بوزون هیگز می‌توانست از فروپاشی جهان ما به حبابهای دیگر حفظ کند؟!

تولید حباب‌های دیگر  در چندجهانی در عوض به پایان خود می‌رسیدند.

این تصویر انتزاعی یک چندجهانی حباب‌مانند را به تصویر می‌کشد. (اعتبار تصویر: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY از  Getty Images)

بوزون هیگز، ذره مرموزی که به ذرات دیگر جرم می‌دهد، می‌توانست جهان ما را از فروپاشی حفظ کند. یک نظریه جدید جسورانه نشان می‌دهد که ویژگی‌های آن ممکن است سرنخی از این باشد که ما در جهان‌های چندگانه‌ای از جهان‌های موازی زندگی می‌کنیم.

این نظریه که در آن مناطق مختلف جهان مجموعه‌های متفاوتی از قوانین فیزیکی دارند، نشان می‌دهد که تنها جهان‌هایی که بوزون هیگز در آن‌ها کوچک است (از نظر گیگا الکترون ولت) ، زنده می‌مانند.

اگر این امر درست باشد، مدل جدید مستلزم ایجاد ذرات جدید است که به نوبه خود توضیح می‌دهد که چرا نیروی قوی – که در نهایت از فروپاشی اتم‌ها جلوگیری می‌کند – به نظر می‌رسد از تقارن‌های خاصی پیروی می‌کند و در طول مسیر، می‌تواند به آشکار شدن ماهیت ماده تاریک کمک کند – ماده‌ای گریزان که بیشتر ماده را می‌سازد.

داستان دو هیگز

در سال 2012، برخورددهنده بزرگ هادرونی به یک شاهکار واقعاً عظیم دست یافت. این شتاب‌دهنده ذرات زیرزمینی در امتداد مرز فرانسه و سوئیس، برای اولین بار بوزون هیگز را شناسایی کرد، ذره‌ای که دهه‌ها از دید فیزیکدانان دور مانده بود. بوزون هیگز سنگ بنای مدل استاندارد است. این ذره به ذرات دیگر جرم می‌دهد و بین نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی تمایز ایجاد می‌کند.

اما با خبرهای خوب، خبرهای بدی هم آمد. جرم هیگز 125 گیگاالکترون ولت (GeV) بود که کمی کوچکتر از آن چیزی بود که فیزیکدانان تصور می‌کردند.

برای اینکه کاملا واضح باشد، چارچوبی که فیزیکدانان برای توصیف باغ وحش ذرات زیراتمی، معروف به مدل استاندارد استفاده می‌کنند، در واقع مقدار جرم هیگز را پیش‌بینی نمی‌کند. برای اینکه آن نظریه درست کار کند، عدد باید به صورت تجربی استخراج شود. اما محاسبات باعث شد فیزیکدانان حدس بزنند که هیگز جرم فوق‌العاده زیادی خواهد داشت. بنابراین هنگامی که جوایز نوبل اهدا شد، این سوال پیش آمد: چرا هیگز چنین جرم کمی دارد؟

در یک مشکل دیگر و در ابتدا نامربوط، نیروی قوی دقیقاً آنطور رفتار نمی‌کند که مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند. در ریاضیاتی که فیزیکدانان برای توصیف فعل و انفعالات انرژی بالا استفاده می‌کنند، تقارن‌های خاصی وجود دارد. به عنوان مثال، تقارن بارC (تغییر همه بارهای الکتریکی در یک برهمکنش و همه چیز یکسان عمل می‌کند)، تقارن زمان T (یک واکنش را به عقب اجرا کنید و آن یکسان است) و تقارن پاریته یا parity  (یک برهمکنش را به تصویر آینه‌ای آن برگردانید و همان است).

در تمام آزمایش‌هایی که تا به امروز انجام شده است، به نظر می‌رسد که نیروی قوی برای رعایت تقارن، ترکیبی از charge reversal and parity reversal پیروی می‌کند. اما ریاضیات نیروی قوی همان تقارن را نشان نمی‌دهد. هیچ پدیده طبیعی شناخته شده‌ای نباید این تقارن را اعمال کند و با این حال به نظر می‌رسد طبیعت از آن پیروی می‌کند. این موضوع  چه چیزی را نشان می‌دهد؟

بزرگترین خرد کننده اتم جهان، برخورد دهنده بزرگ هادرونی، حلقه‌ای به طول 17 مایل (27 کیلومتر) را در زیرزمین مرز فرانسه و سوئیس تشکیل می‌دهد. (اعتبار تصویر: Maximilien Brice/CERN)

موضوع چند جهانی

یک جفت نظریه‌پرداز، رافائله تیتو دآگنولو از کمیسیون انرژی‌های جایگزین و انرژی اتمی فرانسه (CEA) و دانیله ترزی از سرن، فکر کردند که این دو مشکل ممکن است به هم مرتبط باشند. در مقاله‌ای که در ژانویه در مجله Physical Review Letters منتشر شد، آنها راه حل خود را برای معماهای دوقلو بیان کردند.

راه حل آنها: جهان به تازگی به این شکل متولد شده است.

آنها ایده‌ای به نام چندجهانی را استناد کردند که از نظریه‌ای به نام تورم متولد شد. طبق ایده تورم در اولین روزهای بیگ‌بنگ، کیهان ما تحت یک دوره انبساط بسیار زیاد قرار گرفت که اندازه آن در هر بیلیونوم ثانیه دو برابر می شد.

فیزیکدانان دقیقاً مطمئن نیستند که چه چیزی تورم را تقویت کرده یا چگونه کار می‌کند، اما یک نتیجه از ایده اصلی این است که جهان ما هرگز از تورم متوقف نشده است. در عوض، چیزی که ما آن را “جهان ما” می‌نامیم، تنها یک تکه کوچک از کیهانی بسیار بزرگتر است که دائماً و به سرعت در حال متورم شدن است و دائماً از جهانهای جدید بیرون می‌آید، مانند کفهای موجود در کل کف موجود  در وان حمام شما.

مناطق مختلف این «چندجهانی» مقادیر متفاوتی از جرم هیگز خواهند داشت. محققان دریافتند که جهان‌هایی با جرم هیگز بزرگ ( از نظر گیگاالکترون ولت) قبل از اینکه فرصتی برای رشد پیدا کنند، به طرز فاجعه‌باری در حال فروپاشی هستند. فقط مناطقی از چندجهانی که جرم هیگز پایینی دارند ( از نظر گیگا الکترون ولت) زنده می‌مانند و نرخ انبساط پایداری دارند که منجر به توسعه کهکشان‌ها، ستارگان، سیارات و در نهایت برخورددهنده‌های ذرات پرانرژی می‌شود.

برای ساختن یک جهان چندگانه با جرم‌های هیگز متفاوت، تیم مجبور شد دو ذره دیگر را وارد ترکیب کند. این ذرات افزوده‌های جدیدی به مدل استاندارد خواهند بود. فعل و انفعالات این دو ذره جدید جرم هیگز را در نواحی مختلف جهان چندگانه تعیین می‌کند و آن دو ذره جدید نیز قادر به انجام کارهای دیگری هستند.

زمان آزمایش طرح

ذرات پیشنهادی جدید نیروی قوی را تغییر می‌دهند که منجر به تقارن بار- برابری می‌شود که در طبیعت وجود دارد. آنها بسیار شبیه یک آکسیون عمل می‌کنند، ذره فرضی دیگری که در تلاش برای توضیح ماهیت نیروی قوی معرفی شده است.

ذرات جدید نیز نقشی محدود به جهان اولیه ندارند. آنها ممکن است هنوز در کیهان کنونی ساکن باشند. اگر یکی از جرم‌های آن‌ها به اندازه کافی کوچک باشد (از نظر گیگاالکترون‌ولت)، می‌توانست در آزمایش‌های شتاب‌دهنده ما از تشخیص فرار کند، اما همچنان در فضا شناور خواهد بود.

به عبارت دیگر، یکی از این ذرات جدید می‌تواند مسئول ماده تاریک باشد، ماده نامرئی که بیش از 85 درصد از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد.

این یک پیشنهاد جسورانه است: حل دو مورد از بزرگترین چالش‌های فیزیک ذرات و همچنین توضیح ماهیت ماده تاریک.

آیا واقعاً یک راه حل می‌تواند به این سادگی باشد؟ هر چقدر هم که ظریف است، این نظریه هنوز نیاز به آزمایش دارد. این مدل محدوده جرم خاصی را برای ماده تاریک پیش‌بینی می‌کند، چیزی که آزمایش‌های آینده که در جستجوی ماده تاریک هستند، مانند تأسیسات زیرزمینی Super Cryogenic Dark Matter Search، می‌توانند تعیین کنند. همچنین، این نظریه پیش‌بینی می‌کند که نوترون باید یک عدم تقارن کوچک اما بالقوه قابل اندازه‌گیری در بارهای الکتریکی درون نوترون داشته باشد که تفاوتی با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد دارد.

متأسفانه باید مدتی صبر کنیم. هر یک از این اندازه‌گیری‌ها، اگر نگوییم دهه‌ها، سال‌ها طول می‌کشد تا به‌طور مؤثر ایده جدید را رد کند – یا از آن حمایت کند.

در فیزیک ذرات، نقض CP نقض تقارن CP (یا تقارن پاریته مزدوج بار) است: ترکیب تقارن C (تقارن بار) و تقارن P (تقارن پاریته). تقارن CP بیان می کند که اگر یک ذره با پادذره خود (تقارن C) تعویض شود در حالی که مختصات فضایی آن معکوس باشد (‘آینه’ یا تقارن P) باید قوانین فیزیک یکسان باشد. کشف نقض CP در سال 1964 در فروپاشی کائون های خنثی منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال 1980 برای کاشفان آن جیمز کرونین و وال فیچ شد.

هم در تلاش‌های کیهان‌شناسی برای توضیح تسلط ماده بر ضدماده در جهان کنونی و هم در مطالعه برهمکنش های ضعیف در فیزیک ذرات نقش مهمی ایفا می‌کند.

در فیزیک، کنژوگاسیون بار تبدیلی است که همه ذرات را با پادذرات متناظرشان تغییر می‌دهد، بنابراین علامت همه بارها تغییر می‌کند: نه تنها بار الکتریکی، بلکه بارهای مربوط به نیروهای دیگر. اصطلاح تقارن C مخفف عبارت ‘تقارن صرف بار’ است و در بحث های مربوط به تقارن قوانین فیزیکی تحت صرف بار استفاده می شود. سایر تقارن های گسسته مهم عبارتند از تقارن P (تعادل) و تقارن T (معکوس زمانی).

این تقارن‌های گسسته، C، P و T، تقارن‌هایی از معادلات هستند که نیروهای بنیادی شناخته شده طبیعت را توصیف می‌کنند: الکترومغناطیس، گرانش، برهم‌کنش‌های قوی و ضعیف. بررسی اینکه آیا معادله ریاضی داده شده به درستی طبیعت را مدل می‌کند، نیازمند تفسیر فیزیکی نه تنها برای تقارن‌های پیوسته، مانند حرکت در زمان، بلکه همچنین به تقارن‌های گسسته آن و سپس تعیین اینکه آیا طبیعت به این تقارن‌ها پایبند است یا خیر. بر خلاف تقارن‌های پیوسته، تفسیر تقارن‌های گسسته از نظر فکری کمی بیشتر و گیج‌کننده‌تر است. یک شگفتی اولیه در دهه 1950 ظاهر شد، زمانی که چین شیونگ وو نشان داد که برهمکنش ضعیف تقارن P را نقض می‌کند. برای چندین دهه، به نظر می‌رسید که تقارن ترکیبی CP حفظ می‌شود، تا زمانی که برهمکنش‌های نقض کننده CP کشف شد. هر دوی این اکتشافات منجر به دریافت جوایز نوبل می‌شود.

مترجم: مرتضی نادری‌فرد

منبع:

The Higgs boson could have kept our universe from collapsing

By Paul Sutter

https://www.space.com/higgs-particle-universe-collapse-in-multiverse