بوزون هیگز 

در جست و جوی منشاء جرم در جهاناز 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 ۵۰ 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 کیهانیدر سال ۱۹۶۴ 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 حرکت 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 اقیانوساما 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.

مقالات نوبل ساز

پیتر هیگز با ارائه نظریه شگفت انگیز میدان هیگز نه تنها توانست منشاء جرم ذرات بنیادی در جهان را توضیح دهد؛ بلکه حتی راهکاری عملی برای پرده برداری از وجود این میدان اسرار آمیز را هم ارائه داد. البته در همان زمان یعنی در سال ۱۹۶۴ دو فیزیکدان دیگر به نام فرانسوا آنگلر و رابرت براوت در دانشگاه آزاد بروکسل در بلژیک نیز بطور مستقل از پیتر هیگز موفق شده بودند نظریه ای مشابه نظریه هیگز برای تبیین مفهوم جرم در جهان ارائه کنند. بدین ترتیب هم مقاله هیگز و هم مقاله مشترک آنگلر و براوت هر دو در سال ۱۹۶۴ در نشریه علمی و بسیار معتبر و معروف « Physical Review Letters » چاپ شدند و همین مقالات بودند که در نهایت پس از ۵۰ سال به جایزه نوبل امسال منجر شدند.

فرانسوا انگلر ( راست ) و پیتر هیگز (  چپ ) برندگان نوبل فیزیک سال ۲۰۱۳

پیچیده ترین آزمایش علمی تاریخ

هنگامی که پیتر هیگز به همراه فرانسوا آنگلر و رابرت براوت مقاله خود را منتشر کردند خودشان هم تصور نمی کردند که در مدت عمر خود شاهد کشف کوانتوم میدان اسرار آمیزی که وجود آن را پیش بینی کرده بودند باشند. علت این مساله هم به ویژگی های خاص ذره هیگز باز می گشت. مجموعه آزمایشاتی که پس از پیش بینی وجود ذره هیگز توسط قوی ترین شتاب دهنده های موجود جهان انجام شده بود نشان می داد که این ذره باید جرم بسیار بالایی داشته باشد؛ جرمی آنچنان زیاد که ایجاد آن فراتر از توانمدنی تمامی شتاب دهنده های گوشه گوشه جهان بود.

نمایی از بخش داخلی آشکار ساز ATLAS ( اطلس) . به ابعاد شخصی که در جلوی آن ایستاده توجه کنید. درقلب این آشکار ساز و سایر آشکار سازهای LHC در هر ثانیه تقریبا ۶۰۰ میلیون برخورد پروتونی صورت می گیرد که این آشکارسازهای عظیم باید تمامی ذرات حاصل از هر برخورد را ثبت کنند.

جرم بسیار زیاد، احتمال تولید بسیار پایین و طول عمر بسیار کوتاه، همه و همه تولید و آشکار سازی ذره هیگز را با دشواری های بسیاری روبرو کرده بود؛ بطوری که هیچ یک از شتاب دهنده هایی که پیش از این ساخته شده بودند از پس کشف این ذره راز آمیز بر نیامده بودند تا اینکه سرانجام قوی ترین شتاب دهنده حال حاضر جهان یعنی « برخورد دهنده بزرگ هادرون ها » ( LHC ) پس از بیش از یک دهه تلاش بی وقفه هزاران دانشمند و مهندس از سراسر جهان در روز ۲۰ نوامبر ۲۰۰۹ در آزمایشگاه بین المللی فیزیک ذرات بنیادی سرن در مرز دو کشور سوئیس و فرانسه شروع به کار کرد. تقریبا طی چهار سال گذشته ، ارتشی از فیزیکدان ها با کمک ابر کامپیوترهای خود مشغول تجزیه و تحلیل داده های حاصل از برخورد پروتون ها فوق العاده پر انرژی در قلب آشکارسازهای عظیم LHC بوده اند بلکه ازمیان انبوهی از داده ها، نشانه هایی مبنی بر وجود ذره هیگز را بیابند. آنها سرانجام در ماه جولای ۲۰۱۲ به این اطمینان رسیدند که ذره ای با ویژگی های شبیه به ذره هیگز با جرمی تقریبا ۱۳۰ برابر جرم پروتون یافته اند. اما مشخص کردن اینکه آیا این ذره قطعا همان ذره اسرار آمیز هیگر است یا نه به تجزیه و تحلیل های باز هم بیشتر و دقیق تری نیاز داشت.

یکی از ویژگی های بسیار مهم این ذره تازه کشف شده که باید با دقت بیشتری اندازه گیری می شد اسپین ذره بود. براساس نظریه هیگز، میدان هیگز یک میدان اسکالر است و بنابراین اسپین ذره هیگز باید برابر صفر باشد. اما نتایج حاصل از آزمایشات LHC اسپین ۲ را نیز برای این ذره تازه کشف شده محتمل می دانست و بنابراین برای مشخص کردن دقیق تر اسپین ذره تازه کشف شده به تجزیه و تحلیل برخوردهای پروتونی باز هم بیشتری نیاز بود. در نهایت تلاش های طاقت فرسا و پشتکار خستگی ناپذیر فیزیکدان ها در روز ۱۴ مارس ۲۰۱۳ به نتیجه رسید و کشف ذره هیگز بطور رسمی توسط آزمایشگاه بین المللی سرن اعلام شد.

بازسازی کامپیوتری یکی از برخوردهای پروتونی که به ایجاد ذره هیگز منجر شد.

هیگز، آنگلر و نوبل

با کشف ذره هیگز تقریبا تمامی نشریات علمی معتبر جهان این کشف بزرگ را بعنوان مهمترین کشف علمی سال اعلام کردند و تقریبا همه مطمئن بودند که جایزه نوبل امسال ( سال ۲۰۱۳ ) به این دستاورد بزرگ علمی تعلق خواهند گرفت. حدس ها درست از آب در آمدند و پیتر هیگز به همراه فرانسوا آنگلر مشترکا جایزه نوبل را به خانه بردند. متاسفانه به نتیجه رسیدن عملیات جست و جوی ذره راز آمیز هیگز به واسطه پیچیدگی های بسیار زیادی که داشت آنقدر طول کشید – نزدیک به ۵۰ سال تمام – که رابرت براوت فرصت دریافت جایزه را پیدا نکرد و تقریبا دو سال پیش در سن ۸۲ سالگی از دنیا رفت.