صفر تا صد بوزون هیگز به زبان ساده - سفر به روسیه

کشف ذره هیگز شروع یک ماجرای هیجان انگیز

وجود ذره هیگز اولین بار در سال 1964 به عنوان نشانه ای از فرآیند جرم دهی به ذرات بنیادی پیش بینی شد اما برای اثبات وجود این ذره از جهانی تئوری به واقعیت، فیزیکدانان آن موقع باید منتظر ساخت برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) می بودند تا اینکه در سال 2010 بالاخره LHC ساخته شد و شروع به درهم کوبیدن پروتون ها با انرژی های بسیار بالا کرد؛ در حالی که دو آشکارساز ATLAS و CMS آشکارسازی ذرات (جت های) حاصل از برخورد پروتون ها را دنبال می کردند. کشف هیگز مشابه قطعه ی گمشده پازلِ مدل استاندارد فیزیک The Standard Model بود که جای خالی آن بالاخره پُر شد.

مدل استاندارد فیزیک یکی از پیروز ترین نظریه ها در خصوص ذرات بنیادی شناخته شده و برهمکنش های بین آن ها است. به طور کلی ذرات بنیادی به عنوان بلوک های سازنده اتم ها در نظر گرفته می گردد که نیروهای اصلی طبیعت از جمله نیروی الکترومغناطیسی را منتقل می نمایند. در این بین جالب است بدانید که درک سازوکار و جرم این ذرات کلید درک رفتار آن هاست. به عنوان مثال فرض کنید الکترون ها هیچ جرمی نداشتند، در چنین حالتی هیچ اتمی تشکیل نمی شد! بدون وجود بوزون هیگز و درک برهم کنش های آن، یکی از پیروز ترین تئوری های دانشمندان یعنی مدل استاندارد فرو می پاشید. بنابراین طبیعی بود که با کشف بوزون هیگز این خبر سرفصل اخبار علمی سراسر جهان را به خود اختصاص دهد! پس از آن و در حدود یک سال بعد از این کشف، جایزه نوبل برای فرانسوا انگلرت François Englert و پیتر هیگز Peter Higgs به خاطر ارائه تئوری هیگز به ارمغان آمد.

حال بیش از حدود 10 سال از آن روز می گذرد و فیزیکدانان طی این سال ها با آنالیز فهرستی از چیزهایی که درباره بوزون هیگز می دانند از جمله ویژگی ها و نحوه برهم کنش این ذره با دیگر ذرات سعی در درک بهتر آن دارند. گفتنی است که اگرچه مقدار گیری های حال حاضر با پیش بینی های مدل استاندارد در تطابق بوده است، اما اگر در آینده اختلافاتی مشاهده گردد، ممکن است به این معنا باشد که هنوز ذرات ناشناخته ی دیگری وجود دارند که کشف نشده اند! البته با کشف این بوزون سوالات دیگری از جمله برهم کنش بوزون هیگز با خودش هم پیش آمد که پاسخ به آن به شناسایی ویژگی های دیگر هیگز و کسب داده های بیشتر یاری می نماید.

هم اکنون LHC ارتقا یافته است و با انرژی 13.6 تریلیون الکترون ولت به کار خود به منظور جمع آوری داده های بیشتر تا سال 2026 ادامه می دهد. ضروری است بدانید که اهمیت استفاده از برخوردهنده هایی با انرژی های بالاتر فرصت شناسایی شناسایی ذرات سنگین تر را ایجاد می نماید. درواقع پیدا کردن یک ذره نو، به معنی خاتمه نیست، بلکه شروع ماجراست.

معنی جفت شدگی در فیزیک ذرات

مطالعه بوزون هیگز درست مانند پیدا کردن گنج است، همانطور که جویندگان طلا با استفاده از دستگاه جی پی اس برای کشف ذخایر پنهانی از جواهرات کوشش می نمایند، فیزیکدانان هم از درایت خود برای کشف گنجینه ای همانند بوزون هیگز استفاده می نمایند. مطالعه دقیق بوزون هیگز می تواند در حل معماهایی که مدل استاندارد قادر به شرح آن ها نیست بسیار یاری نماینده باشد؛ درواقع فیزیکدانان به خوبی آگاهند که این مدل محدودیت های خاص خود را دارد. به عنوان مثال، مدل استاندارد هیچ شرحی برای ماده تاریک ندارد؛ ماده ای که در اطراف کیهان پخش شده است و این قابلیت را دارد که کشش گرانشی لازم برای شرح انواع مشاهدات نجومی را فراهم کند. بعلاوه این مدل پاسخی برای چرایی تشکیل جهان از ماده و نه ضد ماده ندارد. با توجه به همین پاشنه آشیل ها هم، راه چاره های پیشنهادی برای این مسائل احتیاج به شناخت ذرات نوی به منظور تغییر نحوه برهم کنش هیگز با ذرات شناخته شده دارد.

همانطور که می دانید بوزون هیگز خود مسئول جرم نیست، بلکه این میدان هیگز است که به ذرات جرم می دهد! طبق فیزیک کوانتومی، همه ذرات حاصلِ میدان های نامرئی ای (که مشابه با موج هایی در فضا است) در فضا هستند، در این میان بوزون های هیگز همانند نقاط متورمی در میدان هیگز هستند که کل کیهان را فرا گرفته است. با توجه به همین شرایط وقتی ذره ای بنیادی با میدان هیگز برهم کنش می نماید، جرم به دست می آورد. بنابراین اگر ذره ای پُر جرم در جهان می بینید به این علت است که با میدان هیگز و بوزون هیگز برهم کنش قوی تری داشته است. ذرات بدون جرم، مانند فوتون ها به هیچ وجه مستقیماً با میدان هیگز برهم کنشی نداشتند.

به همین دلیل یکی از فزونین راه ها برای جمع آوری اطلاعات بیشتر در خصوص هیگز، مقدار گیری همین برهم کنش هاست که به عنوان کوپلینگ یا جفت شدگی coupling شناخته می شوند. پارامتر جفت شدگی معین می نماید که هیگز می تواند به چه ذراتی واپاشی کند، چه ذراتی می توانند برای فراوری بوزون های هیگز با هم ترکیب شوند و این فرآیندها با چه ضریبی احتمال رخداد دارد. درواقع دانشمندان پارامتر جفت شدگی را با تجزیه و تحلیل جت های فراوری شده در هنگام ظهور بوزون های هیگز در فرآیند کوبیدن پروتون ها مقدار گیری می نمایند. حتی اگر ذرات ناشناخته به حدی سنگین باشند که فعلا نتوان در LHC آن ها را دید با وجود جفت شدگی های هیگز می توان وجود آن ها را آشکار کرد.

به طور کلی فیزیکدانان از قبل نسبت به آنالیز و مقدار گیری جفت شدگی های ذرات بنیادی که شامل هر دو دسته اصلی یعنی بوزون ها (ذرات حامل نیرو) و فرمیون ها (ذرات سازنده ماده همانند الکترون ها) می گردد، علاقه مند بوده اند. بعلاوه مقدار گیری هایی بر روی برهم کنش های هیگز با یکی از خواهرزاده های سنگین الکترون به نام تااو (فرمیون) و با بوزون های W و Z (ذراتی که حامل نیروی ضعیف هسته ای و مسئول واپاشی های رادیواکتیو هستند!) اجرا شده است. جفت شدگی های هیگز با کوارک بالا و پایین هم قابل توجه است، چراکه این کوارک ها در بین شش نوع کوارک شناخته شده در طبیعت مسئول تشکیل ذرات بزرگتری مانند پروتون و نوترون هستند. به یاد داشته باشید که میدان هیگز مسئول جرم دهی به ذرات بنیادی است، اما جرم ذرات مرکب از جمله پروتون ها و نوترون ها، بیشتر از طریق انرژی ذراتیست که در اطراف آن ها وجود دارد.

اصولا پارامترهای جفت شدگی ای که تا به امروز مقدار گیری شده اند، شامل ذرات بنیادی سنگین تر در مدل استاندارد می شوند. به عنوان مثال کوارک بالا تقریباً به مقدار کل اتم طلا سنگین است؛ از طرفی از آنجایی که هیگز به شدت تمایل دارد تا با ذرات سنگین جفت گردد، مقدار گیری این دست از برهم کنش ها آسان تر است. در مرحله بعد، از آنجایی که فیزیکدانان علاقه مند به مقدار گیری جفت شدگی ذرات سبک تر هم هستند آشکارسازهایی همانند ATLAS و CMS برای مشاهده نشانه هایی از واپاشی هیگز به میوآن ها muons خواهر و برادرهای میانه وزنِ الکترون ها (سبک تر از تااو tau اما سنگین تر از الکترون)، ساخته شده اند.

بعلاوه مقدار گیری ضریب جفت شدگی کوارک های افسون charm quarks که نسبت به کوارک های بالا و پایین کم جرم تر هستند هم حائز اهمیت است و دانشمندان در پی آن هستند. طی همین آنالیز ها به نظر می رسد که تا به امروز بوزون هیگز با مدل استاندارد مطابقت داشته، اما ممکن است در آینده اختلافاتی مشاهده گردد که هنوز شناسایی نشده است.

آیا بوزون هیگز ذره ای منحصر به فرد است؟

قبل از اینکه LHC شروع به کار کند، دانشمندان نظریه ای دردانه ای داشتند که به واسطه آن مسائل مدل استاندارد را حل می کردند و آن چیزی به جز تئوری ابرتقارن supersymmetry نبود. در این نظریه هر ذره شناخته شده، یک ذره شریک کشف نشده، دارد، بنابراین فیزیکدانان امیدوار بودند که با شروع به کار LHC بتوانند این شرکای مرموز را پیدا نمایند، اما تا به امروز هنوز هیچ کدام از این ذرات پیدا نشده است. اگرچه ابرتقارن به طور کامل رد نشده است، اما احتمالات اثبات آن بسیار محدودتر قبل شده است. بنابراین با وجود عدم اجماع در میان فیزیکدانان و با وجود بسیاری نظریه های مختلف و فراتر از مدل استاندارد این روزها تمرکز بیشتر به سمت بوزون هیگز رفته است. به همین دلیل فیزیکدانان امیدوارند که مطالعات بر روی بوزون هیگز چیزهایی فراتر از مدل استاندارد را نمایش دهد!

در این میان یکی از سوالاتی که دانشمندان در LHC در حال آنالیز آن هستند این است که آیا هیگز واقعا ذره ای منحصر به فرد است یا خیر! در حالت کلی تمام ذرات بنیادی شناخته شده در عالم شکلی از تکانه زاویه ای کوانتومی به نام اسپین دارند. بوزون هیگز هم ذره ای با اسپین صفر است و همین معینه هم این ذره را به عنوان ذره ای اسکالر معرفی می نماید. در عین حال بنابر آنچه مطرح شد ممکن است سایر اعضای خانواده این ذره هم ذراتی اسکالر باشند که تا کنون از چشم ما پنهان بوده اند.

از طرفی ذکر این ایده هم خالی از لطف نیست که ممکن است هیگز ذره ای بنیادی نباشد و حاصل از ترکیب ذراتی مشابه با کوارک ها، به عنوان ذرات بزرگتر و با اسپین صفر باشد؛ یا شاید هیگز مانند ذرات اسکالر دیگر از از اجزای کوچکتری که هنوز ناشناخته اند، تشکیل شده باشد. در حالی که فیزیکدانان در جستجوی این پاسخ ها هستند، هر گونه برهم کنش هیگز با سایر ذرات به دقت آنالیز می گردد. در این میان در سال 2021، آزمایش جی دوی میوآن Muon g−2 در فرمی لب گزارش نموده است که میوآن ها دارای خواص مغناطیسی خاصی هستند که با پیش بینی های مدل استاندارد مطابقت ندارد. بعلاوه نتیجه یکسری مطالعات و آزمایش ها در آوریل سال 2011 نشان داد که جرم بوزون W سنگین تر از آن چیزی است که مدل استاندارد پیش بینی می نماید. با توجه به همین شرایط هم می توان اذعان داشت که بوزون هیگز می تواند دری به اسرار نوی باشد که هنوز کشف نشده است.

جفت شدگی بوزون هیگز با خود یا خود جفت شدگی

مساله خود جفت شدگی به مطالعه نحوه تعامل بوزون های هیگز با یکدیگر می پردازد. این موضوع از این جهت مهم است که جفت شدگی بوزون هیگز با خود می تواند ذرات پنهانی که فقط با هیگز برهم کنش می نمایند را بدون در نظر گرفتن سایر ذرات مدل استاندارد شناسایی و کشف کند. خود جفت شدگی هیگز ارتباط نزدیکی با پتانسیل هیگز (سطحی موج دار و زنگوله مانند که انرژی فراگیر میدان هیگز را در جهان توصیف می نماید!) دارد. این پتانسیل از این جهت مهم است که معین نماینده چگونگی جرم دار شدن ذرات بنیادی از طریق میدان هیگز برای اولین بار است.

اینکه دقیقا و به چه شکلی گذار ذره از حالت بی جرم به جرم دار اتفاق می افتد، سوال بسیار مهمی است و پیامدهای احتمالی بزرگی دارد، از جمله اینکه می تواند چگونگی فزونی ماده بر ضد ماده در جهان اولیه را شرح دهد. بنابراین چنین مواردی با مقدار گیری اثر انگشت هایی که روی پتانسیل هیگز به جای مانده است، شناسایی می گردد. به همین دلیل برای درک بهتر پتانسیل هیگز، دانشمندان در کوشش اند تا خودجفت شدگی هیگز را مقدار گیری نمایند که این کار با جست وجوی بوزون های هیگز فراوری شده به شکل جفت، که نشانه ای از تعامل هیگز با خودش است، دنبال می گردد.

البته این جفت ها در کمتر از یک هزارم بار در LHC فراوری می شوند، بنابراین مقدار گیری آن بسیار سخت است. اما در عین حال وجود تکنیک های نو می توانند به فیزیکدانان اجازه دهند تا رویدادهای جفت هیگز را بهتر شناسایی نمایند. به عنوان مثال در برخوردهایی که در آن دو بوزون هیگز با انرژی بالا هر کدام به یک کوارک پایین و یک آنتی کوارک پایین واپاشی می نمایند بعضی فیزیکدانان با یک تکنیک تخصصی خاص در یادگیری ماشین، حساس ترین داده ها و تحلیل ها را در خصوص این نوع فروپاشی جمع آوری کردند. بنابراین در چنین شرایطی با بهبود تکنیک ها و ترکیب نتایج حاصل از سایر تحقیقات امیدهایی وجود دارد که بتوان خود جفت شدگی هیگز را به طور قطعی مشاهده کرد.

انتظار برای کشف هایی بزرگ تر

اگرچه امروزه فیزیکدانان به وجود ذره هیگز اعتقاد دارند، اما شکار این نوع ذره نزدیک به 20 سال طول کشید، از طرفی تقریباً 50 سال طول کشید تا بوزون هیگز پس از فرضیه سازی به طور تجربی کشف گردد. در این میان با توجه به مسائلی که مدل استاندارد دارد، فیزیکدانان مطمئن هستند که باید گنجینه های بیشتری در کنار هیگز برای کشف وجود داشته باشد. البته به شخصه خود من هم ایمان زیادی در این باره دارم!

منابع اصلی:

The Higgs boson implications and prospects for future discoveries

Implications of New Physics Models for the Couplings of the Higgs Boson

The scientific potential and technological challenges of the High-Luminosity Large Hadron Collider program

منبع: New Science