بوزون هیگز چیست؟

فیزیکدانان می دانستند که این ذره گریزپا باید وجود داشته باشد، لیکن نیم قرن طول کشید تا کشف شود.

بوزون هیگز یکی از 17 ذره بنیادی است که مدل استاندارد فیزیک ذره ای را می سازند، مدلی که بهترین نظریه دانشمندان درباره رفتار عناصر سازنده عالم است. ذره بوزون هیگز آخرین ذره زیراتمی است که کشف شده، پنج دهه طول کشیده تا این ذره کشف شود و چنان نقش بنیادینی در فیزیک زیراتمی ایفا می کند که گاهی اوقات از آن به "ذره خدا" یاد می شود. این ذره در سال 2012 کشف شد و اهمیت آن همچنان افزایش می یابد.

نظریه میدان هیگز

یکی از خواص اصلی ماده "جرم" آن است – کمیتی که نشان دهنده میزان مقاومت جسم در برابر نیروی اعمال شده بر آن است. در معادله معروف E = mc² جرم و انرژی توسط ثابت سرعت نور به هم مربوط می شوند. بنابراین جرم و انرژی در اساس یک چیزند. حدود 99 درصد انرژی هر ماده در دنیای واقعی از انرژی پیوند ناشی می شود که ذرات تشکیل دهنده درون اتمها را کنار هم نگه می دارد. باقیمانده 1 درصد جرم در ذات این ذرات بنیادین قرار دارد. سوال این است: این ذرات جرم خود را چگونه بدست می آورند؟

در دهه 1960 فیزیکدانان ذره ای از جمله پیتر هیگز از دانشکاه ادین بورو به یک پاسخ ممکن دست یافتند. سازوکار پیشنهادی توسط آنها شامل یک میدان نامشهود اما همه جا حاضر به نام "میدان هیگز" بود. ذرات بنیادین از طریق برهم کنش با این میدان جرم خود را بدست می آورند.

ذرات مختلف از آنجایی  دارای جرمهای مختلف هستند که هرکدام برهمکنش متفاوتی با میدان هیگز دارند. می توان این واقعیت را به حرکت یک فرد (یک ذره) از میان گروهی از گزارشگران (میدان هیگز) تشبیه کرد. اگر این فرد یک هنرپیشه معروف باشد باید راه خود را به سختی از درون آنها باز کند – درست مانند یک ذره پرجرم – اما اگر فرد ناشناسی باشد براحتی از میان آنها عبور می کند – مانند یک ذره سبک.

بوزون هیگز یکی از 17 عنصر بنیادین است که مدل استاندارد فیزیک ذره را می سازند. مدل استاندارد بهترین نظریه توجیه کننده اجزای سازنده جهان است. بوزون هیگز آخرین ذره این مدل بود که پس از پنج دهه جستجو کشف شد و چنان نقش مهمی در فیزیک ریزاتمی ایفا می کند که به نام ذره خدا معروف شده است.

یکی از بنیادی ترین خواص ماده جرم آن است – کمیتی که میزان مقاومت یک جسم در برابر نیروی اعمال شده به آن را نشان می دهد. این کمیت همان m در معادله معروف اینشتاین E = m c2 است. در این معادله c (سرعت نور) یک ثابت است بنابراین معادله به ما می گوید که انرژی و جرم در حقیقت یک کمیت با یکای اندازه گیری مرتبط هستند. حدود 99 درصد جرم دنیای واقعی – مانند بدن آدمی – از انرژی پیوندی ناشی می شود که ذرات بنیادی را در کنار هم نگه می دارد. یک درصد باقیمانده مربوط به ذرات بنیادی 17 گانه است. سوال این است: این ذرات جرم خود را چگونه بدست می آورند؟

در دهه 1960 فیزیکدانان نظری از جمله پیتر هیگز از دانشگاه ادینبورگ یک پاسخ ممکن برای این پرسش اساسی یافتند. سازوکار پیشنهادی توسط آنها شامل یک میدان نامشهود ولی نافذ در همه جا به نام میدان هیگز بود. ذرات بنیادی از طریق برهمکنش خود با این میدان  جرم خود را بدست می آورند.

بوزون هیگز یک ذره سنگین فرضی بود که دارای جرمی بالا بوده و حامل میدان هیگز بشمار می رفت. هیگز مقاله اولیه خود را در 31 آگوست 1964 ارائه کرد. نظریه هیگز توضیحی عالی برای جرم ذرات بنیادین بود اما آیا این نظریه درست بود؟ مشهودترین راه برای تایید این نظریه کشف یک ذره بوزون بود. اما کشف ذره بوزون کار آسانی نیست زیرا بسیار ناپایدار است و در کسر کوچکی از ثانیه به سایر ذرات متلاشی می شود. جرم عظیم آن نسبت به سایر ذرات نیز بدان معناست که تنها در برخوردهای با انرژی بسیار بالا تولید می شود. وقتی مرکز پژوهشی فیزیک دره ای اروپا (CERN) عظیم ترین شتابدهنده ذره خود به نام برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) را ساخت یکی از انگیزه های اصلی آن کشف بوزون هیگز بود

کشف بوزون هیگز

فیزیکدانان جرم ذرات را بر حسب الکترون ولت (eV) اندازه گیری می کنند. برای مثال جرم یک پروتون – هسته اتم هیدروژن – 938 میلیون الکترون ولت ست. وقتی LHC کار خود را در سال 2008 آغاز کرد تنها چیزی که فیزیکدانان بطور مطمئن درباره بوزون هیگز می دانستند این بود که جرم آن باید حدود 114 میلیارد الکترون ولت باشد زیرا در غیر اینصورت توسط شتابدهنده های نسل های پیشین کشف می گردید. خوشبختانه LHC برای این کار توانمندی لازم را داشت و تعداد فزاینده ای ذره مشابه هیگز با جرم حدود 125 میلیارد الکترون ولت کشف کرد. تا جولای 2012 دیگر شکی باقی نمانده بود که بوزون هیگز کشف شده و اعلام رسمی آن باعث غوغایی در رسانه ها شد. پس از 50 سال از پیشنهاد این مدل ذره ای، بالاخره بوزون هیگز کشف شده بود.

متاسفانه یکی از سه دانشمندی که روی نظریه میدان هیگز کار کرده بودند، رابرت براوت یکسال قبل از اعلام این پیروزی درگذشته بود. لیکن دو دانشمند باقیمانده، فرانسواز انگلرت و پیتر هیگز بواسطه کشف نظری سازوکاری که به درک ما از ماهیت اصلی جرم ذرات زیراتمی کمک می کند، سازوکاری که اخیرا با کشف ذره بنیادی پیش بینی شده تایید شده است، مشترکا جایزه نوبل 2013 فیزیک را  از آن خود کردند. برای کشف این ذره دانشمندان 30.6 میلیون تلاشی ذرات تولید شده در برخوردهای بسیار پرانرژی در شتابدهنده LHC را مورد تحلیل قرار دادند.

ذره بوزون هیگز پس از تلاشی به کوارکها و میونها تبدیل می شود. دانشمندان هنوز در تلاشند با مطالعه بیشتر دزه بوزون هیگز بتوانند برخی از بزرگترین رازهای عالم مانند ماده تاریک را تحلیل کنند.

منابعی برای مطالعه بیشتر:

• Listen to physicist Sean Carroll talking about the Higgs boson
• View a timeline of the Higgs boson from concept to reality
• Learn more about the Standard Model and the Higgs boson's role in it

Bibliography

The Higgs boson. CERN. https://home.cern/science/physics/higgs-boson 

CERN answers queries from social media. CERN. https://home.cern/resources/faqs/cern-answers-queries-social-media 

DOE Explains...the Higgs Boson. U.S. Department of Energy. https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson 

Wilton, Pete. (2015, July) Exploring the Higgs boson's dark side. University of Oxford. https://www.ox.ac.uk/news/science-blog/exploring-higgs-bosons-dark-side

The Nobel Prize in Physics. (2013) The Nobel Foundation. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/summary/ 

Peter Higgs and the Higgs Boson. (2014, March) The University of Edinburgh. https://www.ph.ed.ac.uk/higgs/brief-history 

Greene, Brian. How the Higgs Boson Was Found. (2013, July) https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-the-higgs-boson-was-found-4723520/