تلاش براي يافتن ذره خالق

[Easy Bug]

دانشمندان در آزمايشگاه سرن در تلاشند تا با آشكارسازي بوزون هيگز، از راز جرم مواد پرده بردارند

جام جم آنلاين: هفته گذشته بسياري از علاقه‌مندان علم در جهان چشم به اتاق كنفرانس مركز شتاب دهنده ذرات اروپا دوخته بودند تا مديران دو آشكارساز آن يعني اطلس و سي ام اس نتايج يافته‌هاي خود درباره يكي از هيجان‌انگيزترين موضوعات در فيزيك ذرات را به اطلاع عموم برسانند.

يكي از اهداف اصلي ساخت شتاب‌دهنده بزرگ هادروني در مرز سوئيس و فرانسه پيدا كردن مداركي مبني بر وجود يا عدم وجود ذره‌اي به نام بوزون هيگز بود. ذره‌اي كه در دهه 60 ميلادي و در قالب تئوري ميدان هيگز از سوي پيتر هيگز معرفي شد.
نتيجه كنفرانس ژنو نه آنقدر كه خوش بين ترين علاقه‌مندان مايل بودند اميدوار كننده بود و نه آنقدر كه افراد بدبين گمان مي‌كردند نااميدانه. براساس اعلام دانشمندان هيگز طي برخوردهايي كه در يك سال گذشته صورت گرفته است، ذراتي در بازه محدوده‌اي از جرم آشكار شده‌اند. اين ذرات ممكن است به دليل پديده‌هاي جانبي رويت شده باشند يا واقعا خود بوزون هيگز باشند اما ظهور آنها در يك منطقه در دو آزمايش گوناگون اين اميدواري را كه نشانه‌هاي آشكار شده نشان‌دهنده بوزون هيگز باشد، تقويت مي‌كند. بايد يك سال ديگر منتظر بود تا در برخورد دهنده بزرگ ذرات، برخوردهاي بيشتري صورت گيرد و دانشمندان بتوانند با قطعيت بيشتري در باره وجود اين ذره صحبت كنند.
اما بوزون هيگز چيست و چه اهميتي براي فيزيك دارد كه خبر پيدا شدن آن تا اين حد مهم به شمار مي‌رود و حتي در بيرون از دنياي فيزيك به آن القابي مانند ذره خالق مي‌دهند؟
بوزون هيگز چيست؟
براي اين‌كه پاسخ ساده‌اي به اين پرسش بدهيم بايد بگوييم كه جهان اطراف ما از مواد مختلفي ساخته شده است. من و شما، روزنامه‌اي كه در دست داريد و صندلي كه روي آن نشسته ايد هر يك از تركيبات و مواد گوناگوني تشكيل شده‌اند. اما اگر اندكي ژرف‌تر نگاه كنيم مي‌بينيم همه اين مواد قابل تبديل به تعداد محدودتري از ذرات تشكيل‌دهنده هستند. براي مثال همه اشيا از مولكول‌هايي تشكيل شده‌اند.
تنوع و تعداد اين مولكول‌ها بسيار زياد است اما هر تركييي كه داشته باشند قطعا از عناصر محدودي كه آنها را در طبيعت مي‌شناسيم شكل گرفته‌اند. همه اين عناصر به نوبه خود از ذرات بنيادي‌تري به نام الكترون، نوترون‌ و پروتون شكل گرفته اند و خاصيت مختلف هر يك از آنها به اين برمي‌گردد كه چه تركيبي از اين 3 ذره در كنار هم قرار گرفته باشند.
برخي از اين ذرات به نوبه خود از ذرات بنيادي تري هم شكل گرفته‌اند. بررسي اين ذرات بنيادي مي‌تواند ما را به درك جهان اطرافمان ياري كند. تركيب اين ذرات كه آنها را ذرات زير اتمي مي‌نامند كمك مي‌كنند بفهميم چه قوانيني بر جهان ما حاكم است. اهميت اين دنياي فوق‌العاده كوچك مقياس و در عين حال فوق العاده مهم باعث شده است تا گروهي از دانشمندان تمام تمركز و هم و غم خود را به رازگشايي از اين جهان شگفت مبذول و سعي در توصيف اين جهان با كمك نظريه ذرات بنيادي كنند. نظريه ذرات بنيادي مانند هر نظريه ديگري در دنياي علم بر مبناي مشاهده‌ها شكل مي‌گيرد، پديده‌ها را پيش‌بيني مي‌كند و در برابر آزمايش‌هاي جديد محك مي‌خورد و اگر از آن سربلند بيرون آيد مستحكم‌تر شده و اگر در آزمايشي شكست بخورد نظريه ديگري را بايد بر مبناي نتايج جديد توسعه داد. به همين دليل براي توصيف يك پديده، گاهي نظريات مختلفي مطرح مي‌شود كه هر كدام بتواند بهتر از پس چالش‌هاي پيش‌رو برآيد، جاي پايش محكم‌تر مي‌شود و بيشتر مورد قبول قرار مي‌گيرد.
در نظريه ذرات بنيادي نيز نظريه‌اي به نام مدل استاندارد وجود دارد كه بدون ورود به جزئيات فني و دشوار آن، نظريه‌اي است كه تلاش دارد به روان‌ترين شكل رفتارهاي حاكم بر ذرات بنيادي را توصيف كند و توضيحي بر دليل رفتارهاي آنها ارائه دهد.


نكته: گران ترين آزمايشگاه تاريخ بشر به كاوش در بنيادي‌ترين ذرات و بالاترين انرژي‌ها و سرعت‌ها مي‌پردازد تا سرنخ‌هايي از واقعيت جهان را آشكار كند

بوزون هيگز در اين نظريه است كه نقش مهمي ايفا مي‌كند. بار ديگر و بدون وارد شدن به جزئيات فني بياييد به اين سوال بينديشيد كه ويژگي يك جسم چه مواردي است؟ مثلا خود شما، روزنامه‌اي كه در دست داريد يا هر چيز ديگر. فارغ از مشخصات ظاهري برخي از ويژگي‌هاي يك جسم، بنيادي و اساسي به‌شمار مي‌رود. يكي از اين موارد جرم يك جسم است (كه البته مي‌توانيد آن را نوعي انرژي به دام افتاده در آن جسم نيز تصور كنيد). اگر از شما بپرسند چقدر جرم داريد. ممكن است بگوييد مثلا 60 كيلوگرم و اگر از شما بپرسند چرا جرم شما اين عدد است؟ خواهيد گفت، بدن من از موادي تشكيل شده كه هر يك از آنها جرمي دارند و مجموعه جرم آنها به اين عدد مي‌رسد. اين فرآيند خرد كردن را مي‌توانيد آنقدر ادامه دهيد تا به ذرات بنيادي برسيد. اما از آن بيشتر نمي‌توانيد پيش رويد. بخشي از مواد تشكيل‌دهنده بدن شما الكترون‌ها هستند؟ چرا يك الكترون مقدار مشخصي جرم دارد؟ و چرا اين مقدار براي ذرات بنيادي مختلف متفاوت است؟ براي مثال چرا يك الكترون مقدار جرم مشخصي دارد كه از پروتون و نوترون كمتر از اما ذراتي مانند فوتون يا نوتريونوها كه تقريبا بدون جرم هستند، بيشتر است؟ چه چيزي باعث مي‌شود كه يك ذره جرم مشخصي را داشته باشد ؟ و به عبارت ديگر، در دنياي فيزيك ذرات چه عاملي باعث مي‌شود جرمي خاص به ذره‌اي خاص اختصاص يابد؟ اين يكي از معماهاي مدل استاندارد به شمار مي‌رود و در دهه 1960 ميلادي پيترهيگز نظريه‌اي را مطرح كرد كه به نام ميدان هيگز معروف شد و مي‌توانست اين مساله را توجيه كند.

جرم مواد و نظريه هيگز
براساس نظريه هيگز، كل جهان ما را ميداني فرا گرفته است. براي اين‌كه تصوري از ميدان داشته باشيد، ميدان آشناتر الكترومغناطيس را در نظر بگيريد. همه شما احتمالا اين آزمايش معروف را يا انجام داده‌ايد يا ديده‌ايد كه يك آهن‌ربا را زير يك كاغذ مي‌گذاريم و روي كاغذ براده‌هاي آهن مي‌ريزيم. اين براده‌ها در مسيرهاي مشخصي كه خطوط ميدان مغناطيسي هستند قرار مي‌گيرند. در واقع آهن‌ربا يك ميدان مغناطيسي دارد كه بر موادي كه خاصيت فلزي دارند، تاثير مي‌گذارد.
براساس اين نظريه، كل جهان ما از ميداني به نام ميدان هيگز تشكيل شده است مهم نيست اطراف يك جرم باشد يا جايي كه فكر مي‌كنيم خلا است همه جا اين ميدان وجود دارد. اگر مي‌خواهيد تصور بهتري از نوع حضور اين ميدان داشته باشيد يك آكواريوم را تصور كنيد كه پر از آب است. براي ماهي‌اي كه درون اين آكواريوم است شايد بقيه فضاي آكواريوم خالي به نظر آيد اما مي‌دانيم كه مملو از ماده‌اي به نام آب است كه اين آب عمدتا از ماده‌اي به نام مولكول آب يا H2O تشكيل شده است. ميدان هيگز هم به همين ترتيب همه جا را در بر گرفته ولي به جاي مولكول‌هاي آب از ذره‌اي بنيادي به نام بوزون هيگز تشكيل شده است. اين ذره بنيادي جرم مشخصي دارد و نسبتا ذره سنگيني به شمار مي‌رود اما مهم‌تر از جرم خودش اين ويژگي مهم را دارد كه با ذرات بنيادي ديگر اطراف خودش واكنش نشان مي‌دهد. مثل ذرات براده آهن كه در ميدان مغناطيسي واكنش نشان مي‌دادند و در مسيرهاي مشخصي قرار مي‌گرفتند هر ذره با اين بوزون‌هاي هيگز در حال واكنش دادن است. آنچه ذره هيگز را مهم مي‌كند، اين است كه بر اساس اين نظريه، نوع و قدرت واكنش بوزون‌هاي هيگز با مواد و ذرات بنيادي اطرافش معلوم مي‌كند كه آن ذره چقدر جرم داشته باشد. يعني جرم الكترون به دليل قدرت واكنش الكترون‌ها با بوزون هيگز است. اگر فوتون تقريبا بدون جرم است به اين دليل است كه واكنشش با بوزون‌هاي هيگز بسيار ضعيف است و در عوض الكترون واكنش قوي‌تري دارد.
از طرف ديگر چون بوزون‌هاي هيگز همه جاي ميدان هيگز قرار دارند و همه عالم را پر كرده‌اند (مانند آب درون آكواريوم) پس يك ذره مانند الكترون يا فوتون فارغ از اين‌كه كجاي عالم قرار دارند به‌طور دائمي در حال واكنش با بوزون هيگز هستند و در نتيجه جرم ثابتي دارند.
به اين ترتيب در مدل استاندارد ذرات بنيادي بوزون‌هاي هيگز مي‌توانند توضيح دهند كه چرا هر ذره جرم مخصوص به خود را دارد. اما اين ذره يك ذره تئوري است (حداقل فعلا) و در آزمايشگاه مشاهده نشده و حاصل محاسبات رياضياتي است. اين ذرات را تنها مي‌توان زماني آشكار كرد كه بتوانيم برخوردهاي بزرگي را ميان ذرات بنيادي ايجاد كنيم و در شرايط آشوبناك و آزاد شدن انرژي حاصل از برخورد اين شانس را به وجود بياوريم كه اين ذره براي مدتي ظاهر شود و آن را آشكار كنيم. يكي از دلايل اصلي و هدف‌هاي علمي اوليه ساخت شتاب دهنده بزرگ هادروني در مركز تحقيقات سرن نيز تلاش براي آشكار كردن اين ذره و تاييد وجود آن بوده است.
بوزون ها به دام مي افتند
اينك نتايج اعلام شده نشان مي‌دهد سرنخ‌هايي از اين بوزون گريز پاي آشكار شده است اما اين مدارك هنوز آنقدر دقيق نيست كه بتوان با استناد بر آن كشف ذرات هيگز را با قطعيت اعلام كرد و دانشمندان معتقدند تا پايان سال 2012 مدارك معتبرتري به دست مي‌آورند كه مي‌تواند با قطعيت به اين پرسش پاسخ دهد كه آيا هيگز وجود دارد يا نه؟
اما اگر در اين آزمايش‌ها معلوم مي‌شد، يا معلوم شود كه ذره هيگز وجود ندارد چه اتفاقي خواهد افتاد؟ در اين صورت دانشمندان بايد سراغ نظريات پيچيده تري براي توجيه جرم مواد بروند نظرياتي كه به نام نظريات فراق از هيگزمعروفند.
آزمايش‌هاي مركز سرن، به‌طور اساسي ديدگاه ما را در باره بنيادهاي جهاني كه در آن زندگي مي‌كنيم تغيير مي‌دهد و آنها را اصلاح مي‌كند. به همين دليل گران ترين آزمايشگاه تاريخ بشر به كاوش در بنيادي‌ترين ذرات و بالاترين انرژي‌ها و سرعت‌ها مي‌پردازد تا سرنخ‌هايي از واقعيت جهان را آشكار كند و به همين دليل هم هست كه جهان علم با دقت چشم به اين آزمايشگاه و نتايج آن دوخته است.