بوزون هیگز (ذره خدا)
پیچیدگی قوانین حاکم بر کیهان گاهی آن‌قدر پیچیده می‌شود که درک آن توسط ذهن محدود انسان دشوار است. فرض کنید ماهی کوچکی در دریاچه، رودخانه یا دریا بودید، چه درکی از دنیای اطراف خود داشتید؟ آیا می‌دانستید که جهانی که در آن زندگی می‌کنید از ماده‌ای به نام آب تشکیل شده است؟ به احتمال خیلی زیاد پاسخی برای این سوال نداشتید، زیرا همیشه در آب زندگی کرده‌اید و هیچ درکی از آسمان، کوه و جنگل نداشتید. انسان نیز همانند ماهی درک محدودی از محیط اطراف خود دارد. برای درک کیهان و قوانین فیزیکی حاکم بر آن باید علم خود را هرچه بیشتر گسترش دهد. کشف ذره بوزون هیگز، معروف به ذره خدا، تحول جدیدی را در علم فیزیک به وجود آورد.
بوزون هیگز چیست؟
ما و هر چیزی اطراف ما از ذره ساخته شده است. اما هنگامی که کیهان متولد شد، ذرات هیچ جرمی نداشتند و با سرعت نور به اطراف حرکت می‌کردند. جرم‌دار شدن ذرات، دلیل به وجود آمدن ستاره‌ها، سیاره‌ها و زندگی است. اما ذرات چگونه جرم خود را به‌دست آوردند؟ دلیل اصلی جرم‌دار شدن آن‌ها به میدان بنیادی بوزون هیگز، مربوط می‌شود. وجود این میدان جرم‌دهنده با کشف این ذره در چهارم جولای سال ۲۰۱۲ در مرکز CERN، تایید شد.
در سال‌های اخیر و با پیشرفت علم فیزیک، طبیعت به گونه متفاوتی توصیف می‌شود. هر ذره موجی در یک میدان است. به عنوان مثال، نور را در نظر بگیرید. نور، هم‌زمان موجی در میدان الکترومغناطیسی و رودی متشکل از ذراتی به نام فوتون است. در حالت بوزون هیگز، میدان اول می‌آید. میدان هیگز برای نخستین بار در سال ۱۹۶۴ پیشنهاد شد. این میدان تمام کیهان را پر کرده است و به تمام ذرات بنیادی، جرم می‌دهد. بوزون هیگز، موجی در این میدان است. کشف این ذره، وجود میدان هیگز را تایید کرد.
تمام مواد موجود در جهان از ذرات بنیادی بسیار کوچکی به نام اتم‌ها ساخته شده‌اند. امروزه می‌دانیم اتم‌ها، کوچک‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده ماده نیستند، بلکه از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده‌اند. علم فیزیک از آغاز قرن نوزدهم تاکنون به دنبال یافتن ذرات بنیادی است. اتم از سه ذره به نام‌های الکترون، پروتون و نوترون، تشکل شده است. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا این ذرات، کوچک‌ترین ذرات بنیادی سازنده اتم و ماده هستند. خیر، پروتون و نوترون از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک، گلوئون، نوترینو و میون (موئون) تشکیل شده‌اند.
دلیل اصلی سخت بودن مفهوم بوزون هیگز آن است که جهان از ذرات تشکیل نشده است. همیشه می‌گفتیم ذرات، جهان را ساخته‌اند، اما در واقع این‌گونه نیست. فیزیک جدید، نظر متفاوتی در این مورد دارد. بر طبق نظریه‌های فیزیک جدید، جهان نه از ذرات، بلکه از میدان‌ها ساخته شده است. مکان ذره مشخص است، اما میدان در مکان مشخصی قرار ندارد و در همه جای جهان پخش می‌شود. میدان در واقع عددی در هر نقطه در فضا و زمان است. ذره مکان دارد، اما میدان نوسان و مقدار آن هر لحظه تغییر می‌کند.
به دمای هوا در اتاق فکر کنید. هر نقطه در اتاق، دما دارد. بنابراین دما، میدان است، اما میدان بنیادی نیست. نظریه جدید در مورد ساختار کیهان بیان می‌کند که میدان کوانتومی در هر نقطه در فضا و زمان، نوسان می‌کند. شاید این پرسش را شنیده باشید، نور یا الکترون‌ها، ذره هستند یا موج؟ پاسخ، موج است.هر آنچه به عنوان ذره از آن یاد می‌کنیم، در واقع همان چیزی است که به هنگام نگاه کردن به میدان‌ها، می‌بینیم. شاید از خود بپرسید که چه اهمیتی دارد که جهان به جای ذرات از میدان، ساخته شده است. هنگامی که به میدان نگاه می‌کنیم، ارتعاش و ذره را در آن می‌بینیم. کاملا منطقی به نظر می‌رسد که از فیزیک ذرات استفاده کنیم و بگوییم: الکترون را به عنوان ذره در اتم می‌بینیم، گرچه بر طبق فیزیک جدید می‌دانیم که ارتعاشی در میدان الکترونی است. بوزون هیگز رفتار متفاوتی نسبت به ذرات دیگر دارد. بوزون هیگز، ارتعاش در میدانی به نام میدان هیگز است. برخلاف ذرات دیگر مانند الکترون که ارتعاشی در میدان الکترونی یا فوتون که ارتعاشی در میدان الکترومغناطیسی است، ذره بوزون هیگز مهم نیست، بلکه میدان هیگز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
در روز چهارم جولای سال ۲۰۱۲، کشف ذره بوزون هیگز دانشمندان را هیجان‌زده نکرد، بلکه پی بردن به این موضوع که میدان هیگز در سراسر فضا پخش شده است، آن‌ها را به هیجان آورد. ما در میدان هیگز غرق شده‌ایم. کشف این میدان، گام بزرگی در فیزیک ذرات بنیادی بود. هر جایی که می‌رویم، هر کاری که انجام می‌دهیم، از میدان هیگز می‌گذریم. اما چه چیزی میدان هیگز را نسبت به میدان‌های دیگر، خاص و بااهمیت کرده است؟
مقدار میدان هیگز، حتی در فضای خالی صفر نیست. گفتیم میدان در هر نقطه از فضا، مقدار دارد. هنگامی که همه چیز را خاموش می‌کنیم و حتی الکترونی در اطراف وجود ندارد، مقدار میدان را می‌توان در هر نقطه برابر صفر قرار داد. مقدار تمام میدان‌هایی که می‌شناسیم در فضای خالی برابر صفر است، اما میدان هیگز یک استثنای منحصربه‌فرد است. این موضوع دلیل اصلی تفاوت میدان هیگز با دیگر میدان‌های موجود در کیهان است. این میدان حتی در فضای خالی وجود دارد و بر هر چیزی در اطرافش اثر می‌گذارد.
میدان هیگز دو نقش بسیار مهم در فیزیک ذرات بنیادی، ایفا می‌کند:
1- این میدان بر نیروی هسته‌ای ضعیف حکومت می‌کند. همان‌طور که می‌دانیم چهار نیروی بنیادی در طبیعت وجود دارند:
نیروی گرانش
نیروهای الکتریسیته و مغناطیس یا الکترومغناطیس
دو نیروی هسته‌ای:
نیروی هسته‌ای ضعیف
نیروی هسته‌ای قوی
میدان هیگز بر چگونگی عملکرد نیروی هسته‌ای ضعیف نظارت می‌کند. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا این نظارت مهم است. نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی در زندگی روزمره، قابل درک هستند، زیرا این دو نیرو در محدوده وسیعی گسترش یافته‌اند و بلندبرد هستند.. در مقابل، دو نیروی هسته‌ای ضعیف و قوی در محدوده بسیار کوچکی داخل هسته اتم محبوس شده‌اند و از نوع نیروهای کوتاه‌برد هستند. این سوال برای مدت‌ها ذهن فیزیک‌دان‌ها را به خود مشغول کرده بود: چرا نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی، بلندبرد اما نیروهای هسته‌ای، کوتاه‌برد هستند؟
دلیل‌های زیادی برای کوتاه‌برد بودن نیروهای هسته‌ای وجود دارند. پاسخ برای نیروی هسته‌ای ضعیف در میدان هیگز نهفته است. خط‌های نیرو که از ذره‌ای بیرون و به سمت ذره دیگری حرکت می‌کنند، توسط میدان هیگز جذب می‌شوند. این میدان، دیدگاه فیزیک‌دانان در مورد قوانین حاکم بر طبیعت را دستخوش تغییر بزرگی کرده است. با این میدان به چگونگی برهم‌کنش ذرات بنیادی با یکدیگر، پی می‌بریم.
2- دومین نقش مهم بوزون هیگز یا همان میدان هیگز، جرم‌دار کردن ذرات بنیادی است. چرا برای دادن جرم به ذرات بنیادی به میدان هیگز نیاز داریم؟ چرا ذرات بنیادی بدون حضور میدان هیگز، جرم ندارند؟ نیوتن در حدود ۴۰۰ سال قبل، بدون داشتن کوچک‌ترین آگاهی در مورد ذره بوزون هیگز و میدان آن، جرم زمین را به‌دست آورد. او هیچ چیز در مورد فیزیک ذرات بنیادی و بوزون‌ها یا فرمیون‌ها نمی‌دانست.
فیزیک‌دان پاول دیراک، در اواسط قرن بیستم، نخستین کسی بود که معادله حاکم بر الکترون را به‌دست آورد. او در این معادله جرمی معادل جرم الکترون قرار داد. بر طبق ادعای دیراک در آن زمان، الکترون ذره‌ای جرم‌دار بود. حتی دیراک هم چیزی در مورد میدان هیگز نمی‌دانست، بنابراین توضیحی برای نسبت دادن جرم به الکترون نداشت.
پاول دیراک
گفتیم نیروی هسته‌ای ضعیف بسیار پیچیده است. فیزیک‌دان‌های مدت طولانی در تلاش بودند نظریه مناسبی برای توضیح این نیرو بیابند. اکنون، با کشف بوزون هیگز و تایید وجود میدان هیگز، توضیح رفتار حاکم بر این نیرو ساده‌تر شده است. اگر ذره بوزون هیگز و میدان آن وجود نداشت، در دنیای بسیار متفاوتی زندگی می‌کردیم. در این دنیای متفاوت، به احتمال قوی الکترون جرم نداشت، در نتیجه اتم، حتی مولکول، علمی به نام شیمی، حتی زیست و شاید زندگی به معنای آنچه امروز مشاهده می‌کنیم، وجود نداشت.
امروزه مدل بسیار جامع و کاملی به نام مدل استاندارد، در فیزیک ذرات بنیادی وجود دارد. این نظریه تاکنون بسیار موفق بوده است. در این مدل، چهار نیروی موجود در کیهان، متفاوت و دارای ویژگی‌های مختلفی هستند. بوزون هیگز آخرین ذره این مدل است. در ادامه، در مورد این مدل با جزییات بیشتری صحبت خواهیم کرد. توجه به این نکته مهم است که فیزیک‌دان‌ها قبل از کشف ذره بوزون هیگز، می‌دانستند که ذره دیگری باید در مدل استاندارد وجود داشته باشد.
از سال ۱۹۶۰ میلادی، فیزیک‌دان‌های ذرات بنیادی به این نتیجه رسیده بودند که شاید میدانی وجود داشته باشد که تمام فضا را پر کرده است. اکنون می‌دانیم نام این میدان، میدان هیگز است. در جولای سال ۲۰۱۲ و با کشف ذره بوزون هیگز، نظریه استاندارد کامل شد. اکنون می‌دانیم ماده‌ای که همه چیز از آن ساخته شده است، چگونه کار می‌کند. همه چیز از اتم، پروتون، نوترون، الکترون، کوارک و دیگر ذرات بنیادی ساخته شده است. وجود بوزون هیگز برای درک عملکرد آن‌ها در کنار یکدیگر لازم و ضروری است. شاید از خود بپرسید چگونه ۶۰ سال قبل فیزیک‌دان‌ها بدون کشف ذره بوزون هیگز به وجود آن و میدان هیگز، پی بردند. فیزیک‌دان‌های آن زمان در تلاش برای توضیح رفتار طبیعت بودند و به این نتیجه رسیدند که وجود ذره غایبی برای تکمیل این توضیح لازم خواهد بود.
تقارن چیست ؟
گفتیم چهار نیروی بنیادی در طبیعت وجود دارند و ویژگی‌های آن‌ها توسط مدل استاندارد توضیح داده می‌شود. اما سوال جالب آن است که چرا چهار نیرو در کیهان وجود دارد و منشأ آن‌ها کجاست. پاسخ این سوال در مفهومی به نام تقارن، نهفته است. چیزی در جهان وجود دارد که می‌توان آن را چرخاند یا از مکانی به مکان دیگر منتقل کرد، بدون آن‌که ماهیت بنیادی آن را تغییر دهیم. در دهه ۵۰ میلادی نظریه تقارن مطرح شد و منشأ نیروها به آن ربط داده شد. تقارن‌های بسیار قدرتمندی به نام تقارن پیمانه‌ای (Gauge Symmetry) وجود دارند. دلیل کلیدی وجود نیروهای اصلی، وجود این تقارن است. نیرویی که به دلیل تقارن ایجاد می‌شود، همواره بلندبرد است. اما نیروهای هسته‌ای کوتاه‌برد هستند.
تا اینجا، قسمتی از مشکل حل شده است. منشأ نیروهای بلندبرد پیدا شد، اما در مورد نیروهای کوتاه‌برد، مانند نیروهای هسته‌ای چه می‌توان گفت. آیا تقارن در هسته اتم وجود ندارد؟ خیر، تقارن آنجا وجود دارد، اما شکسته می‌شود. در واقع، چیزی در طبیعت وجود دارد که تقارن را می‌گیرد و آن را می‌شکند. اگر این نظریه درست باشد، تقارنی داریم که نیرو را به وجود میآورد، اما این نیرو به ناحیه بسیار کوچکی محدود می‌شود. شاید بپرسید چگونه چنین تقارنی شکسته می‌شود. برای این کار به میدانی نیاز داریم که تمام فضا را پر کرده و مقدار آن در فضای خالی مخالف صفر است. به طور خلاصه، پاسخ همه این پرسش‌ها در میدان هیگز نهفته است.
تقارن، نیرو را به وجود میآورد.
بیشتر این نیروها بلندبرد هستند، برای آن‌که نیرویی کوتاه‌برد باشد، تقارن باید شکسته شود.
میدان هیگز تقارن را می‌شکند و نیروهای هسته‌ای را در محدوده بسیار کوچکی محبوس می‌کند.
میدان هیگز سال‌ها در حد نظریه باقی ماند. بنابراین، فیزیک‌دان‌ها دنبالی راهی برای اثبات آن بودند. برای رسیدن به این هدف، شتاب‌دهنده بسیار قدرتمندتری ساخته شد.
سوالات متداول در مورد بوزون هیگز
جهان در غیاب بوزون هیگز به چه شکلی در می‌آمد؟
جهان را نمی‌شناختیم. اگر بوزون هیگز یا ذره مشابهی وجود نداشت تا به اجزای اصلی سازنده ماده، جرم دهد، الکترون‌ها با سرعت نور به اطراف حرکت می‌کردند. در نتیجه، به منظور ساختن اتم، جذب پروتون‌ها یا دیگر هسته‌های احتمالی نمی‌شدند. عدم وجود اتم‌ها منجر به عدم وجود واکنش‌های شیمیایی، عدم وجود مولکول‌ها یا هر ماده دیگری در زندگی روزمره می‌شد.
فیزیک دان ها چگونه بوزون هیگز را تولید کردند ؟
شتاب‌دهنده‌های ذرات پرانرژی مانند هادرون می‌توانند انرژی‌هایی با مقادیر بسیار زیاد، در محدود انرژی تولید شده بلافاصله پس از بیگ‌بنگ، تولید کنند. از برخورد ذرات بنیادی با این مقدار انرژی، ذرات دیگری مانند بوزون هیگز تولید می‌شوند. در شتاب‌دهنده «تواترون» (Tevatron) یا هادرون، در هر یک تریلیون برخورد، یک ذره بوزون هیگز تولید خواهد شد.
ارتباط بوزون هیگز و بیگ بنگ چیست ؟
در حدود ۱۳/۷ میلیارد سال قبل و پس از وقوع انفجار بزرگ، ذرات بدون جرم و انرژی تشعشعی به سراسر کیهان پخش شدند. بر طبق نظریه‌های مطرح شده توسط فیزیک‌دان‌های نظری، در کسری از ثانیه پس از بیگ‌بنگ، بخشی از انرژی تشعشعی به میدان هیگز تبدیل شد. هنگامی‌که دمای کیهان به تدریج کاهش یافت، ذرات جرم خود را از میدان هیگز به‌دست آوردند و با سرعت کمتری شروع به حرکت کردند.
رابطه ماده تاریک و ذره بوزون هیگز چیست ؟
از آنجا که تمام ذرات بنیادی جرم‌دار با بوزون هیگز برهم‌کنش می‌کنند، دور از انتظار نیست که ماده تاریک نیز رفتار مشابهی از خود نشان دهد. به مدل‌های فیزیکی جدید که در مورد برهم‌کنش ماده تاریک و ذره بوزون هیگز صحبت می‌کنند، مدل‌های پورتال هیگز گفته می‌شود. اگر جرم ذرات ماده تاریک کمتر از نصفِ جرم بوزون هیگز باشد، ذره هیگز می‌تواند به جفت ذره و ماده تاریک واپاشیده شود.
شاید همه چیز را در مورد ذره بوزون هیگز ندانیم، اما دانستن چند نکته در مورد این ذره، خالی از لطف نیست:
- مقاله معروف پیتر هیگز در مورد این ذره، در ابتدا رد شد. در سال ۱۹۶۴، هیگز دو مقاله در مورد میدان هیگز نوشت و به مجله Physical Letters فرستاد. این مجله، یکی از دو مقاله را رد کرد. Nambu که فیزیک‌دان معروفی در آن زمان بود، از هیگز خواست که بخشی به مقاله اضافه کند و مفاهیم فیزیکی نظریه خود را توضیح دهد. هیگز با افزودن پاراگرافی به مقاله پیش‌بینی کرد که برانگیختگی میدان، مانند موجی در اقیانوس، ذره جدیدی تولید خواهد کرد.
- مکانیزم هیگز تنها بخش کوچکی از جرم موجود در جهان را توضیح می‌دهد. بسیاری از مقالات علمی، هیگز را مسئول جرم هر ماده‌ای در کیهان می‌دانند. اما میدان هیگز تنها به ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها و الکترون‌ها جرم می‌دهد.
- نام بوزون برگرفته از نام فیزیک‌دان و ریاضی‌دان هندی به نام Satyendra Nath Bose است.
- نظریه استاندارد ذرات بنیادی حتی با کشف ذره بوزن هیگز کامل نیست.
دیدگاهتان را بنویسید
می خواهید در گفت و گو شرکت کنید؟خیالتان راحت باشد :)