چطور بوزون هیگز فهم ما را از دنیا تغییر داد

پیتر هیگز، فیزیکدان بریتانیایی برنده جایزه نوبل، روز سه‌شنبه در سن ۹۴ سالگی درگذشت. به رسم یادبود، تصمیم گرفتیم بار دیگر نگاهی بیاندازیم به این مقاله که در سال ۲۰۲۲ منتشر شد و به بررسی دلایل اهمیت کشف ذره‌ای می‌پردازد که با نام خودش – بوزون هیگز – شناخته می‌شود و چگونگی تاثیرش بر درک ما از کمابیش تمامی چیزهای اطرافمان.

روز ۴ ژوئیه ۲۰۱۲، پژوهشگران برخورددهنده هادرونی بزرگ (ال‌اچ‌سی) اعلام کردند که آخرین تکه پازلی را پیدا کرده‌اند که برای مدت ۴۸ سال ناتمام باقی مانده بود.

برخورددهنده هادرونی بزرگ پیچیده‌ترین و بزرگترین ماشینی است که تا کنون ساخته شده است؛ چیزی که پیدا کرد ذره‌ای است از دنیای زیراتمی که یکی از تکه‌های بنیادی سازنده هر چیزی است که می‌شناسیم.

آن تکه بوزون هیگز است، و تایید وجودش یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای فیزیک مدرن محسوب می‌شود.

با کشف بوزون هیگز، مدل استاندارد تکمیل شد – این مدل دسته‌ای از ذرات بنیادی را توصیف می‌کند که مانند تکه‌های لگو که به یکدیگر متصل شده‌اند هر آن چه در اطرافمان هست، و نیروهای برهم‌کنشی بینشان، را تشکیل می‌دهند.

برخورددهنده هادرونی بزرگی نتیجه یک ماجراجویی بود که هنگامی که پیتر هیگز، فیزیکدان بریتانیایی، در سال ۱۹۶۴ پیش‌بینی نظری خود مبنی بر وجود بوزون را منتشر کرد شروع شد.

هیگز خودش گفته بود که بوزون «تنها ایده خوبی» بود که داشته است، و در ابتدا گمان می‌کرد که نظریه‌اش چیزی جز مشتی محاسبه بی‌فایده نیست.

اما اتفاقی که در واقعیت افتاد این است که ذره‌ای که او در نظر پرداخته بود، و برخورددهنده وجودش را در ادامه تایید کرد، باعث بروز انقلابی در درک ما از جهان شد.

تنها همان یک ایده باعث شد که جایزه نوبل فیزیک را در سال ۲۰۱۳ به آقای هیگز بدهند.

در گفت‌وگویی که به مناسبت دهمین سالگرد کشف بوزون هیگز در ال‌اچ‌سی داشتیم، دو تن از کارشناسان توضیحاتی راجع به نقشی که این ذره کوچک در پاسخ دادن به دو پرسش بزرگ ایفا می‌کند ارائه کردند: ما از کجا آمده‌ایم و از چه ساخته شده‌ایم؟

مدل استاندارد

برای مدتی طولانی، باور غالب بر این بود که اتم بنیادیترین ذره است و همه چیز از آن ساخته می‌شود.

سپس فهمیدیم که خود اتم در واقعیت از ذرات کوچکتری ساخته شده است: پروتون و نوترون که در هسته اتم قرار دارند، و الکترون که دور هسته اتم می‌چرخد. اما امروز می‌دانیم که حتی پروتون و نوترون را هم می‌شود به ذرات کوچکتری تقسیم کرد.

در کل، ۱۷ ذره بنیادی کشف شده است که وقتی تحت تاثیر نیروهای مختلف با یکدیگر تعامل می‌کنند، تمامی جهانی را که می‌شناسیم برمی‌سازند.

این گروه ۱۷ گانه ذرات و نیروهای بینشان با نام مدل استاندارد شناخته می‌شوند.

ذره‌های مدل استاندارد به دو خانواده اصلی تقسیم می‌شوند: فرمیون‌ها و بوزون‌ها.

فرمیون‌ها آجرهایی اند که همه چیزهای جهان با آن‌ها ساخته می‌شوند. آن‌ها مانند تکه‌های لگویی اند که بنا به نحوه ترکیب اتم‌های گوناگون را می‌سازند.

در کل ۱۲ فرمیون داریم که به ۶ کوارک و ۶ لپتون تقسیم می‌شوند. به بیان دیگر: همه موادی که می‌شناسیم از ترکیب‌های گوناگون کوارک‌ها و لپتون‌ها ساخته شده‌اند.

بوزون‌ها ذراتی اند که نیروهای تعاملی میان فرمیون‌ها را با خود حمل می‌کنند. در کل پنج نوع بوزون داریم که هر کدام یکی از سه نیرو بنیادی را که باعث تعامل ماده می‌شوند حمل می‌کنند:

۱. گلوئون که حامل نیروی هسته‌ای قوی است که کوارک‌ها را به هم می‌چسباند؛

۲ و ۳. بوزون دبلیو و بوزون زد که حامل نیروی هسته‌ای ضعیف اند و باعث می‌شوند که هسته یک اتم در فرایند واپاشی به گونه دیگری از اتم تبدیل شود؛

۴. فوتون‌ها که نیروی الکترومغناطیس را حمل می‌کنند.

یک نیروی چهارمی هم هست که شاید از همه معروفتر باشد: جاذبه.

اما جاذبه در مقیاس زیراتمی چنان ضعیف است که می‌توان تاثیرش را به میزان خوبی نادیده گرفت، برای همین بخشی از مدل استاندارد نیست.

در نتیجه، ما تقریبا مدل استاندارد را کامل کرده‌ایم: خانواده فرمیون‌ها در تعامل با خانواده بوزون‌ها جهان را برمی‌سازند.

اما هنوز راجع به بوزون پنجم حرف نزده‌ایم... بوزون هیگز.

بوزون هیگز چیست؟

با ۱۲ فرمیون و ۴ بوزون، ما ۱۶ تا از ۱۷ تکه مدل استاندارد را در دست داریم.

تنها چیزی که غایب است تکه‌ای است که مدل را تکمیل می‌کند: بوزون هیگز.

بوزون هیگز مستلزم پاسخ دادن به یک پرسش کلیدی است: ذراتی مانند کوراک و لپتون جرمی دارند که با آن ماده تشکیل می‌دهند. اما چه چیزی به این ذرات جرم می‌بخشد؟

پاسخ این پرسش را باید در سازوکار هیگز جست، محیطی نامرئی که تمامی جهان را احاطه می‌کند و به تمام ذراتی که از آن می‌گذرند جرم می‌دهد.

بوزون‌های هیگز در این سازوکار هیگز قرار دارند و جرم ذراتی که ماده را تشکیل می‌دهند از همین ناشی می‌شود.

فرانک کلوز، پروفسور فیزیک نظری در دانشگاه آکسفورد، می‌گوید «کشف بوزون هیگز به ما نشان داد که ما در چیزی شگفت غوطه می‌خوریم، و آن چیز شگفت همان سازوکار هیگز است.»

او در کتابی تحت عنوان «گریزان: پیتر هیگز چگونه از راز جرم پرده برداشت» می‌گوید «همان طور که ماهی باید در آب غوطه‌ور باشد، ما هم به سازوکار هیگز نیاز داریم.»

در سال ۱۹۶۴، پیتر هیگز یکی از نخستین کسانی بود در بعد نظری به وجود چنین سازوکاری پرداخت و اولین کسی بود که پیش‌بینی کرد که یک ذره هم حتما باید در کنار این سازوکار وجود داشته باشد.

اما تنها با کمک ال‌اچ‌سی بود که ما توانستیم در سال ۲۰۱۲ این ذره را که امروزه با نام بوزون هیگز می‌شناسیم مشاهده کنیم و وجودش را در عمل نیز ثابت کنیم.

این کشف چرا تا این اندازه مهم بود؟

به گفته سائول نویه راموس سانچز، پژوهشگر در موسسه فیزیک دانشگاه ملی مستقل مکزیک، کشف بوزون هیگز نقطه عطف سه‌گانه مهمی بود که درک ما از جهان را عوض کرد.

۱. دانش ما از ذرات بنیادی را که همه چیز را می‌سازند تکمیل کرد. به گفته او «بالاخره ما همه ذراتی را که اتم‌های ما را می‌سازند شناخته‌ایم، از جمله نسبتشان با ذرات دیگر.»

۲. ذره‌ای کشف شد که با ذرات دیگر متفاوت بود. بوزون هیگز نه شبیه الکترون است و نه شبیه پروتون، و مسئول نوعی برهم‌کنش مشخص است که به وجود جرم در این ذرات منجر می‌شود. به بیان دیگر، بوزون هیگز آن تکه کلیدی است که برای ما توضیح می‌دهد ذرات دیگر چرا چنین اند.

۳. دقیقترین نظریه تاریخ. آقای راموس سانچز می‌گوید که مدل استاندارد «دقیقترین نظریه‌ای است که بشریت در دست دارد». در میان نظریه‌ها بیشترین صحت را دارد. پروفسور کلوز هم این را تصدیق می‌کند و می‌گوید «اگر چند استثنا کوچک را کنار بگذاریم، همه چیزهایی را که می‌بینیم خیلی خوب توضیح می‌دهد.»

آینده

کارشناسان اتفاق نظر دارند که پس از آن روز تاریخی در ژوئیه ۲۰۱۲، هیچ کشف مهم دیگری در زمینه فیزیک ذرات صورت نگرفته است.

بعضی از آزمایش‌های اخیر در برخورددهنده هادرونی بزرگ و آزمایشگاه فرمی، شتاب‌دهنده ذرات دیگری در ایالات متحده، نشانه‌هایی مبنی بر وجود احتمالی یک ذره جدید یا نیرویی سابقا ناشناخته را آشکار کرده‌اند.

اگر چنین باشد، ممکن است مدل استاندارد را به چالش بکشد.

اما نتایج این آزمایش‌ها با قطعیت همراه نبوده‌اند.

به گفته آقای راموس سانچز «پس از کشف بوزون هیگز، مدل استاندارد از هر چیز دیگری استوارتر است.»

اما شکی نیست که مدل استاندارد قادر به پاسخ دادن به چند پرسش نیست.

مدل استاندارد فیزیک ذرات چیزی حدود ۵ درصد جهان را توضیح می‌دهد، همان ماده معمولی یا مرئی. توضیحی برای ماده تاریک ندارد، مولفه‌ای رازآلود که حدود ۲۷ درصد جهان را تشکیل می‌دهد. ۶۸ درصد باقی‌مانده نیز از انرژی تاریک تشکیل شده است که به همان اندازه مرموز است.

این مدل همچنین نمی‌تواند توضیح دهد که چرا مقدار ماده در جهان بیشتر از پادماده است، یا چرا روند گسترش کیهان دارد شتاب می‌گیرد.

و یک عامل مهم دیگر را نیز نادیده می‌گیرد: جاذبه جایی در آن ندارد.

چندین نظریه برای رفع این نادانسته‌ها ارائه شده است، ولی هیچ یک پاسخی قطعی به ما نمی‌دهند.

اما کارشناسان می‌گویند که این چیزها به معنی اشتباه بودن مدل استاندارد نیست.

پروفسور کلوز می‌گوید «ای کاش مدل واقعا با بحران روبه‌رو بود! اگر با بحران روبه‌رو بود، در آن صورت سرنخ‌هایی به ما می‌داد که باید یک نظریه جدید بسازیم که همه این‌ها را توضیح دهد. 'مشکل' مدل استاندارد این است که اتفاقا خیلی خوب کار می‌کند. می‌دانیم که یک نظریه قطعی نیست، اما توضیحی کامل برای همه چیزهایی است که ما حالا در اختیار داریم.»

فراتر از مقاله

در سال ۱۹۶۴، هیگز تنها کسی نبود که داشت روی ایده وجود چیزی کار می‌کرد که ما حالا با نام سازوکار هیگز می‌شناسیم.

هم‌زمان، دانشمندان دیگری نیز داشتند در همین راستا مطالعه می‌کردند.

اما هیگز تنها کسی بود که متوجه شد ایده ریاضیاتیش درست است، که واقعا در طبیعت وجود دارد و صرفا یک حیله برای حل مشکلات نظری نیست.

پروفسور کلوز می‌گوید «فرض کلک ریاضیاتی او این است که چیز عجیبی وجود دارد که ما حالا با نام سازوکار هیگز می‌شناسیم. لذا اگر این سازوکار واقعی باشد، ما باید بتوانیم آن را حس کنیم، و راه حس کردنش هم باید چیزی باشد که ما با نام بوزون هیگز می‌شناسیم. هیگز تنها کسی بود که به واقعیت پی برد، برای همین است که این بوزون را به درستی به اسم او نام‌گذاری کرده‌اند.»

پیتر هیگز در سال‌های آخر عمرش بازنشسته‌ای منزوی بود و در شهر ادینبرا در اسکاتلند زندگی می‌کرد.

او از اینترنت استفاده نمی‌کرد، اما تلفن داشت، و در ساختمانی ساکن بود که آسانسور نداشت و باید برای رسیدن به خیابان از ۸۴ پله پایین می‌رفت.

برای پروفسور کلوز، همه این‌ها نشانه‌ای است برای مرموز بودن پیتر هیگز. مرموز مثل بوزونی که سال‌ها مخفی مانده بود و وقتی پیدا شد درک ما از جهان را برای همیشه تغییر داد.