این روزها بخش مهمی از اخبار علمی به شتاب دهنده بزرگ هادرون(LHC)  در بزرگترین آزمایشگاه بین المللی فیزیک ذرات بنیادی CERN  (The European Organization for Nuclear Research)  واقع در مرز بین فرانسه و سوئیس اختصاص یافته است.  به دلیل اهمیت این آزمایش بخشی از کتاب "فیزیک از آغاز تا امروز" در اینجا ارائه می شود. هدف از این آزمایش آشکار سازی ذرات هیگز و ایجاد شرایط جهان در نخشتین لحظه ی مهبانگ (Big Bang)  است. بنابراین نخست بتید دید که هیگز چیست و چه نقشی در جدول ذرات بنیادی دارد. در این مقاله روابط ریاضی که در کتاب "فیزیک از آغاز تا امروز" ارائه شده، حذف گردیده است. برای اطلاعات بیشتر به کتاب یاد شده مراجعه فرمایید.

ذرات چگونه جرم کسب مي کنند؟

مسئله جرم دو جنبه متفاوت دارد. اول آن که نياز است بدانيم جرم چگونه به وجود مي آيد. معلوم شده است که جرم حداقل از سه سازوکار متفاوت ايجاد مي شود که در ادامه تشريح خواهد شد. يک بازيگر مهم در نظريه هاي آزمايشي فيزيک دانان در مورد جرم، نوع جديدي از ميدان است که تمام جهان را فرا مي گيرد و ميدان هيگز نام دارد. گمان مي رود جرم ذرات بنيادي از برهمکنش با ميدان هيگز به وجود مي آيد. اگر ميدان هيگز وجود داشته باشد، طبق نظريه هيگز، وجود يک ذره وابسته به آن به نام هيگز ضروري است. هم اکنون دانشمندان با استفاده از شتاب  دهنده هاي ذرات به دنبال ذره هيگز هستند. جنبه ديگر اين مسئله آن است که دانشمندان مي خواهند بدانند چرا انواع مختلف ذرات بنيادي، جرم خاص خودشان را دارند. اما هنوز نمي دانيم چرا اينگونه است .

جرم چيست؟

مباني درک نوين ما از جرم بسيار پيچيده تر از تعريف نيوتن و مبتني بر مدل استاندارد است. در بطن مدل استاندارد تابع رياضي به نام لاگرانژي است که نشان دهنده چگونگي برهمکنش ذرات گوناگون است. فيزيک دانان با استفاده از اين تابع و تبعيت از قواعدي به نام نظريه نسبيت کوانتومي مي توانند رفتار ذرات بنيادي را محاسبه کرده و دريابند اين ذره ها چگونه گرد هم مي آيند و ذرات مرکبي همچون پروتون را به وجود مي آورند. مي توان چگونگي واکنش ذرات بنيادي و ذرات مرکب را نسبت به نيروها به دست آورد. در مورد نيرويF  معادله F=ma ، نيرو، جرم و شتاب حاصل از نيرو را به هم مربوط مي کند. لاگرانژي مي گويد که در اين جا براي m بايد از چه مقداري استفاده کنيم و اين مقدار همان چيزي است که از عبارت جرم ذره مد نظر فيزيک دانان است. اما جرمي که به طور معمول آن را درک مي کنيم، چيزي بيش ازF=ma  از خود نشان مي دهد. براي مثال نظريه نسبيت خاص پيش بيني مي کند که ذرات بدون جرم در خلاء با سرعت نور و ذرات جرم دار بسيار کندتر از نور حرکت مي کند، به طوري که اگر جرمشان را بدانيم مي توانيم سرعت شان را حساب کنيم. قوانين گرانش با دقت بسيار، پيشگويي مي کند که گرانش هم روي ماده و هم روي انرژي تاثير مي گذارد. همان طور که از يک مقدار خاص جرم انتظار داريم، مقدار m که از روي لاگرانژي براي هر ذره به دست مي آيد، در تمام موارد ديگر نيز صحيح است و کاربرد دارد. ذرات بنيادي، جرمي ذاتي دارند که آن را با نام جرم سکون مي شناسيم. در مورد ذرات مرکب بايد گفت که جرم سکون اجزاي

 تشکيل دهنده و انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل برهمکنش ها در جرم کلي ذره نقش دارد. همان طور که رابطه E=mc² مي گويد انرژي و جرم به يکديگر ربط دارند.

سازوکار هيگز

ذرات بنيادي(کوارک ها و الکترون ها) برخلاف پروتون ها و نوترون ها از اجزاي کوچک تري تشکيل نشده اند. شرح چگونگي کسب جرم سکون در اين ذره ها به يکي از اصلي ترين مسائل در مورد منشاء جرم تبديل شده است. تفسيرهاي ارائه شده به وسيله فيزيک نظري جديد مي گويد جرم ذرات بنيادي از برهمکنش با ميدان هيگز ناشي مي شود. اما چرا ميدان هيگز در همه جاي جهان حاضر است؟ چرا قدرت اين ميدان همانند ميدان الکترومغناطيسي در مقياس هاي کيهاني اصولا صفر نيست؟ ميدان هيگز چيست؟

ميدان هيگز يک ميدان کوانتومي است. ممکن است عجيب به نظر برسد، اما واقعيت اين است که تمام ذرات بنيادي به صورت کوانتوم هاي ميدان کوانتومي متناظر پديدار مي شوند. بنابراين ميدان هيگز از اين لحاظ عجيب تر از الکترون و نور نيست. با اين همه ميدان هيگز به سه روش مهم ديگر با تمام ميدان هاي کوانتومي تفاوت دارد.

1- تفاوت اول اين است که تمام ميدان ها خاصيتي به نام اسپين دارند. بوزون هيگز(ذره ميدان هيگز) اسپين صفر دارد. داشتن اسپين صفر ميدان هيگز را قادر مي سازد به شيوه متفاوتي نسبت به بقيه ذره ها در لاگرانژي ظاهر شود و ميدان هيگز دو جنبه متفاوت ديگر خود را ظاهر سازد.

2- دومين خاصيت منحصر به فرد ميدان هيگز توضيح مي دهد که چرا قدرت اين ميدان در سرتاسر جهان غيرصفر است. هر سامانه اي از جمله جهان در پايين ترين سطح انرژي قرار مي گيرد. در ميدان معمولي همانند ميدان هاي الکترومغناطيسي پايين ترين سطح انرژي آنجايي است که ميدان مقدار صفر دارد. يعني جايي که ميدان از بين مي رود. اگر ميدان غيرصفري اعمال شود، انرژي ذخيره شده در ميدان ها، انرژي خالص سامانه را افزايش مي دهد. اگر بخواهيم همان تشبيه دره را به کار بريم، بايد گفت براي ميدان هاي معمولي، کف دره، مکاني است که ميدان صفر است، اما براي هيگز، ته دره(يعني ميدان صفر)، تپه اي در مرکز خود دارد و پايين ترين نقطه دره دايره اي حول اين تپه است. جهان مثل يک توپ در جايي در اين چاله حلقوي که با مقدار غيرصفر ميدان متناظر است، ساکن مي شود. اين گفته به اين معني است که جهان در حالت معمولي و در پايين سطح، آکنده از ميدان هيگز غيرصفر است.  

3- آخرين ويژگي قابل توجه ميدان هيگز شکل برهمکنش آن با ذرات ديگر است. ذراتي که با ميدان هيگز برهمکنش دارند، طوري رفتار مي کنند که انگار جرم دارند و جرم آنها متناسب با شدت ميدان ضرب در شدت برهمکنش است. جرم ها از عبارتي در لاگرانژي به وجود مي آيند که بيانگر برهمکنش ذرات با ميدان هيگز است.

با اين همه هنوز درک ما از همه اينها کامل نشده و مطمئن نيستيم چند نوع ميدان هيگز وجود دارد. هر چند که مدل استاندارد فقط به يک ميدان هيگز نياز دارد تا جرم تمام ذرات بنيادي را ایجاد کند، اما فيزيک دانان مي دانند که نظريه اي کامل تر بايد جانشين مدل استاندارد شود. مهم ترين رقيبان، بسط هايي از مدل استاندارد است که با عنوان مدل استاندارد ابرتقارني(ابر همزاد) شناخته مي شود. با توجه به مدل استاندارد ابرتقارني، حداقل به دو ميدان هيگز متفاوت نياز داريم. برهمکنش با آن دو ميدان، به ذرات مدل استاندارد جرم مي دهد. که باعث جرم دار شدن ابرهمزادها نيز مي شوند. دو ميدان هيگز به وجود پنج نوع بوزون هيگز منجر مي شود.

سه تا از آنها از لحاظ الکتريکي خنثي هستند و دو تاي ديگر باردار مي باشد. اين احتمال هم وجود دارد که جرم ذراتي که نوترينو ناميده مي شود و در مقابل جرم ذرات ديگر کوچک است، به روشي غيرمستقيم، از اين برهمکنش ها يا از نوع سومي از ميدان هيگز به وجود آيد. نظريه پردازان چندين دليل دارند که نشان مي دهد تصوير ( SSM  (Super-symmetric Standard Model از برهمکنش هاي هيگز صحيح است. اول آنکه بدون سازوکار هيگز، بوزون هاي هيگز که واسطه نيروي ضعيف هستند،  بايد مانند فوتون بدون جرم باشند، ديگر آن که برهمکنش هاي ضعيف بايد مثل برهمکنش هاي الکترومغناطيسي قوي باشند. اين نظريه مي گويد که سازوکار هيگز به روش برهمکنش هاي بسيار ويژه باعث جرم دار شدن W و Z  مي شود. پيشگويي هاي چنين رويکردي در مورد جرم W و Z به طور تجربي تاييد شده است.

نکته دوم آن که، اصولا تمام جنبه هاي ديگر مدل استاندارد به خوبي آزموده شده است و در چنين نظريه اي با جزئيات فراوان و بسيار مرتبط به هم، دشوار است که بخشي(مثل هيگز) را تغيير داد، بدون آن که بر بقيه قسمت هاي نظريه تاثيري نداشته باشد. براي مثال، تحليل اندازه گيري هاي دقيق خواص بوزون  Zو W به پيشگويي دقيق جرم کوارک سر، پيش از توليد مستقيم آن منجر شد. تغيير سازوکار هيگز باعث نقض شدن اين پيشگويي و ديگر پيشگويي هاي موفقيت آميز مي شود. سوم آن که سازوکار هيگز مدل استاندارد در توجيه جرم دار شدن تمام ذرات مدل استاندارد خيلي خوب عمل مي کند؛ هم جرم دار شدن بوزون هاي W وZ  را توجيه مي کند، هم جرم دار شدن کوارک ها و لپتون ها را. در حالي که نظريه هاي بديل نمي توانند. ديگر آن که SSM برخلاف نظريه هاي ديگر، چارچوبي براي هماهنگي درک ما از نيروهاي طبيعت فراهم مي آورد. نکته پاياني آنکه SSM  مي تواند توضيح دهد چرا دره انرژي براي جهان چنان شکلي دارد که براي سازوکار هيگز نياز است. در مدل استاندارد اوليه شکل دره را بايد به صورت يک پذيره وارد مدل کرد، اما در SSM اين شکل دره را مي توان از راه رياضي به دست آورد.

بوزون هيگز و نتايج آن

در سال 1962 پيتر هيگز(Peter Higgs) از تعطيلات آخر هفته خود با انديشه اي جديد به دانشگاه برگشت و افکار خود را به صورتي ساده با همکارانش در ميان گذاشت. انديشه ي اصلي پاسخ به اين سئوال بود که ذرات چگونه جرم کسب مي کنند؟ اين انديشه ساده مورد بحث قرار گرفت و نخستين مقاله آن در سال 1964 منتشر شد و نحوه ي جرم دار شدن ذرات را تحت عنوان بوزون هيگز بررسي کرد. در فضاي تهي ميدان هيگز مقداري غيرصفر دارد که همواره در تمام جهان نفوذ مي کند. سازوکار هيگز که توسط فيليپ آندرسن (Philip Warren Anderson) يشنهاد شده، نحوه جرم دار شدن تمام ذرات بنيادي را نشان مي دهد. اين سازوکار، بوزون هاي W را متفاوت از فوتون مي سازد. 

طبق اين سازوکار، با شکست خود به خودي تقارن، تصور مي شود که يک ميدان اسکالر مختلط در هر نقطه از فضا وجود دارد. با توجه به مفاهيم ميدان هيگز، نحوه توليد و جرم دار شدن ذرات از نقطه نظر فرضيه قابل توضيح است.

طبق يکي از دياگرام هاي فاينمن، فرايند معکوسي براي توليد بوزون هيگز ارائه شده است. در اين دياگرام، فاينمن فرايند احتمالي توليد بوزون هيگز را پيشگويي مي کند(شکل1).

شکل1: دياگرام فاينمن براي توليد وآشکارسازي هيگز

 

در اين فرايند دو گلئون واپاشيده مي شوند و زوج کوارک سر و پادکوارک سر توليد مي شود، سپس اين دو کوارک با هم ترکيب مي شوند و يک بوزون هيگز آشکار مي گردد. اما مشکل آن است که به رغم هزينه و زمان زيادي که صرف شده و استفاده زيادي که از شتاب ‌دهنده به عمل آمده، هنوز هيچ کس بوزون هيگز را در آزمايشگاه يا در عرصه کيهان رديابي نکرده است.

 

آزمون نظريه

طبيعي است که فيزيک دانان بخواهند آزمون هاي مستقيمي در اين مورد انجام دهند که جرم از برهمکنش با ميدان هاي متفاوت هيگز به وجود مي آيد. در اين آزمون ها مي توان سه جنبه اساسي را آزمود:  

1 - مي توان در جست وجوي ذرات ويژه اي به نام هيگز باشيم. چنين کوانتوم هايي بايد وجود داشته باشند، در غير اين صورت تفسيرهاي ارائه شده صحيح نيست. فيزيک دانان هم اکنون در شتاب دهنده تواترون[1] در آزمايشگاه شتاب دهنده ملي فرمي در جست وجوي بوزون هيگز هستند.

2 - پس از اينکه اين ذرات شناسايي شدند، مي توانيم مشاهده کنيم که چگونه بوزون هاي هيگز با ديگر ذرات برهمکنش دارند. همان عبارتي در لاگرانژي که مشخص کننده جرم ذرات است، بيانگر خواص اين برهمکنش ها است. بنابراين مي توان آزمايش هايي انجام داد تا وجود عبارت هاي برهمکنش از اين نوع را به طور کمي آزمود. قدرت برهمکنش ها و مقدار جرم ذرات اختصاصا با يک روش به هم مربوط مي شوند.

3 - مجموعه هاي گوناگون ميدان هاي هيگز، که در مدل استاندارد يا نسخه هايSSM  وجود دارد، نشان دهنده مجموعه هاي متفاوتي از بوزون هاي هيگز با خواص مختلف است. بنابراين آزمون مي تواند بين اين بديل ها نيز تمايز قائل شود. تنها چيزي که براي انجام دادن آزمايش ها نياز داريم، شتاب دهنده مناسب ذرات است: شتاب دهنده هايي که انرژي کافي براي توليد بوزون هاي مختلف هيگز را داشته باشد. شدت کافي براي ساخت مقدار کافي از آنها و آشکارسازهاي خوب براي تجزيه و تحليل آنچه که به وجود آمده است. يک مشکل عمده سر راه انجام چنين آزمون هايي آن است که هنوز نظريه را آن قدر خوب درک نکرده ايم که بتوانيم مقدار جرم بوزون هاي هيگز را محاسبه کنيم، در نتيجه جست وجو براي يافتن آنها دشوارتر مي شود، زيرا بايد گستره وسيعي از جرم ها را آزمود. ترکيبي از استدلال هاي نظري و اطلاعات حاصل از آزمايش، مي تواند ما را براي به دست آوردن جرم هاي تقريبي راهنمايي کند.

شتاب دهنده بزرگ الکترون- پوزيترون (LEP)  در سرن، در گستره اي از جرم ها که احتمال بسيار داشت در برگيرنده بوزون هاي هيگز باشد، کار کرد. اين شتاب دهنده چيزي پيدا نکرد، اما  پيش از آن که شتاب دهنده در سال ۲۰۰۰ براي ساخت تجهيزات جديدتر يعني شتاب دهنده بزرگ هادرون (LHC)  سرن تعطيل شد(شکل2)، شواهد از وجود چيزي در حد انرژي و شدت شتاب دهنده يافت و نشان داد که جرم هيگز بايد بيش از ۱۲۰ برابر جرم پروتون باشد. با اين همه LEP  شواهد غيرمستقيمي يافت که نشان مي دهد بوزون هيگز وجود دارد: با استفاده از آزمايش هاي انجام شده درLEP  ، شماري از اندازه گيري هاي دقيق صورت گرفت که مي توان آنها را با اندازه گيري هاي مشابه تواترون و شتاب دهنده مرکز شتاب دهنده خطي استنفورد ترکيب کرد. مجموعه نهايي داده ها، فقط وقتي خوب با نظريه سازگار مي شود که برهمکنش هاي خاص ذرات با سبک ترين بوزون هاي هيگز را دربرگيرد با اين تفاسير پژوهشگران به حد بالايي براي جرم بوزون هيگز دسترسي مي يابند که به آنها کمک مي کند پژوهش هايشان را متمرکز کنند.

 

شکل28- 2: نمودار بخش هاي مختلف شتاب دهنده بزرگ هادرون

 

طي چند سال آينده، تنها شتاب دهنده اي که مي تواند شواهد مستقيمي براي بوزون هاي هيگز توليد کند، تواترون است. اگر اين شتاب دهنده بتواند به طور پيوسته به شدت باريکه اي که از آن انتظار مي رود، دست يابد(که البته تاکنون دستيابي به چنين شدتي امکان پذير نشده است) انرژي اش براي کشف يک بوزون هيگز در گستره جرم هايي که شواهد غيرمستقيم LEP نشان داد، کافي است. طبق برنامه ريزي هاي انجام شده،LHC  که هفت برابر پرانرژي تر و شدت برخوردهاي آن بسيار بيشتر از تواترون است، در سال ۲۰۰۷ ارائه اطلاعات را آغاز خواهد کرد. اين شتاب دهنده مي تواند به کارخانه بوزون هيگز تبديل شود(يعني مي تواند در هر روز مقدار زيادي ذره توليد کند). با فرض آن که LHC طبق برنامه ريزي قبلي کار کند، جمع آوري اطلاعات مناسب و آموختن چگونگي تفسير آنها، يکي دو سال زمان مي برد. انجام آزمايش هاي کاملي که نشان دهد برهمکنش با ميدان هاي هيگز به وجودآورنده جرم است، علاوه بر LHC که شتاب دهنده پروتون است و تواترون(که شتاب دهنده پروتون و پادپروتون است) به شتاب دهنده الکترون- پوزيترون تازه اي نيز نياز است.