مکانیزم تولید ذرات باردار توسط بوزون هیگز

H. Javadi ^a and F. Forouzbakhsh ^b

a Invited professor of Faculty of Science at Azad Islamic University in Tehran campuses., Tehran, Iran

Javadi_hossein@hotmail.com

b Academic Researcher of Research & Technology Dept. at University of Tehran., Tehran, Iran

farshidforouz@yahoo.com &fforouz@ut.ac.ir

چکیده:

در اینجا فرایند تولید ذرات باردار توسط هیگز بوزونها تشریح می شود. اما قبل از آن ساختمان فوتون با دقت مورد بررسی قرار می گیرد و طی آن تعریف جدیدی از ذرات هیگز تحت عنوان بار-رنگ و مغناطیس-رنگ داده خواهد شد

مقدمه:

از هنگامیکه کرومودینامیک کوانتومی مطرح و توسعه یافت، نظرات مختلفی نیز در مورد خواص و خصوصیات هیگز بوزونها مطرح و به بحث گذاشته شده است. در مقالاتی که سالهای اخیر منتشر شده توجه زیادی به هیگز باردار بویژه در ارتباط با بوزونهای الکترویک مشاهده می شود. اما تا بحال توجه چندانی به ارتباط بین هیگز و گرانش نشده است.  [6],[4],[5].[3].[2].[1]

در این مقاله تلاش می شود با توجه به جابجایی بسمت آبی گرانش (اثر موسبوئر و آزمایش پوند و ربکا) کنش بین گرانش و فوتون از نقطه نظر میدان هیگز مورد بررسی قرار گیرد. [8], [7]

جابجایی بسمت آبی گرانش و اثر موسبوئر بخوبی نشان می دهد که سه ذره موجب افزایش جرم (انرژی) فوتون در میدان گرانشی می شوند و هر سه نیز خواص الکترومغناطیسی دارند. این سه ذره را بار-رنگ مثبت، بار-رنگ منفی و مغناطیس-رنگ نامیده می شوند که در ادامه توضیح داده خواهد شد.

نگاه تکاملی به امواج الکترومغناطیس

فوتون بسته ی انرژی در حال چرخش است. کاملاً واضح است که میدانهای الکترومغناطیسی اطراف پرتو نوری، ایستا نیستند. همچنین میدانهای الکترومغناطیسی که توسط فوتون ایجاد می شود، بمراتب قوی تر از میدان گرانشی آمیخته با آن است. علاوه بر آن تا بحال مشخص نشده که میدان گرانشی این بسته ی انرژی (فوتون)، حالت ایستایی یا نوسانی دارد و چگونه فوتون این مجموعه میدانها (الکترومغناطیسی و گرانشی) را که از نظر شدت بسیار متفاوت هستند، تولید می کند. این واقعاً یک معما است.

اجازه بدهید یک نگاه جدید و متفاوت به رفتار امواج الکترومغناطیسی در میدان گرانشی بیندازیم. چنین نگرشی می تواند کمک کند تا به حل این معما نزدیک شویم. همچنانکه نسبیت عام بطور نظری پیشگویی کرده بود که فرکانس فوتون در میدان گرانشی تغییر می کند، در آزمایش نیز این تغییر فرکانس مشاهده شد و به تایید رسید. [8]

هنگامیکه فوتون در میدان گرانشی سقوط می کند، انرژی(جرم) آن افزایش می یابد. با توجه به رابطه ی

 W=dmc²

نیروی گرانش روی فوتون کار انجام می دهد و جرم(انرژی) فوتون افزایش می یابد. اما انرژی فوتون وابسته میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن است. بنابراین یک قسمت از کار نیروی گرانش به انرژی الکتریکی و قسمت دیگر به انرژی مغناطیسی فوتون تبدیل می شود.

با توجه به اینکه نحوه کسب جرم توسط ذرات بوسیله ی میدان هیگز توجیه می شود، اما این پدیده را چگونه می توانیم با میدان هیگز توضیح دهیم؟ همچنین با توجه به هیگز بوزون، در جابجایی بسمت انتقال به قرمز چه اتفاقی می افتد که انرژی (جرم) فوتون افزایش می یابد؟

مکانیزم هیگز

مکانیزم هیگز، مکانیزمی است که طی آن همه ی ذرات بنیادی جرم کسب می کنند. برای نمونه از شکست خود  [9]بخود تقارن، فرض کنید یک میدان اسکالر به هر نقطه از فضا اندازه ی زیر را نسبت می دهد:

           (1)

توجه کنید که میدان انرژی پتانسیل بشکل:

                 (2)

از انتگرال روی فضا به دست می آید که در آن

است. در اینجا یک مانیفلد کمینه در شرط زیر خواهیم داشت.

    (3)

این نشان دهنده ی کمترین مقدار چگالی انرژی در این تکنیک تابع 

[11]است که مانند انتهای یک بطری است که در اطراف آن برآمدگی وجود دارد.

با توجه به روابط (1) و (2) در هر بخش هر اندازه کوچک از فضا، یک ذره ی هیگز وجود دارد که آن را تولید  ذرات از هیگز یا  

Creative Particle of Higgs or CPH.

می نامیم.

تولید ذرات از هیگز

Creative Particles of Higgs (CPH)

تعریف: فرض کنیم یک ذره وجود دارد (کوچکتر از فوتون که می تواند در فوتون قرار گیرد) که دارای جرم و سرعت:

است که آن را سی. پی. اچ. یا:

Creative Particles of Higgs (CPH)

سی. پی. اچ. را با هیگز

نشان می دهیم. هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای اسپین است، گراویتون نامیده می شود. با توجه به اینکه فضا انباشته از گراویتون (اثر گرانشی) است، بنابراین فضا انباشته از سی. پی. اچ. است. 

اصل سی. پی. اچ.

Principle of CPH

سی. پی. اچ. ذره ای با جرم ثابت است که با مقدار سرعت ثابت حرکت می کند و دارای لختی دورانی است. در هر کنش بین سی. پی. اچ. و سایر ذرات موجود، مقدار این سرعت تغییر نمی کند( جدول1 ) بطوریکه:

grad V_CPH = 0 in all inertial reference frames in any space

جدول1

توضیح:

بنابر اصل سی. پی. اچ. چون سی. پی. اچ. همواره با مقدار سرعت ثابت حرکت می کند در کنش با سایر ذرات دارای اسپین خواهد شد.

در حالت کلی سی. پی. اچ. دارای دو نوع حرکت می باشد، یکی حرکت انتقالی و دیگری حرکت اسپینی.

شکل 1- سی. پی. اچ. همواره دارای دو نوع حرکت انتقالی و اسپینی است. در شکل بالا حرکت های مختلف سی. پی. اچ. و اسپین آن نشان داده شده است.

لازم به تذکر است که در اینجا و در اصل سی. پی. اچ.، منظور از سرعت مقدار اسکالر آن است و به خواص برداری آن توجه نشده است.

با توجه به اصل سی. پی. اچ.و توضیح بالا برای هر  سی. پی. اچ. و در هر مکانی خواهیم داشت: (شکل 2)

V_CPH = speed of transfer motion + speed of spin.

V_CPH = V_s + V_t      (4)

شکل 2- هر نقطه ی سطحی سی. پی. اچ. در فضا یک منحنی رسم می کند مسافت طی شده ناشی از اسپین تقسیم بر زمان را سرعت اسپینی نامیده می شود

در حالت کلی هرگاه مقدار سرعت انتقالی افزایش یابد، مقدار اسپین کاهش می یابد و بالعکس. (شکل 3)

توجه شود که قبلاً گفته شد، هرگاه سی. پی. اچ. دارای اسپین باشد، گراویتون نامیده می شود. اما طبق مکانیک کوانتوم و مدل استاندارد ذرات بنیادی، اسپین گراویتون عدد صحیح و برابر 2 است. در حالیکه در اینجا اسپین سی. پی. اچ. متغییر است. این موضوع با اسپین 2 گراویتون ایجاد تناقض نمی کند. در ادامه خواهیم دید همه ذرات (فرمیونها و بوزونها) از سی. پی. اچ. ساخته شده اند و دارای اسپین های مختلفی هستند که ناشی از ویژگیهای  آنها است. اما سی. پی. اچ. که سنگ اولیه بنای همه چیز است، دارای اسپین متغییر است.

حال با توجه به رابطه ی (4) می توان رابطه ی زیر را به دست آورد:

a_x+a_y+a_z+a_s=0 in all inertial reference frames  (5)

با توجه با خصوصیات سی. پی. اچ. بخوبی می توان توضیح داد که فوتون چگونه در میدان گرانشی جرم کسب می کند. اما قبل از هر چیز تعریف و توضیح موارد زیر ضروری به نظر می رسد.

بار-رنگ و مغناطیس رنگ

هنگامیکه فوتون در یک میدان گرانشی سقوط می کند، گرانش روی آن کار انجام می دهد. آنگاه انرژی فوتون افزایش می یابد. اما انرژی فوتون وابسته به دو انرژی مجزا، یکی انرژی میدان الکتریکی و دیگری انرژی میدان مغناطیسی وابسته به فوتون است. برای شناخت و بررسی بیشتر این پدیده رابطه نسبیتی زیر قابل تعمق به نظر می رسد.  

   (6)

این افزایش جرم فوتون، به دلیل ذرات هیگز موجود در مسیر حرکت فوتون در میدان گرانشی است.  همچنین

اما میدان الکتریکی فوتون فاقد اثر الکتریکی است. بنابراین تنها گزینه مورد قبول در مورد نحوه ی کسب انرژی توسط فوتون این است که بپذیریم افزایش انرژی

E=dmc²

شامل سه قسمت است. یک قسمت نظیر میدان مغناطیسی رفتار می کند، یک قسمت دیگر نظیر میدان الکتریکی مثبت رفتار می کند و قسمت سوم رفتاری شبیه میدان الکتریکی منفی دارد که خواص الکتریکی یکدیگر را در ساختمان فوتون خنثی می کنند. (شکل 4)

شکل 4- هنگامیکه فوتون در میدان گرانشی در حال سقوط است، شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن افزایش می یابد و در نتیجه انرژی فوتون افزایش می یابد

با توجه به شکل 4، هنگامیکه فوتون در حال سقوط است، در کنش بین فوتون و گراویتونها، سه نوع گراویتون در کنش شرکت کرده و وارد ساختمان فوتون می شوند.

با وارد شدن این ذرات به ساختمان فوتون، شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی بتدریج قوی و قوی تر شده و موجب افزایش انرژی فوتون می گردد. این سه ظاهر مختلف بوزونهای هیگز در میدان گرانشی است که وارد ساختمان فوتون شده جرم آن را افزایش می دهند. این انگاشت پذیرفتنی است زیرا هنگام سقوط فوتون در میدان گرانشی، شدت هر دو میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن افزایش می یابد. اما فوتون از نظر الکتریکی خنثی است. بنابراین در اینجا دو گروه ذرات هیگز وجود دارند که شبیه بار الکتریکی رفتار می کنند و میدان الکتریکی فوتون را می سازند. آنها مثبت بار-رنگ و منفی بار-رنگ علامت گذاری کرده و با

  , 

نشان می دهیم. گروه سوم که میدان مغناطیسی فوتون را ایجاد می کنند، مغناطیس-رنگ نامیده شده و با

نشان داده می شوند.

همه این ذرات در ساختمان فوتون دارای اسپین هستند که در کنار یکدیگر در ساختمان فوتون نیز حرکت اسپینی دارند. همچنین فوتون دارای دو حرکت انتقالی و اسپینی است. زیرا فوتون با سرعت نور منتقل می شود و علاوه بر آن دارای اسپین است. بنابراین بار-رنگها و مغناطیس-رنگها در ساختمان فوتون دارای سه حرکت مشخص است، یکی حرکت اسپینی مختص بخودشان و دو تای دیگر ناشی از اسپین فوتون و انتشار فوتون با سرعت نور است. شکل 5

شکل 5- فوتون شامل تعداد زیادی بار-رنگها و مغناطیس-رنگ است. در این شکل بار-رنگهای مثبت و منفی نشان داده شده، اما مغناطیس-رنگ دیده نمی شود.

با توجه به اینکه فوتون از تعدادی سی. پی. اچ. تشکیل شده است، بنابراین جرم سی. پی. اچ. از جرم فوتون کوچکتر است، یعنی:

m_CPH <hV/c², for any V    (7)

همه سی. پی. اچ. ها به دلیل بار-رنگی روی یکدیگر اثر دارند. آنها یکدیگر را جذب یا دفع می کنند. و گاهی فوق العاده به یکدیگر نزدیک می شوند تا حد طول پلانک

Plank Length=1.6x10^-35 m

در این حالت با یکدیگر ترکیب شده و کوانتومهای انرژی را بوجود می آورند.

در یک میدان گرانشی، هنگامیکه فوتون بسمت آبی جابجا می شود، گراویتونها به انرزی تبدیل می شوند. در حقیقت بار-رنگها و مغناطیس-رنگها وارد میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فوتون می شوند. اما هنگامیکه فوتون بسمت سرخ جابجا، انرژی به گراویتونها تبدیل می گردد، در این حالت بار-رنگها و مغناطیس-رنگها ساختمان فوتون را ترک می کنند. و در تباهی انرژی (تولید زوج)، انرژی به ماده و پادماده تبدیل می شود. بنابراین همه چیز از بار-رنگها و مغناطیس-رنگها ساخته شده اند. شکل 6

. 

شکل 6- فرایند تولید ماده و پاد ماده توسط سی. پی. اچ. ها

Color-charges and color-magnet equations

معادلات بار-رنگها و مغناطیس-رنگ

با توجه به اصل سی. پی. اچ.

gradV_CPH=0

بار-رنگ منفی

هنگامیکه سی. پی. اچ. در ساختمان فوتون قرار دارد، دارای اسپین است. با توجه به معادله (5) هنگامیکه فوتون روی یک محور در حال انتشار است، روی این محور شتاب ندارد و با سرعت نور منتشر می شود.

 در شکل 7 الف- بار-رنگ منفی و مغناطیس-رنگ مشاهده می شوند که در دو صفحه ی عمود بر هم دارای حرکت نوسانی هستند و در جهت انتشار فوتون دارای حرکت انتقالی با سرعت نور هستند. جداول زیر و شکلها را ملاحظه کنید

وقتی سرعت روی این محور به صفر می رسد، اسپین بیشینه می شود و بالعکس.

معادله (4) را ببینید

همین نتایج را می توان برای بار-رنگ مثبت نیز در نظر گرفت. شکل 7 ب.

شکل 7 ج- بار-رنگها روی یک محور شتاب دارند و میدان الکتریکی فوتون را ایجاد می کنند. مغناطیس-رنگها روی محوری عمود بر محور شتاب بار-رنگها دارای شتاب هستند

  برای بار-رنگها می توان تابع موج انتشار آن را بصورت زیر نوشت

E_CPH,z=E_CPHmcosw(t-x/c),     (8)

 w سرعت زاویه ای

http://apartments.uchicago.edu

http://www.physics.umd.edu