دانش آدینه ۱۹: مکانیسم هیگز و ذره هیگز

دیدارنیوز _ سروش زمانی مقدم: تاریخ فیزیک ذرات بنیادی پر است از لحظات هیجان برانگیز و نفسگیری که قطعا یکی از جذابترین آنها، داستان پیش‌بینی شگفت‌انگیز ذره‌ای با نام "هیگز" و کشف آن است که به افتخار نام فیزیکدان اسکاتلندی، پیتر هیگز چنین نامیده شد. در واقع هیگز، تنها ذره‌ای بود که توسط نظریه "مدل استاندارد ذرات بنیادی" پیش بینی شده بود، اما مشاهده نشده بود تا این که چند سال پیش، سرانجام پس از نیم قرن تلاش، آخرین قطعه گمشده پازل مدل استاندارد، خود را عیان کرد و کشف شگفت انگیز آن در زمانه ما صورت گرفت و دنیای فیزیک را بسیار به وجد آورد. در واقع این کشف آنقدر اهمیت داشت که "پیتر هیگز" و "فرانسوا انگلرت" را که هر دو در آن زمان بیش از هشتاد سال سن داشتند، مفتخر به دریافت جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۳ کرد. این تصمیم به دلیل تقدیر از ایشان به دلیل کشف نظری مکانیسمی بود که به شناخت ما از منشاء جرم ذرات زیر اتمی کمک می‌کرد و در نهایت با تایید تجربی دقیقی همراه شد.

بر طبق این نظریه که مکانیسم هیگز نامیده شده بود، اگر به واقع میدان هیگزی وجود داشت که ذراتی با نام تخصصی‌تر "بوزون هیگز" را به وجود آورد، آنگاه طبق پیش بینی‌های متخصصان، جرم این ذرات ناپایدار که خیلی زود هم واپاشی می‌یابند، می‌بایست در حدود ۱۵۰ گیگا الکترون ولت می‌بود و خوشبختانه این حدودی بود که بتوان آن را بصورت تجربی بررسی کرد. این حدود جرم که البته از برخی تقریب‌ها و دربایست‌های بیرون از نظریه پیش بینی شده بود، سال‌ها محرک انجام تحقیقات تجربی و پیوسته‌ای در مرکز شتابدهنده بزرگ هادرونی در سرن، موسوم به LHC بود تا آن که در نهایت با تایید تجربی وجود ذره‌ای در محدوده انرژی ۱۲۵ گیگا الکترون ولت تا ۱۲۶ گیگا الکترون ولت، و تشخیص قطعی وجود هیگز در آزمایش‌های اطلس و CMS، جدول پیش بینی‌های مدل استاندارد کامل شد و شناخت ما از سازوکار هستی یک مرحله پیشتر رفت.

در ادامه بر این موضوع متمرکز می‌شویم که اصولا چرا در ابتدا چنین فرض نظری صورت گرفت.

برای فهم این موضوع باید در نظر داشت که از آنچه که تا به امروز می‌دانیم، می‌توان کلیه برهم کنش‌های فیزیک را به چهار نوع بنیادی الکترومغناطیسی، گرانشی، هسته‌ای ضعیف و هسته‌ای قوی تقسیم بندی کرد. آنگاه بر پایه نظریه استاندارد ذرات بنیادی مبتنی بر مدل "پیمانه ای"، می‌دانیم که تبادل نیرو در انواع برهم کنش‌های ذکر شده توسط ذرات حامل نیرو موسوم به "بوزون‌های پیمانه ای" صورت می‌پذیرد. مثلا در مورد نیروی الکترومغناطیسی، این نیرو‌ها توسط تبادل ذراتی با نام "فوتون" که آن را به عنوان کوانتای انرژی یا ذرات نور نیز می‌شناسیم صورت می‌پذیرد. از طرفی بوزون‌های پیمانه‌ای تبادل کننده نیروی هسته‌ای قوی، "گلوئون" نام دارند حال آنکه در نیروی هسته‌ای ضعیف که برد محدودی نیز دارد، ذرات بوزونی تبادل کننده این نیرو، سه ذره با نام‌های دابلیو مثبت، دابلیو منفی و Z هستند.

در مورد نیروی گرانش، البته موضوع کمی متفاوت هست، ولی می‌توان آن را هم به صورت نظریه‌ای پیمانه‌ای نوشت و بوزونی با نام "گراویتون" را که البته هنوز هم رصد نشده است، مسئول تبادل نیروی گرانش بین اجرام دانست. این در واقع نگاهی مبتنی بر ذرات بنیادی در مقابل نگاه هندسی نظریه نسبیت عام اینشتین، به نیروی گرانش است.

مشکل آن بود که بر طبق نظریه‌های پیمانه‌ای ذرات بنیادی، ذرات بوزونی حامل نیرو‌های بنیادی، می‌بایست بدون جرم می‌بودند. اما می‌دانیم که نیروی هسته‌ای ضعیف، همانطور که از اسمش پیداست، بعد از فواصلی کوتاه به سرعت افت می‌کند و این بدان معناست که سه ذره حامل این نیرو، برخلاف گلوئون‌ها و فوتون‌ها که بدون جرم هستند، جرم دارند.

مکانیسم هیگز در واقع پیشنهادی برای حل این مشکل بود که البته در کنار رفع این تناقض، دستاورد‌های بزرگ دیگری نیز در بر داشت. بر طبق این نظریه، ذره‌ها جرم خودشان را از سازوکاری موسوم به مکانیسم هیگز به دست می‌آورند. در واقع بنابر فرض اولیه این نظریه پردازان، میدان هیگز، کل جهان را، همانند هوایی که اطرافمان را در برگرفته، و در واقع تمام فضا را پر کرده است. 

 به کانال تلگرامی دیدارنیوز بپیوندید

 

 به صفحه اینستاگرام دیدارنیوز بپیوندید

 

 به گروه واتس‌اپی دیدارنیوز بپیوندید