بوزون هیگز آخرین بخش گمشده مدل استاندارد است، تئوری که

 بلوک های اصلی سازنده جهان را تشریح می کند. دانشمندان عقیده دارند در یک میلیاردم ثانیه پس از بیگ بنگ، جهان هستی یک سوپ فوق العاده غول پیکر از ذراتی بوده که با سرعت نور با یکدیگر مسابقه گذاشته بودند و هیچ جرمی نداشته اند. در این میان برهم کنش آنها با میدان هیگز باعث شده که جرم پیدا کنند و سرانجام جهان شکل بگیرد. چندین دهه است که محققان فیزیک بنیادی برای کشف بوزون هیگز، ذره‌ای که منشاء جرم ذرات بنیادی است، تلاش می‌کنند و در نهایت این ذره که وجود آن در 48 سال پیش توسط پیتر هیگز 84 ساله فیزیکدان نظری بریتانیایی و فرانسوا انگلرت 80 ساله فیزیکدان نظری بلژیکی پیش بینی شده بود در چهارم ژوئیه ۲۰۱۲ در شتاب دهنده ی بزرگ هادرونی CERN به اثبات رسید، پرافتخارترین جایزه‌ی علمی امسال یعنی نوبل فیزیک سال ۲۰۱۳ به این دو فیزیکدان رسید. در متن زیر داستان و تلاش دانشمندان برای کشف این ذره را از بخوانید

به ادامه مطلب بروید

 

 

در جست و جوی منشاء جرم در جهان

 

از قرن ها پیش دانشمندان و فلاسفه می دانستند که اجسام ویژگی خاصی دارند که در برابر شتاب از خود مقاومت نشان می دهند. آنها این لختی و مقاومت در برابر شتاب را اصطلاحا « جرم » نامیده بودند. هر چند از مدت ها قبل مشخص بود که جرم اجسام از مجموع جرم ذرات سازنده آنها- یعنی مولکول ها و اتم ها – حاصل می شود، اما از آنجایی که تمامی اتم های جهان هم به نوبه خود از ذرات بنیادین نظری الکترون ها و کوارک ها تشکیل شده اند.

 

پس یک سوال مهم مطرح برای فیزیکدان ها این بود که چه چیزی جرم یک ذره بنیادین را در جهان تعیین می کند، به عبارتی چه چیزی سبب می شود که الکترون ها، کوارک ها و فوتون ها با وجود آنکه همگی ذرات بنیادین محسوب شده و فاقد ساختار درونی هستند – یعنی از ذرات کوچکتر و متعدد دیگری تشکیل نشده اند – با این حال جرم های متفاوتی داشته باشند؟ و اینکه اساسا ماهیت و منشا ایجاد جرم در جهان چیست و جرم ذرات بنیادین سازنده جهان ما از کجا حاصل می شود؟ یعنی مثلا چه عاملی سبب می شود که جرم الکترون فلان مقدار باشد و جرم کوارک بالا مقدار دیگری باشد؟ این سوالات مهم و بنیادین همچنان ذهن فیزیمدان ها را به خود مشغول کرده بود تا سرانجام حدود 50 سال پیش چند فیزیکدان موفق شدند با مطرح کردن ایده شگفت انگیزی، پاسخی برای این معما چند صد ساله پیدا کنند.

 

میدان اسرار آمیز فراگیر کیهانی

 

در سال 1964 فیزیکدانی به نام پیتر هیگز از دانشگاه ادینبورگ اسکاتلند پس از مدتی دست و پنجه نرم کردن با معمای منشاء جرم جهان در نهایت توانست پاسخ عجیب این معما را بیابد. هیگز به این نتیجه رسیده بود که خلاء کیهانی در حقیقت خالی نیست؛ بلکه عملا با میدان نامرئی و اسرار آمیزی پر شده است. اما از آنجایی که این میدان اسرار آمیز در تمامی گستره جهان و در کل کیهان بطور یکسان وجود دارد، بنابراین ما مستقیما متوجه حضور آن نمی شویم ( مانند ماهی هایی که از حضور اقیانوس بی خبرند). در واقع تمامی ذرات جهان در این اقیانوس نامرئی کیهانی شناورند و در مسیر حرک خود در گستره فضا عملا در حال عبور از درون این میدان نامرئی هستند.

 

هیگز با محاسبات ریاضی خود نشان داد که جرم ذرات بنیادی در واقع ماحصل بر هم کنش آنها با همین میدان اسرار آمیز کیهانی است؛ یعنی هر چه شدت برهم کنش ذره ای با این میدان کمتر باشد، راحت تر و سیال تر در درون این اقیانوس نامرئی حرکت می کند گویی که لختی یا جرم بسیار کمی دارد؛ اما چنانچه شدت برهم کنش ذره ای با این میدان زیاد باشد چنان به سختی در فضا حرکت می کند که گویی لخت و سنگین است. بعنوان مثال از آنجایی که ذره ای نظیر فوتون عملا هیچ برهم کنشی با این میدان کیهانی – که امروزه اصطلاحا « میدان هیگز » نامیده می شود –ندارد بنابراین جرم فوتون صفر است؛ اما مثلا کوارک t به علت برهم کنش شدید خود با میدان هیگز، جرم بسیار زیادی دارد و سنگین ترین ذره بنیادین شناخته شده جهان محسوب می شود.

 

ذره هیگز و افسانه ماهی و اقیانوس

 

اما اگر جرم در جهان ما به حضور میدان نامرئی و اسرار آمیز باز می گردد که کل جهان را پر کرده است پس چگونه می توان به وجود چنین میدانی بطور تجربی پی برد؟ ( این کار مانند آن است که ماهی کوچک افسانه ای خودمان به طریقی بخواهد به وجود اقیانوس که در آن شناور است پی ببرد). خوشبختانه هیگز راهی برای حل این معما هم پیدا کرد. راه حل پیشنهادی هیگز برای کشف این میدان، جست و جوی کوانتوم این میدان یعنی ذره ای با ویژگی های مشخص بود، ذره ای که بعدها به افتخار خود او « ذره هیگز » نامیده شد، اما ببینیم منظور از کوانتوم میدان هیگز چیست؟

 

از نگاه نظریه کوانتومی، میدان هیگز در واقع ماحصل انبوهی از ذراتی است که مستمرا در کل گستره خلاء کیهانی از انرژی پایه خلاء آفریده شده و لحظه ای بعد از بین می رود. این ذرات که در حال جوشش دائمی از دل خلاء کیهانی هستند و با حضور خود در تمامی پهنه کیهان، میدان هیگز را تشکیل می دهند. ( به تعبیری می توان این ذرات را به ذرات تشکیل دهنده اقیانوس کیهانی میدان هیگز تشبیه کرد). بدین ترتیب براساس نظریه میدان کوانتومی می توان گفت که گستره خلاء کیهانی همیشه مملو از ذرات هیگز است. بنابراین هر ذره بنیادی در مسیر حرکت خود در فضا عملا باید از میان انبوهی از ذرات هیگز عبور کند. حال همانطور که قبلا هم بیان شد چنانچه ذره ای برهم کنش بسیار ضعیفی با ذرات هیگز داشته باشد، به سادگی از میان آنها عبور خواهد کرد، گویی تقریبا جرمی ندارد. اما ذراتی که برهم کنش شدیدی با ذرات هیگز دراند، به سختی از میان انبوه این ذرات عبور می کنند و همین مساله سبب می شود به گونه ای رفتار کنند که گویی لختی یا جرم زیادی دارند.

 

بر این اساس می توان گفت تمامی ذرات بنیادی در لحظه بیگ بنگ بدون جرم بوده اند. اما پس از کسر بسیار کوچکی از ثانیه – یعنی تقریبا یکصد میلیاردیم ثانیه – بعد از بیگ بنگ، ذرات هیگز از انرژی بیگ بنگ پدید آمده و کل جهان را پر کردند و بدین ترتیب ناگهان برخی از ذرات بنیادی به واسطه بر هم کنش با آنها جرم دار شدند. ضمنا از آنجایی که ذرات هیگز با خودشان هم برهم کنش می کنند؛ بنابراین آنها هم به نوبه خود جرم دارند. به این ترتیب پیتر هیگز با محاسبه جرم و سایر ویژگی های کوانتومی ذره هیگز ( ویژگی های نظیر عدد اسپین کوانتومی ، حالت ها و احتمالات واپاشی به سایر ذرات و … ) توانست یک راهکار عملی و تجربی برای کشف میدان هیگز در پیش راه فیزیکدان ها قرار دهد و آن، پیدا کردن ذره ای پیش بینی شده برای کوانتوم میدان هیگز بود.

 

در قسمت دوم درباره موضوعاتی شامل، مقالات نوبل ساز، پیچیده ترین آزمایش علمی تاریخ ، هیگز، آنگلر و نوبل می توانید بخواهید.

 

 

 

 

 

 

 

بوزون هیگز (ذره خدا) چیست و چرا اینقدر اهمیت دارد؟

 

تا کنون درباره ذره کوب (برخورد دهنده) بزرگ CERN (LHC) بسیار صحبت کرده ایم و از بررسیذرات سریع تر از نور تا امکان استفاده از آن به عنوان ماشین زمان گفته ایم. طی دو روز گذشته دوباره این ماشین غول آسا، سرو صدای زیادی بر پا کرده و در صدر اخبار علمی دنیا نشسته است. همه درباره بوزون هیگز یا همان ذره خدا صحبت می کنند و کشف آن توسط دانشمندان سرن، حسابی فیزیکدانان را به وجد آورده است. به قول تحلیلگر ارشد آزمایش CMS سرن، «ما هم اکنون در آغاز یک دوراهی (وجود یا عدم وجود بوزون هیگز) قرار داریم که بالاخره می توانیم مسیرمان را انتخاب کنیم. این کشف تنها آغاز یک راه و زمینه ساز کشفیات شگرفی در دانش بشری است.» 

اما جدای از همه این شور و هیجان و داستان ها، واقعا Higges boson چیست و چرا اینقدر کشف آن برای دانشمندان مهم است؟ اجازه دهید کمی ساده تر به این موضوع بپردازیم و ببینیم اصلا دعوا سر چیست؟! پس در ادامه مطلب با نارنجی همراه باشید، تا بیشتر درباره این ذره و تئوری های پیرامون آن بدانیم. 

ضمن اینکه برای نوشتن این مطلب از کمک های عملی و راهنمایی های خانم دکتر رحمانی پور، دکترای فیزیک گرایش ذرات بنیادی کمک گرفتیم.

 

بوزون چیست؟

بوزون یک ذره زیر-اتمی است. ذرات اتمی پرتون ها، نوترون ها و الکترون ها هستند. در حالی که در دنیای یونان اتم به معنی غیر قابل تقسیم بود، دانشمندان مدرن دریافتند که ذرات اتمی هم قابل بخش به ذرات زیر-اتمی هستند. که این ذرات زیر-اتمی شامل کوارک ها، لپتون ها و بوزون ها می شوند.

 

بوزونِ هیگز چیست؟

 

هیگز آخرین بخش گمشده مدل استاندارد ( Standard Model )‌ است. تئوری که بلوک های اصلی سازنده جهان را تشریح می کند. ۱۱ ذره دیگری که توسط این مدل پیش بینی شده اند، تا کنون کشف شده بودند و حالا پیدا شدن هیگز می تواند مدل استاندارد را تایید نماید. با اثبات وجود این ذره، ما مجبور به باز اندیشی در خصوص نحوه شکل گیری جهان خواهیم بود. 

دانشمندان عقیده دارند در یک میلیاردم ثانیه پس از بیگ بنگ، جهان هستی یک سوپ فوق العاده غول پیکر از ذراتی بوده که با سرعت نور با یکدیگر مسابقه گذاشته بودند و هیچ جرمی نداشته اند. در این میان برهم کنش آنها با میدان هیگز باعث شده که جرم پیدا کنند و سرانجام جهان شکل بگیرد. 

میدان هیگز، یک میدان انرژی تئوری و نادیدنی است که تمام کیهان را در برگرفته است. برخی ذرات (همچون فوتون ها که اجزاء نور هستند) توسط این میدان تحت تاثیر قرار نگرفته اند و در نتیجه جرمی ندارند. بقیه ذرات اما به خوش شانسی فوتون ها نبودند و همانند قاشقی که در آش گیر می کند، در این میدان انرژی به دام افتادند. تمامی ذرات با فواصل کم و زیاد در اطراف این میدان هستند و در حال بده بستان و اثرات متقابل با آن هستند و بوزون های هیگز را که به صورت خوشه ای به تعداد کاملا متفاوت در اطراف هر ذره هستند، به خود جذب می کنند. 

جهان را همانند یک میهمانی تصور کنید. میهمانان عادی که یکدیگر را نمی شناسند با سرعت و بدون هیچ توجهی از کنار یکدیگر رد می شوند. اما میهمانان مشهور و اشخاص مهم، گروه هایی از مردم (بوزن های هیگز) را به دور خود جذب می کنند و در نتیجه سرعت حرکت آنها در اتاق کند خواهد شد. 

سرعت حرکت ذرات در میدان هیگز هم بسیار شبیه به این داستان است. برخی ذرات معین، گروه بزرگتری از بوزون های هیگز را جذب می کنند و جرم بیشتری هم پیدا خواهند کرد. 

ذره هیگز که تا کنون فقط یک موضوع تئوری بوده است، برای اولین بار در سال ۱۹۶۴ توسط شش فیزیکدان وارد فرضیات علمی شد، که یکی از آنها Briton Peter Higgs بود. اما جستجو برای یافتن این ذره فرضی از اوایل دهه 1980 شروع شد. این آزمایشات ابتدا در Fermilab و با استفاده از برخورد دهنده Tevatron در نزدیکی شیکاگو انجام می شدند و امروزه در CERN با دستگاهی شبیه به آن (ولی بسیار بزرگتر) دنبال می شوند. اما تمرکز عمده بر این ذره، از سال ۲۰۱۰ و با آغاز کار LHC، شکل گرفت.

 

مدل استاندارد چیست؟

 

مدل استاندارد در علم فیزیک جایگاهی همانند نظریه تکامل در علم زیست شناسی دارد. این تئوری بهترین توضیح و تفسیری است که فیزیکدانان درباره چگونگی کنار هم قرار گرفتن بلوک های سازنده جهان توانسته اند ارائه کنند. این تئوری شرح می دهد که چگونه ۱۲ ذره بنیادی توسط چهار نیروی اصلی کنترل می شوند.

نکته: البته بسیاری از منابع فیزیک تعداد این ذرات بنیادی در مدل استاندارد را به شکل دقیق تر و جزئی تر، به این صورت تقسیم بندی می کنند: ۱۲ لپتون، ۳۶ کوارک (و آنتی کوارک)، ۱۲ ذره واسطه و ذره هیگز. یعنی جمعا ۶۱ ذره.



اما جهان هستی جای بسیار بزرگی است و مدل استاندارد تنها می تواند بخش کوچکی از آن را توضیح دهد. دانشمندان همیشه میان آنچه که ما می توانیم ببینیم و آنچه که باید در واقعیت وجود داشته باشد، یک فاصله و شکاف فرض می کنند. این شکاف باید با چیزی پر شود که ما به درستی آن را نمی شناسیم، که محققان این چیز را ماده تاریک یا Dark Matter می نامند. کهکشان ها نیز با سرعتی بیشتر از نیروهایی که ما می شناسیم و تصور می کنیم بر آنها وارد می شود، در حال دور شدن از یکدیگر هستند. این شکاف دانش نیز باانرژی تاریک یا dark energy پر می شود. اعتقاد بر این است که این جفت تقریبا ناشناخته بیش از ۹۶ درصد جرم و انرژی کیهان را در بر می گیرند. 

تایید مدل استاندارد، یا شاید اصلاح آن، می تواند یک گام به جلو برای رسیدن به هدف نهایی فیزیک ( نظریه همه چیز یا theory of everything ) است که ماده تاریک، انرژی تاریک و نیروی جاذبه را در بر می گیرد، چیزی که مدل استاندارد از پس توضیح آن بر نمی آید. این داستان همچنین می تواند نور دانش را حتی بر ایده های مبهم تری همچون امکان وجود جهان های موازی بتاباند. 

James Gillies سخنگوی سرن گفته بود همان گونه که نظریات اینشتین در برگیرنده کارهای ایزاک نیوتون بودند و بر پایه آنها بنا شده بودند، چیزی که هزاران فیزیکدان در سرن مشغول انجام آن هستند، همین کار را با نظریات اینشتین خواهد کرد‫. 

ذره کوب (برخورد دهنده) بزرگ یا LHC چیست؟

 

به گمانم جواب این سوال را خوانندگان نارنجی از خیلی وقت قبل می دانند و آگاهی خوبی نسبت به آن دارند. برخورد دهنده بزرگ سرن یا Large Hadron Collider در واقع بزرگترین و قدرتمند ترین دستگاه جداکننده ذرات در جهان است. LHC از یک لوله حلقوی ۲۷ کیلومتری در عمق ۱۰۰ متری زمین میان فرانسه و سوئیس تشکیل شده است. ساخت این مجموعه عظیم بیش از ۱۰ میلیارد دلار هزینه در بر داشته است. 

دو باریکه از پروتون ها در جهت مخالف یکدیگر درون این لوله عظیم به حرکت در می آیند و سپس با یکدیگر برخورد می کنند تا میلیون ها ذره در هر ثانیه ایجاد شود. و این واکنش، شرایطی شبیه ثانیه اول بیگ بنگ را شبیه سازی خواهد کرد، همان زمانی که به اعتقاد فیزیکدان ها میدان هیگز روشن شده است. 

هم اکنون حجم بسیار عظیمی از داده ها طی آزمایشات سرن در کامپیوترهای این مرکز جمع آوری شده است. اطلاعاتی از تریلیون ها برخورد انجام شده که هر کدام نور کوچکی بودند برای افشای ذره بنیادین جهان هستی: بوزون هیگز. البته این فرآیند شکار ذره خدا، کاری کند و بسیار زمان بر بوده است.

 

آستانه اثبات این ذره کجاست؟

دانشمندان برای دستیابی به این اکتشاف، برای خود هدفی از میزان قطعیت و اطمینان گذاشته بودند که به آن 5sigma می گویند. یعنی اینکه تنها با احتمال یک در ۹ تریلیون، نتیجه گیری آنها از دیتاهای جمع آوری شده از ذره کوب (برخورد دهنده) می تواند یک اتفاق و اشتباه آماری باشد. 

از زمان شروع به کار سرن در سال ۲۰۱۰ دو تیم کاملا مجزا با نام های ATLAS و CMS به طور هم زمان کار بر روی هیگز را شروع کرده بودند. و اکنون دانشمندان سرن برای اطمینان از نتیجه گیری شان، دو گروه مستقل از اطلاعات کامل را در اختیار دارند و این، دقت کار را از آستانه آماری مورد نظر هم بالاتر برده است.

 

چرا پیدا کردن بوزون هیگز اینقدر اهمیت دارد؟

در حالی که کشف بوزون هیگز هم نمی تواند همه آنچه را که درباره چگونگی کارکرد جهان هستی نیاز داریم، به ما بگوید؛ اما می تواند یک حفره عظیم در مدل استاندارد را که بیش از ۵۰ سال خالی مانده بود، پر کند. مارتین آرچر فیزیکدان کالج سلطنتی لندن می گوید:

بوزون هیگز در واقع آخرین تکه گمشده از درک فعلی ما از بنیادی ترین ذات و جوهره جهان هستی است. و اکنون به لطف LHC ما قادر هستیم که مربع کنار این گزینه را تیک بزنیم: این شیوه ای است که جهان کار می کند، یا حداقل ما فکر می کنیم این گونه کار می کند. 

در واقع این شروع یا پایان چیزی نیست، بلکه فقط درباره اینکه ما به صورت عملی درباره جهان و چگونگی اش چه بگوییم، می تواند به یاری ما بیاید و چیزهای زیادی برای گفتن داشته باشد.

گوردون کن، مدیر فیزیک نظری -مرکز میشیگان اضافه می کند که یافتن شواهدی درباره بوزون هیگز می تواند «یک موفقیت بسیار شگفت انگیز برای دانش و برای انسان در چهار قرن اخیر باشد.» 

چرا به بوزون هیگز، ذره خدا می گویند؟

 

نام مستعار جالب ذره خدا (God Particle) برای این ذره گریزان، توسط دانشمند برنده جایزه نوبل، لئون لدرمن برای عنوان کتابش انتخاب شد. البته وی به مزاح می گوید ابتدا می خواسته نام آن را ذره نفرین شده (Goddamn Particle) بگذارد، زیرا هیچ کس نمی توانسته آن را پیدا کند! 

وی دلیل انتخاب آن را اهمیت بسیار فراوان آن می داند، زیرا طبق نظریات علمی، این ذره همه جا را در بر گرفته و تمام فضا و کیهان را پوشانده است.

 

دانشمندان چگونه به دنبال بوزون هیگز می گشتند؟

در هجده ماه گذشته دانشمندان جستجو برای ذره هیگز را با به هم کوبیدن پروتون ها با انرژی بسیار بالا در ذره کوب (برخورد دهنده) ۱۰ میلیارد دلاری که در مرکز سرن ژنو قرار دارد، ادامه داده اند. درون LHC که ۱۰۰ متر زیر زمین بوده و یک تونل ۲۷ کیلومتری است و قویترین برخورد دهنده ای است که تا کنون ساخته شده، تصادم پروتون های پر انرژی، مجموعه ای از ذرات کوچکتر را پدید می آورد که دانشمندان تمام آنها را بررسی می کنند و به دنبال یک نشانه می گردند که وجود بوزون هیگز را نشان دهد. 

آرچر می گوید: «شما تنها امیدوارید که یک جایی در این تصادم ها چیزی را ببینید... شاید به نوعی یک اتفاق آماری.» در واقع بوزون های هیگز بسیار فرّارند، لحظه ای به وجود می آیند و بلافاصله به سرعت نابود می شوند. به گفته آرچر، دانشمندان در سرن تنها می توانند بازمانده های فراپاشی بوزون هیگز را مشاهده کنند. 

.ARASH

            



تاريخ : ۱۳٩۳/٧/٢ | ۱:٤٩ ‎ب.ظ | نویسنده : arash | نظرات ()
  • ویندوز سون | آنکولوژی