بوزون‌های هیگز بسیار ضعیف است و در عوض الكترون واكنش قوی‌تری دارد.

از طرف دیگر چون بوزون‌های هیگز همه جای میدان هیگز قرار دارند و همه عالم را پر كرده‌اند (مانند آب درون آكواریوم) پس یك ذره مانند الكترون یا فوتون فارغ از این‌كه كجای عالم قرار دارند به‌طور دائمی در حال واكنش با بوزون هیگز هستند و در نتیجه جرم ثابتی دارند.

به این ترتیب در مدل استاندارد ذرات بنیادی بوزون‌های هیگز می‌توانند توضیح دهند كه چرا هر ذره جرم مخصوص به خود را دارد. اما این ذره یك ذره تئوری است (حداقل فعلا) و در آزمایشگاه مشاهده نشده و حاصل محاسبات ریاضیاتی است. این ذرات را تنها می‌توان زمانی آشكار كرد كه بتوانیم برخوردهای بزرگی را میان ذرات بنیادی ایجاد كنیم و در شرایط آشوبناك و آزاد شدن انرژی حاصل از برخورد این شانس را به وجود بیاوریم كه این ذره برای مدتی ظاهر شود و آن را آشكار كنیم. یكی از دلایل اصلی و هدف‌های علمی اولیه ساخت شتاب دهنده بزرگ هادرونی در مركز تحقیقات سرن نیز تلاش برای آشكار كردن این ذره و تایید وجود آن بوده است.

بوزون ها به دام می افتند

اینك نتایج اعلام شده نشان می‌دهد سرنخ‌هایی از این بوزون گریز پای آشكار شده است اما این مدارك هنوز آنقدر دقیق نیست كه بتوان با استناد بر آن كشف ذرات هیگز را با قطعیت اعلام كرد و دانشمندان معتقدند تا پایان سال 2012 مدارك معتبرتری به دست می‌آورند كه می‌تواند با قطعیت به این پرسش پاسخ دهد كه آیا هیگز وجود دارد یا نه؟

اما اگر در این آزمایش‌ها معلوم می‌شد، یا معلوم شود كه ذره هیگز وجود ندارد چه اتفاقی خواهد افتاد؟ در این صورت دانشمندان باید سراغ نظریات پیچیده تری برای توجیه جرم مواد بروند نظریاتی كه به نام نظریات فراق از هیگز معروفند.

آزمایش‌های مركز سرن، به‌طور اساسی دیدگاه ما را در باره بنیادهای جهانی كه در آن زندگی می‌كنیم تغییر می‌دهد و آنها را اصلاح می‌كند. به همین دلیل گران ترین آزمایشگاه تاریخ بشر به كاوش در بنیادی‌ترین ذرات و بالاترین انرژی‌ها و سرعت‌ها می‌پردازد تا سرنخ‌هایی از واقعیت جهان را آشكار كند و به همین دلیل هم هست كه جهان علم با دقت چشم به این آزمایشگاه و نتایج آن دوخته است.

پوریا ناظمی / جام جم