بوزون هيگز و بزرگترین آزمایشگاه جهان

بوزون هيگز و بزرگترین آزمایشگاه جهان
این روزها بخش مهمی از اخبار علمی به شتاب دهنده بزرگ هادرون(LHC) در بزرگترین آزمایشگاه بین المللی فیزیک ذرات بنیادی CERN (The European Organization for Nuclear Research) واقع در مرز بین فرانسه و سوئیس اختصاص یافته است. به دلیل اهمیت این آزمایش بخشی از کتاب "فیزیک از آغاز تا امروز" در اینجا ارائه می شود. هدف از این آزمایش آشکار سازی ذرات هیگز و ایجاد شرایط جهان در نخشتین لحظه ی مهبانگ (Big Bang) است. بنابراین نخست بتید دید که هیگز چیست و چه نقشی در جدول ذرات بنیادی دارد. در این مقاله روابط ریاضی که در کتاب "فیزیک از آغاز تا امروز" ارائه شده، حذف گردیده است. برای اطلاعات بیشتر به کتاب یاد شده مراجعه فرمایید.

ذرات چگونه جرم کسب مي کنند؟
مسئله جرم دو جنبه متفاوت دارد. اولآنکه نياز است بدانيم جرم چگونه بهوجود ميآيد. معلوم شده است که جرم حداقل از سهسازوکار متفاوت ايجاد ميشود که در ادامه تشريح خواهد شد. يک بازيگر مهمدر نظريههاي آزمايشي فيزيکدانان در مورد جرم، نوع جديدي از ميدان است که تمام جهانرا فراميگيرد و ميدان هيگز نام دارد. گمان ميرود جرم ذرات بنيادي ازبرهمکنش با ميدان هيگز بهوجود ميآيد. اگر ميدان هيگز وجود داشته باشد، طبقنظريه هيگز، وجود يک ذره وابسته بهآن بهنام هيگز ضروري است. هماکنون دانشمندانبا استفاده از شتاب دهندههاي ذرات بهدنبال ذره هيگز هستند. جنبه ديگر اينمسئله آن است که دانشمندان ميخواهند بدانند چرا انواع مختلف ذرات بنيادي،جرم خاص خودشان را دارند. اما هنوز نميدانيم چرا اينگونه است.

جرم چيست؟
مباني درک نوين ما از جرم بسيار پيچيدهتر از تعريف نيوتن و مبتنيبر مدل استاندارد است. در بطن مدل استاندارد تابع رياضي بهنام لاگرانژي است کهنشاندهنده چگونگي برهمکنش ذرات گوناگون است. فيزيکدانان با استفاده از اين تابعو تبعيت از قواعدي بهنام نظريه نسبيت کوانتومي ميتوانند رفتار ذرات بنيادي رامحاسبه کرده و دريابند اين ذرهها چگونه گرد هم مي آيند و ذرات مرکبي همچونپروتون را بهوجود ميآورند. ميتوان چگونگي واکنش ذرات بنيادي و ذراتمرکب را نسبت به نيروها به دست آورد. در مورد نيرويF معادله F=ma ، نيرو،جرم و شتاب حاصل از نيرو را بههم مربوط ميکند. لاگرانژي مي گويد که دراين جا برايm بايد از چه مقداري استفاده کنيم و اين مقدار همان چيزي است که ازعبارت جرم ذره مد نظر فيزيکدانان است.اما جرمي که بهطور معمول آن را درک ميکنيم، چيزيبيش ازF=ma از خود نشان ميدهد. براي مثال نظريه نسبيت خاص پيشبيني ميکند که ذرات بدون جرم در خلاء با سرعت نور و ذرات جرم دار بسيار کندتر از نور حرکت ميکند، بهطوري که اگر جرمشان را بدانيم ميتوانيم سرعتشانرا حساب کنيم.قوانين گرانش با دقت بسيار، پيشگويي ميکند که گرانش هم روي مادهو هم روي انرژي تاثير ميگذارد. همانطور که از يک مقدار خاص جرم انتظار داريم،مقدارm که از روي لاگرانژي براي هر ذره بهدست ميآيد، در تمام موارد ديگرنيز صحيح است و کاربرد دارد. ذرات بنيادي، جرمي ذاتي دارند که آن را با نام جرمسکون ميشناسيم. در موردذرات مرکب بايد گفت که جرم سکون اجزاي

تشکيلدهنده و انرژي جنبشي وانرژي پتانسيل برهمکنشها در جرم کلي ذره نقش دارد. همانطور که رابطه E=mc2 ميگويد انرژي و جرم بهيکديگر ربط دارند.

سازوکار هيگز
ذرات بنيادي(کوارک ها والکترون ها) برخلاف پروتون ها و نوترون ها از اجزاي کوچکتري تشکيل نشده اند. شرحچگونگي کسب جرم سکون در اين ذره ها به يکي از اصلي ترين مسائل در مورد منشاء جرمتبديل شده است. تفسيرهاي ارائه شده به وسيله فيزيک نظري جديد مي گويد جرم ذرات بنيادي از برهمکنش با ميدان هيگز ناشيمي شود. اما چرا ميدان هيگز در همه جاي جهان حاضر است؟ چرا قدرت اين ميدان همانندميدان الکترومغناطيسي در مقياسهاي کيهاني اصولا صفر نيست؟ ميدان هيگزچيست؟
ميدان هيگز يک ميدان کوانتومي است. ممکن استعجيب به نظر برسد، اما واقعيت اين است که تمام ذرات بنيادي به صورت کوانتوم هايميدان کوانتومي متناظر پديدار مي شوند. بنابراين ميدان هيگز از اين لحاظ عجيب تر ازالکترون و نور نيست. با اين همه ميدان هيگز به سه روش مهم ديگر با تمام ميدان هاي کوانتومي تفاوت دارد.
1- تفاوت اول اين است که تمامميدان ها خاصيتي به نام اسپيندارند. بوزون هيگز(ذره ميدان هيگز) اسپين صفر دارد. داشتن اسپين صفر ميدان هيگز راقادر مي سازد به شيوه متفاوتي نسبت به بقيه ذره ها در لاگرانژي ظاهر شود و ميدان هيگز دو جنبه متفاوت ديگر خود را ظاهر سازد.
2- دومين خاصيت منحصر به فرد ميدان هيگز توضيح مي دهد که چراقدرت اين ميدان در سرتاسر جهان غيرصفر است. هر سامانه اي از جمله جهان در پايين ترينسطح انرژي قرار مي گيرد. در ميدانمعمولي همانند ميدان هاي الکترومغناطيسي پايينترين سطح انرژي آنجايي است که ميدان مقدار صفر دارد. يعني جايي کهميدان از بين مي رود. اگر ميدان غيرصفري اعمال شود، انرژي ذخيره شده درميدان ها، انرژي خالص سامانه را افزايش مي دهد. اگر بخواهيم همانتشبيه دره را به کار بريم، بايد گفت براي ميدان هاي معمولي، کف دره، مکاني است کهميدان صفر است، اما براي هيگز، ته دره(يعني ميدان صفر)، تپه اي در مرکز خود دارد وپايينترين نقطه دره دايره اي حول اين تپه است. جهان مثل يک توپ در جايي در اينچاله حلقوي که با مقدار غيرصفر ميدان متناظر است، ساکن مي شود. اين گفته به اينمعني است که جهان در حالت معمولي و در پايين سطح، آکنده از ميدان هيگز غيرصفراست.
3- آخرين ويژگي قابل توجه ميدان هيگز شکلبرهمکنش آن با ذرات ديگر است. ذراتي که با ميدان هيگز برهمکنش دارند، طوري رفتارمي کنند که انگار جرم دارند و جرمآنها متناسب با شدت ميدان ضرب در شدت برهمکنش است. جرم ها از عبارتي در لاگرانژي به وجود مي آيند که بيانگر برهمکنش ذرات با ميدانهيگز است.
با اين همه هنوز درک ما از همه اينها کامل نشده و مطمئن نيستيمچند نوع ميدان هيگز وجود دارد. هر چند که مدل استاندارد فقط به يک ميدان هيگز نيازدارد تا جرم تمام ذرات بنيادي را ایجاد کند، اما فيزيک دانان مي دانند کهنظريه اي کامل تر بايد جانشين مدل استاندارد شود. مهم ترين رقيبان، بسط هايي از مدلاستاندارد است که با عنوان مدل استاندارد ابرتقارني(ابر همزاد)شناخته ميشود. با توجه به مدل استاندارد ابرتقارني، حداقل به دو ميدان هيگز متفاوت نياز داريم. برهمکنش با آن دو ميدان، به ذرات مدل استانداردجرم مي دهد. که باعث جرمدار شدن ابرهمزادها نيز مي شوند. دو ميدان هيگز به وجود پنج نوع بوزون هيگز منجر مي شود.
سه تا از آنها از لحاظ الکتريکي خنثيهستند و دو تاي ديگر باردار مي باشد. اين احتمال هم وجود دارد که جرم ذراتي که نوترينو ناميدهمي شود و در مقابل جرم ذرات ديگر کوچک است، به روشي غيرمستقيم، از اين برهمکنش هايا از نوع سومي از ميدان هيگز به وجود آيد. نظريه پردازان چندين دليل دارند که نشانمي دهد تصوير ( SSM (Super-symmetric Standard Model از برهمکنش هاي هيگز صحيح است. اول آنکه بدون سازوکار هيگز،بوزون هاي هيگز که واسطه نيروي ضعيف هستند، بايد مانند فوتون بدون جرم باشند، ديگر آن که برهمکنشهاي ضعيف بايد مثل برهمکنش هاي الکترومغناطيسي قوي باشند. ايننظريه مي گويد که سازوکار هيگز به روش برهمکنش هاي بسيار ويژه باعث جرمدار شدن W وZ مي شود. پيشگويي هاي چنينرويکردي در مورد جرم W وZ به طور تجربي تاييد شده است.
نکته دوم آن که، اصولا تمامجنبه هاي ديگر مدل استاندارد به خوبي آزموده شده است و در چنين نظريه اي با جزئياتفراوان و بسيار مرتبط به هم، دشوار است که بخشي(مثل هيگز) را تغيير داد، بدون آن کهبر بقيه قسمتهاي نظريه تاثيري نداشته باشد. براي مثال، تحليل اندازه گيري هاي دقيقخواص بوزون ZوW به پيشگويي دقيق جرم کوارک سر،پيش از توليد مستقيم آن منجر شد. تغيير سازوکار هيگز باعث نقض شدن اين پيشگويي و ديگرپيشگويي هاي موفقيتآميز مي شود. سوم آن که سازوکار هيگز مدل استاندارد در توجيهجرمدار شدن تمام ذرات مدل استاندارد خيلي خوب عمل مي کند؛ هم جرمدار شدنبوزون هايW وZ را توجيه مي کند، هم جرمدار شدن کوارک ها و لپتون ها را. در حاليکه نظريه هاي بديل نمي توانند. ديگر آن کهSSM برخلاف نظريه هاي ديگر، چارچوبي براي هماهنگي درک ما از نيروهاي طبيعت فراهم مي آورد. نکته پاياني آنکه SSM مي تواندتوضيح دهد چرا دره انرژي براي جهان چنان شکلي دارد که براي سازوکار هيگز نيازاست. در مدل استاندارد اوليه شکل دره را بايد به صورت يک پذيره وارد مدل کرد، امادرSSM اين شکل دره را مي توان از راه رياضي به دست آورد.


بوزون هيگز و نتايج آن
در سال 1962 پيتر هيگز(Peter Higgs) از تعطيلات آخر هفته خود با انديشه اي جديد به دانشگاه برگشت و افکار خود را به صورتي ساده با همکارانش در ميان گذاشت. انديشه ي اصلي پاسخ به اين سئوال بود که ذرات چگونه جرم کسب مي کنند؟ اين انديشه ساده مورد بحث قرار گرفت و نخستين مقاله آن در سال 1964 منتشر شد و نحوه ي جرم دار شدن ذرات را تحت عنوان بوزون هيگز بررسي کرد. در فضاي تهي ميدان هيگز مقداري غيرصفر دارد که همواره در تمام جهان نفوذ مي کند. سازوکار هيگز که توسط فيليپ آندرسن (Philip Warren Anderson) يشنهاد شده، نحوه جرم دار شدن تمام ذرات بنيادي را نشان مي دهد. اين سازوکار، بوزون هاي W را متفاوت از فوتون مي سازد.
طبق اين سازوکار، با شکست خود به خودي تقارن، تصور مي شود که يک ميدان اسکالر مختلط در هر نقطه از فضا وجود دارد. با توجه به مفاهيم ميدان هيگز، نحوه توليد و جرم دار شدن ذرات از نقطه نظر فرضيه قابل توضيح است.
طبق يکي از دياگرام هاي فاينمن، فرايند معکوسي براي توليد بوزون هيگز ارائه شده است. در اين دياگرام، فاينمن فرايند احتمالي توليد بوزون هيگز را پيشگويي مي کند(شکل1).




http://cph-theory.persiangig.com/2231-1.JPG

شکل1: دياگرام فاينمن براي توليد وآشکارسازي هيگز

در اين فرايند دو گلئون واپاشيده مي شوند و زوج کوارک سر و پادکوارک سر توليد مي شود، سپس اين دو کوارک با هم ترکيب مي شوند و يک بوزون هيگز آشکار مي گردد. اما مشکل آن است که به رغم هزينه و زمان زيادي که صرف شده و استفاده زيادي که از شتاب *دهنده به عمل آمده، هنوز هيچ کس بوزون هيگز را در آزمايشگاه يا در عرصه کيهان رديابي نکرده است.

آزمون نظريه
طبيعي است که فيزيک دانان بخواهند آزمون هايمستقيمي در اين مورد انجام دهند که جرم از برهمکنش با ميدانهاي متفاوت هيگز به وجود مي آيد. در اين آزمون ها مي توان سهجنبه اساسي را آزمود:
1 -مي توان در جست وجويذرات ويژه اي به نام هيگز باشيم. چنين کوانتوم هايي بايد وجود داشته باشند،در غير اين صورت تفسيرهاي ارائه شده صحيح نيست. فيزيک دانان هماکنون درشتاب دهنده تواترون[1]در آزمايشگاه شتابدهنده ملي فرمي در جست وجوي بوزون هيگز هستند.
2 -پس از اينکه اين ذرات شناسايي شدند،مي توانيم مشاهده کنيم که چگونه بوزونهاي هيگز با ديگر ذرات برهمکنش دارند. همانعبارتي در لاگرانژي که مشخصکننده جرم ذرات است، بيانگر خواص اين برهمکنش هااست. بنابراين مي توان آزمايش هايي انجام داد تا وجود عبارتهاي برهمکنش از اين نوعرا به طور کمي آزمود. قدرت برهمکنش ها و مقدار جرم ذرات اختصاصا با يک روش به هممربوط مي شوند.
3 -مجموعه هاي گوناگون ميدانهاي هيگز،که در مدل استاندارد يا نسخه هايSSM وجود دارد، نشاندهنده مجموعه هاي متفاوتي ازبوزونهاي هيگز با خواص مختلف است. بنابراين آزمون مي تواند بين اين بديل ها نيزتمايز قائل شود. تنها چيزي که براي انجام دادن آزمايش ها نياز داريم، شتاب دهندهمناسب ذرات است: شتاب دهنده هايي که انرژي کافي براي توليد بوزون هاي مختلف هيگز را داشته باشد. شدت کافي براي ساخت مقدار کافي از آنها و آشکارسازهاي خوب براي تجزيه و تحليل آنچه که به وجود آمده است. يک مشکل عمده سر راه انجام چنين آزمون هايي آناست که هنوز نظريه را آنقدر خوب درک نکردهايم که بتوانيم مقدار جرم بوزونهايهيگز را محاسبه کنيم، در نتيجه جستوجو براي يافتن آنها دشوارتر مي شود، زيرا بايد گستره وسيعي از جرم ها را آزمود. ترکيبي از استدلال هاي نظري و اطلاعات حاصل ازآزمايش، مي تواند ما را براي به دست آوردن جرمهاي تقريبي راهنماييکند.
شتاب دهنده بزرگ الکترون- پوزيترون(LEP) در سرن، در گستره اي از جرم ها که احتمال بسيار داشتدر برگيرنده بوزون هاي هيگز باشد، کار کرد. اين شتاب دهنده چيزي پيدا نکرد، اما پيش از آن که شتاب دهنده در سال ۲۰۰۰ براي ساخت تجهيزات جديدتر يعني شتاب دهندهبزرگ هادرون (LHC) سرن تعطيل شد(شکل2)، شواهد از وجود چيزي در حد انرژيو شدت شتاب دهنده يافت و نشان داد که جرم هيگز بايد بيش از ۱۲۰ برابر جرم پروتون باشد. با اين همهLEP شواهد غيرمستقيمي يافت که نشان مي دهد بوزون هيگز وجود دارد:با استفاده از آزمايش هاي انجام شده درLEP ، شماري از اندازه گيري هاي دقيق صورتگرفت که مي توان آنها را با اندازه گيري هاي مشابه تواترون و شتاب دهنده مرکزشتابدهنده خطي استنفورد ترکيب کرد. مجموعه نهايي دادهها، فقط وقتي خوب با نظريهسازگار مي شود که برهمکنش هاي خاص ذرات با سبکترين بوزون هاي هيگز را دربرگيرد با اين تفاسير پژوهشگران به حد بالايي براي جرم بوزون هيگز دسترسي مي يابندکه به آنها کمک مي کند پژوهشهايشان را متمرکز کنند.






http://cph-theory.persiangig.com/2231-2.JPG

شکل28- 2: نمودار بخش هاي مختلف شتاب دهندهبزرگ هادرون

طي چند سال آينده، تنهاشتاب دهنده اي که مي تواند شواهد مستقيمي براي بوزون هاي هيگز توليد کند، تواتروناست. اگر اين شتاب دهنده بتواند به طور پيوسته به شدت باريکه اي که از آن انتظارميرود، دست يابد(که البته تاکنون دستيابي به چنين شدتي امکانپذير نشده است) انرژي اشبراي کشف يک بوزون هيگز در گستره جرم هايي که شواهد غيرمستقيمLEP نشان داد، کافي است. طبق برنامه ريزي هاي انجام شده،LHC که هفتبرابر پرانرژي تر و شدت برخوردهاي آن بسيار بيشتر از تواترون است، در سال ۲۰۰۷ ارائهاطلاعات را آغاز خواهد کرد. اين شتاب دهنده مي تواند به کارخانه بوزون هيگز تبديلشود(يعني مي تواند در هر روز مقدار زيادي ذره توليد کند). با فرض آن کهLHC طبقبرنامهريزي قبلي کار کند، جمع آوري اطلاعات مناسب و آموختن چگونگي تفسير آنها، يکيدو سال زمان ميبرد. انجام آزمايشهاي کاملي که نشان دهد برهمکنش با ميدان هاي هيگزبه وجودآورنده جرم است، علاوه بر LHC که شتاب دهنده پروتون است و تواترون(کهشتاب دهنده پروتون و پادپروتون است) به شتاب دهنده الکترون- پوزيترون تازه اي نيزنياز است.


آنچه که در مورد بوزون هاي هيگز حاصلشود، تنها براي آزمودن اين نکته که آيا سازوکار هيگز به وجودآورنده جرم است، بکار نمي رود، بلکه اين دست آوردها مي تواند نشاندهنده راهي براي چگونگيتوسعه مدل استاندارد، براي حل مسائلي همچون منشاء ماده تاريک باشد.