در مدل استاندارد فیزیک ذرات، ذره‌ها جرم خودشان را از چیزی با عنوان مکانیسم هیگز به دست می‌آورند. مکانیسم هیگز براساس وجود یک میدان هیگز است که تمام فضا را پر کرده است. میدان هیگز نوعی ذره ایجاد می‌کند که بوزون هیگز است که تمام فضا را پر کرده است. میدان هیگز نوعی ذره ایجاد می‌کند که بوزون هیگز نام دارد. میدان هیگز برای ایجاد بوزون‌های هیگز به انرژی بسیار زیادی احتیاج دارد و فیزیکدانان نتوانسته بودند یکی از آنها را به وجود آورند، بنابراین، هیگز تنها ذره‌ای بود که توسط مدل استاندارد پیش‌بینی شده، اما مشاهده نشده بود. پیدا کردن ذرات جدیدی که نظریه‌ی ریسمان اعلام می‌کند، از دلایل اصلی دانشمندان برای نیاز داشتن به شتاب‌دهنده‌های پیشرفته، برای انجام آزمایشاتی با انرژی‌های بالاتر است.

نیروی هسته‌ای ضعیف، بعد از فواصل کوتاه، به سرعت افت می‌کند. طبق نظریه‌ی میدان کوانتومی، به این معنا که ذرات واسطه‌ی نیرو ـ یعنی بوزون‌های W و Z ـ باید جرم داشته باشند (برخلاف گلوئون‌ها و فوتون‌ها که جرم ندارند).

مشکل اینجاست که در نظریه‌های پیمانه‌ای فقط ذرات بدون جرم به صورت واسطه عمل می‌کنند. اگر بوزون‌های پیمانه‌ای جرم داشته باشند، پس اساسا نمی‌توان نظریه‌ی پیمانه‌ای تعریف کرد. مکانیسم هیگز، با معرفی میدان جدیدی به نام میدان هیگز، مانع از این مشکل می‌شود. در انرژی‌های بالا، جایی که نظریه‌ی پیمانه‌ای تعریف می‌شود، بوزون‌های پیمانه‌ای جرم ندارند و نظر به همان‌گونه که پیش‌بینی شده کار می‌کند. در انرژی‌های پایین،‌این میدان باعث شکسته شدن تقارن شده و اجازه می‌د هد که ذرات جرم پیدا کنند.

طبق این نظریه، اگر میدان هیگز واقعا وجود داشته باشد، ذراتی به نام بوزون‌های هیگز را به وجود می‌آورد. جرم بوزون هیگز چیزی نبود که نظریه به ما بگوید.

خوشبختانه این معیار، در حوزه‌ای که می‌توانیم به صورت تجربی بررسی کنیم قرار داشت و درست همین اواخر، کشف بوزون هیگز در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی، آخرین تاییدیه بر مدل استاندارد فیزیک ذرات شد.

مکانیسم هیگز، میدان هیگز یا بوزون هیگز، همه به خاطر فیزیکدان اسکاتلندی، پیتر هیگز اینطور نامیده شده‌اند. هر چند او اولین نفری نبود که این مفاهیم را پیشنهاد داد، اما این اسامی از نام او گرفته شده ـ یکی از آن چیزهایی که گاهی در فیزیک اتفاق می‌افتد.

طبقه این نظریه کل جهان ما را میدان هیگز دربرگرفته است. این میدان از ذراتی بنیادی به نام بوزون‌های هیگز (با اسپین صفر) ساخته شده است (مثل هوا که اطراف ما را پر کرده و از مولکول‌های اکسیژن و هیدروژن و…. تشکیل شده). بوزون هیگز یا ذره خدا جرم مشخصی دارد و ذره‌نسبتا سنگینی به شمار می‌رود (حدود 125 برابر جرم پروتون). به علاوه این ویژگی مهم را دارد که با دیگر ذرات بنیادی اطراف خودش واکنش نشان می‌دهد. نوع و قدرت واکنش‌ بوزون‌های هیگز با بعضی از مواد و ذرات بنیادی اطرافش است که معلوم می‌کند آن ذره چقدر جرم داشته باشد. یعنی جرم الکترون به دلیل قدرت واکنش الکترون با بوزون هیگز است و اگر فوتون تقریبا بدون جرم است به این دلیل است که واکنش آن با بوزون‌های هیگز بسیار ضعیف است. چون بوزون‌های هیگز همه عالم را پر کرده‌اند. پس ذره‌ای مانند الکترون یا فوتون فارغ از این که کجای عالم قرار دارد، به طور 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 ذراتی مانند الکترون‌ها و کوارک‌ها یا بوزون‌های Z و W جرم مخصوص به خود را دارند. اما این ذره ناپایدار بوده و بلافاصله پس از به وجود آمدن واپاشی می‌کند، بنابراین تاکنون هرگز در آزمایشگاههایی با انرژی کم مشاهده نشده و تنها حاصل محاسبات ریاضیاتی بود.

سرانجام نیم قرن تلاش دانشمندان برای یافتن قطعه گمشده مدل استاندارد ذرات عملا به نتیجه رسید و نتایجی که از آزمایش‌های اطلس و سی. ام.اس در برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی سرن در تابستان 2012 (تیرماه 1391) منتشر شد، وجود ذره‌ای با مشخصات هیگز را در محدوده انرژی 125 تا 126 گیگاالکترون اثبات کرد. بیش از ده هزار نفر به طور مستقیم در آزمایش شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی مشارکت داشته و ده‌ها کشور در ساخت و بهره‌برداری از آن ایفای نقش کرده‌اند. ایران نیز علاوه بر ساخت بخشی از یکی از قطعات آشکارساز سی.ام.اس این شتاب‌دهنده، با حضور چند نفر از دانشجویات و پژوهشگران ایرانی از جمله محققان پژوهشگاه دانش‌های نیادی در انجام تحقیقات سهیم بوده است.

به همین دلیل کمیته نوبل مستقر در آکادمی سلطنتی علوم سوئد، فرانسوا انگلرت، استاد 81 ساله و بازنشسته دانشگاه بروکسل در بلژیک و پیتر هیگز، استاد 84 ساله و بازنشسته دانشگاه ادینبورگ در انگلیس را به خاطر کشف نظری مکانیسمی که به درک ما از منشا جرم ذرات زیراتمی کمک می‌کند و با کشف هیگز تایید شد، به طور مشترک برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 2013 اعلام کرد. این دو دانشمند که در سال 1964 (1343) و مستقل از یکدیگر چگونگی جرم‌دار شدن ذرات زیراتمی را پیشنهاد کرده بودند، برای نخستین بار در کنفرانس سرن برای اعلام کشف ذره هیگز یکدیگر را ملاقات کردند.

 

منبع:

کتاب نظریه ریسمان نوشته اندرو زیمرمن جونز، دنیل رابینز

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *