آیا ذره متواری «هیگز بوزون» به دام خواهد افتاد؟

احسان سنایی

در بخش اول از این سری مقالات گفته شد که با نفوذ در دنیای کوانتومی یک ماده، حتی نیروها را به شکل ذرات کارگری خواهیم دید که با جابجایی خود در میان ذرات، برقراری نیروهای بنیادین چهارگانه جهان را موجب می‌شوند. تمامی این فرضیات، در دل مدلی موفق به نام «مدل استاندارد ذرات بنیادی» جای گرفته‌اند.

نمای شبیه سازی شده از باران ذرات زیراتمی که در جریان برخورد سر به سر دو هسته اتم طلا با سرعت 99.995% سرعت نور، در شتاب دهنده RHIC ایجاد شده اند. انرژی این برخورد در حدود 200 گیگاالکترون ولت بود که معادل انرژی اتحاد نیروی های الکترومغناطیس و ضعیف هسته‌ای است. مسیر ذرات تحت تأثیر میدان مغناطیسی منحنی است. / آزمایشگاه ملی بروکهیون

البته این تعاملات آن‌قدر ریز است که اگر ابعاد یک اتم را تا یک توپ تنیس بزرگ کنیم، آن‌گاه قطر این نقطه (.) به ۳۰۰ میلیون کیلومتر خواهد رسید؛ یعنی چیزی در حدود قطر مدار زمین به دور خورشید!

بنابراین یک نتیجه منطقی از این واقعیات می‌توان گرفت: مهم نیست چقدر تلاش کنید؛ شما یک کوارک را نخواهید «دید». اما خوشبختانه می‌توانید آثار غیرمستقیم حضورش را حس کنید. فرض کنید که سه توپ فلزی، چوبی و پلاستیکی با ابعاد و اشکال مشابه داریم، به‌طوری‌که از ماهیت هیچ‌کدام اطلاعی در دست نیست.

اگر کسی آن‌ها را به دیواری بزند و شما با این دیوار آشنا باشید، به راحتی با شنیدن صدای برخورد و مشاهده چگونگی برگشت توپ از دیوار خواهید توانست به جنس آن پی ببرید. دانشمندان نیز با عدم اطلاع از ماهیت آن‌چه که در حین برخوردهای سهمگین شتاب دهنده ایجاد می‌شود؛ تنها به نتایج غیرمستقیم برخورد این ذرات با حس‌گرهای شتاب دهنده چشم دوخته‌اند.

البته ساز و کار آن‌چه دانشمدان با آن سرو کار دارند اندکی برای ما عجیب است؛ چراکه طبق نظریه نسبیت خاص، در دنیای ذرات زیراتمی با تزریق انرژی کافی می‌توان ذره را به کلی تغییر داد و یا حتی از انرژی ماده ساخت.

مثلاً در آنجا اگر توپ پینگ پونگی را به دیوار زدید و بارانی از تیله های رنگارنگ از دیوار فروریخت نباید تعجب کنید؛ اینجا جهان شگفت انگیز کوانتومی است!

از این رو LHC نیز با تمرکز انرژی عظیمی قادر است آن‌چه به دنبالش است را خود تولید کند؛ یعنی کاری که آخرین بار طبیعت آن را در ۱۳.۷ میلیارد سال پیش و در جریان رویدادی به نام انفجار بزرگ تجربه کرد. مشاهده تعویض ماهیت ذرات در حین تحمل انرژی‌های عظیم، متکی به یکی دیگر از اندیشه‌های بی‌نظیر ذهن آلبرت اینشتین است: «اتساع زمان».

بر خلاف ظاهر دشوار این فرضیه اما جوهره آن بسیار ساده است: اگر جسمی تا نزدیکی سرعت نور حرکت کند؛ از دید ناظری که نسبت به او ثابت ایستاده، زمان برای آن جسم بسیار کند می‌گذرد، در حالی‌که خود جسم اصلاً متوجه آن نمی‌شود.

هر چند این گفته در زندگی روزمره ما اندکی عجیب است؛ اما با این حساب برای ذره‌ای که شرایط حرکت در نزدیکی سرعت نور را تجربه می‌کند، طی کردن یک مسافت متعارف (مثلاً یک سانتیتر) برای او امری عادی است؛ در حالیکه از دید یک ناظر ثابت او صدها برابر این مقدار جابجا شده است!

بخشی از تأسیسات حسگر اطلس در شتاب دهنده LHC

به همین ترتیب اگر در حین تمرکز انرژی، یک کوارک منفرد ایجاد شود و سرعت حرکت آن زیاد نباشد؛ نه تنها در اندک زمانی (یک تریلیونیم ثانیه) تجزیه می‌شود؛ بلکه آن‌قدرها هم در این مدت از محل برخورد جابجا نمی‌شود.

اما اگر همین کوارک در حین تجزیه سرعتی شدیداً بالا داشته باشد، از دید ما چند میلیمتری بیشتر حرکت کرده و حس‌گرهای یک شتاب دهنده با شکار ذره مزبور پیش از نابودی آن، قادر به تشخیص ماهیتش هستند. حال با وجود این مقیاس‌های ریز، ساخت حس‌گرهای غول پیکر یک شتاب دهنده چه توجیهی دارد؟

باید گفت هر چه انرژی بیشتری برای تولید ماده به کار برید؛ ذرات بیشتری نیز تولید خواهد شد و چون دانشمندان در این باغ وحش بزرگ ذرات تنها به دنبال چند ذره نادر و تعیین کننده‌اند؛ در یک کلام هر که بامش بیش، برفش بیشتر! به علاوه، ایجاد سرعت‌های هر چه بیشتر، ابعاد تأسیسات کنترل کننده و شتاب دهنده آن پرتو را نیز به نسبت افزایش می‌دهد، به‌طوری‌که در طول تاریخ شتاب دهنده‌ها می‌توان گفت هر چه بشر پیشرفت کرد، بر ابعاد شتاب دهنده‌ها نیز افزوده شد.

یک حس‌گر بزرگ‌تر همچنین قادر است در بازه طولانی ترین ذره را تعقیب کرده و میزان انحراف آن از مسیر اصلی‌اش را در حضور میدان مغناطیسی پرقدرت تونل محاسبه کند؛ بدین ترتیب می‌توان به جرم ذرات بیشتری نیز از این طریق پی برد.

حال، برای درک مأموریت شش حس‌گر اصلی LHC؛ کافی است به سراغ تاریخ تولد جهان‌مان برویم. مأموریت حس‌گرهای «اطلس» و CMS را می‌توان شبیه سازی ۱۰ به توان ۶- ثانیه پس از انفجار بزرگ دانست؛ پس از آن LHCb، کند و کاو جهان ما را تا 1 ثانیه پس از انفجار بزرگ به عهده خواهد گرفت و سپس «آلیس»، به بررسی ۳۸۰ هزار سال بعدی خواهد پرداخت!

LHCf و «توتم» نیز به بررسی دو سؤال از جهان امروز ما می پردازند: به ترتیب، ماهیت پرتوهای کیهانی؛ و محاسبه ابعاد دقیق یک پروتون.

از نقاط کور دانش ما، همان ۱۰ به توان ۴۳- ثانیه اول است که با وجود این‌که تمامی اجزای جهان ما از فیلتر این لحظه عبور کرده‌اند و برچسب بسیاری از ویژگی‌های ساختاری‌شان در آن‌جا بر پیشانی‌شان نقش بسته، اما اطلاعات ما از آن لحظه تعیین کننده تنها در حد حدس و گمان است. در ابتدا با همین لحظه کوتاه آفرینش آغاز می‌کنیم.

پیتر هیگز

یکی از بزرگ‌ترین سؤالاتی که LHC در صدد پاسخ به آن برآمده است، تلاش برای توضیح ماهیت ماده و نیروی جاذبه‌ای است که از آن نشأت می‌گیرد. ایزاک نیوتن و آلبرت اینشتین هر دو درک ما را نسبت به عملکرد نیروی جاذبه تغییر دادند؛ اما هیچ‌کدام به ماهیت و ریشه این نیرو اشاره‌ای نکردند.

طبق مدل استاندارد ذرات بنیادی که در بخش اول از این سلسله مقالات به آن اشاره‌ای اجمالی شد، نظریاتی چون الکترودینامیک کوانتومی (اتحاد نیروی ضعیف هسته‌ای با الکترومغناطیس) و کرومودینامیک کوانتومی (اضافه نمودن نیروی قوی هسته‌ای به این جمع) به ما می‌گویند که اصولاً نیروی چهارم، یعنی گرانش نیز بایستی در لحظه‌ای از تاریخچه جهان ما با این سه نیرو متحد بوده باشد؛ اما چارچوب ریاضیاتی چنین ایده‌ای متضمن وجود ذره‌ای حامل نیروست که خودش جرم نداشته باشد و با این حال به هر جسم موجود در جهان ما نیرویی به نام گرانش ببخشد.

آزمایش‌ها به ما گفته‌اند چنین ذره ای اصولاً نبایستی وجود خارجی داشته باشد و از این رو جمعی از فیزیک‌دانان از جمله فیزیک‌دانی انگلیسی به نام «پیتر هیگز»، راه‌حلی هوشمندانه برای این چیستان بلندبالا پیشنهاد کردند.

طبق این ایده، در نخستین لحظاتی که جهان بوجود آمد هیچ ذره‌ای جرم نداشت. زمانی که جهان سردتر شد و دمای آن از حد پیش‌بینی شده در این نظریه پایین‌تر آمد؛ میدانی یک‌پارچه موسوم به میدان هیگز همچون توری بر جهان ما مسلط شد و ذراتی موسوم به «هیگز بوزون» همزمان در جهان پراکنده شدند.

از آن پس هر ذره بی جرمی که با میدان هیگز واکنش می‌داد، از راه هیگز بوزون جرم می‌یافت؛ به‌طوری‌که هر چه میزان این واکنش بیشتر، جرم آن ذره نیز بیشتر.

این نظریه تأیید فیزیک‌دانان بسیاری را به دنبال داشت اما این تنها کافی نبود؛ چراکه هنوز هیچ‌کس هیگز بوزون را ندیده است.

این وظیفه بر دوش اطلس و CMS است. اما مشکل اصلی دانشمندان در این خصوص، عدم اطلاع از جرم دقیق این ذره فراری است که باز هم مسأله را پیچیده‌تر می‌کند. فیزیک‌دانان گستره‌ای از جرم‌های مختلف را پیشنهاد کرده‌اند که شاید بتوان در آنجا نشانه‌ای از هیگز بوزون یافت و خوشبختانه LHC تمامی این بازه را پوشش می‌دهد. اگر هیگز بوزونی وجود داشته باشد،LHC آن را خواهد یافت؛ در غیراین‌صورت، فیزیک‌دانان بایستی به دنبال راه‌حل دیگری برای این معمای دیرپای دانش بشری باشند.

اما اطلس و CMS، چگونه این ذره متواری را به دام خواهند انداخت؟

ادامه دارد ...