تکنولوژی ستاره شناسی فیزیک

هگز بوسان چیست و چرا با ارزش است؟

با وجود اینکه جهان در انتظار تایید کشف احتمالی ذره هیگز بوسان Higgs boson است، هنوز ابهامات و سوال‌های زیادی در مورد اینکه این ذره چیست، چرا برای کشف آن اینگونه سخت کوشیده ایم، و اینکه چرا باید کشف آن برای ما ارزش داشته باشد، وجود دارد. در اینجا به این چراها پاسخ می‌دهیم.

 

نخست پاسخی کوتاه:

اگر هیگز کشف شود، احتمالن(احتمالاً) یکی از کلان‌ترین دستاوردهای خرد انسانی در تاریخ معاصر خواهد بود. کشف این ماده یکی از بزرگ‌ترین نظریه‌های دنیای دانش را تایید کرده و ساخت پیچیده‌ترین ماشین جهان LHC را کاری بیهوده نخواهد شمرد.

 

اما اگر هیگز بوسان تنها چیزی باشد که در “تصادم‌گر بزرگ هادرونی” (LHC) پیدا شود، چیزهای بیشتری برای کشف باقی خواهد ماند. پاسخ های کلیدی‌ای که فیزیکدانان برای درک پرسش‌های اساسی‌ درباره‌ی هستی نیاز دارند- از پرسشی چون، آیا چهار نیروی موجود در طبیعت به شکلی در یک فرضیه کلی با هم متحد اند، تا پیدا کردن دلیل انفجار مهیب Big Bang – همچنان در هاله‌ای از ابهام باقی خواهد ماند. پاسخ بدین پرسش‌ها شاید فرای تکنولوژی/فنآوری و امکانات مالی نسل فعلی باشد و شاید ما باید تنها به کشف هگز بسنده کنیم.

 

برای پاسخ بلند تر می‌توان گفت:

اگر نظرات ما درباره‌ی هیگز بوسان درست از آب درآید، در این صورت هرآنچه را که می‌بینیم ظاهرسازی است و اساس آن بافتی از حقیقت است که بر طبق این اساس، ما اصلن (اصلاً) نباید وجود داشته باشیم. ذراتی که ما را می‌سازند (از پیوستن این ذرات به‌ یکدیگر، پروتون‌ها، نوترون‌ها، هسته‌‌ی اتم و در نهایت اتم‌ها به وجود می آیند)، همه جرم(کثافت) دارند. بدون هیگز، این ذرات همانند فوتان‌ها photons  باید بدون جرم (کثافت) باشند.

 

همه ما بر اساس تجربه‌ی شخصی خود می‌دانیم که یک شیئ بر اساس اینکه در کجا قرار دارد می‌تواند وزن متفاوتی داشته باشد. برای نمونه اشیاء در آب سبک‌تر اند. به همین گونه، اگر قاشقی را درون مایع قلیظی چون شیره‌ی قند فشار دهید، نسبت به زمانی که قاشق را در هوا حرکت دهید سنگین‌تر می‌نماید (مقدار اصطکاک ایجاد شده در یک مایع غلیظ بیشتر است و به ما حس سنگینتر بودن را می دهد).

 

مدل استاندارد فیزیکِ ذرات particle physics  می‌گوید که “میدان هیگز”ی وجود دارد که تمام فضا را پرکرده است. این میدان با ذرات کنش‌ انجام میدهد، البته با هر ذره به میزان متفاوتی. ذره‌هایی که با نیروی بیشتری با این میدان کنش انجام می‌دهند با مقاومت بیشتری برای جابجایی روبرو شده و سنگین‌تر به نظر می‌رسند. برخی هم مثل فوتان‌ها هیچ کنشی با این میدان ندارند، و بدون جرم(کثافت) باقی می‌مانند.

 

پس بدین‌ترتیب جرم(کثافت) هر چیز با وجود این میدان معنا پیدا کرده و جرم نتیجه‌ی وضعیت پیرامون ماست، زیرا ما در جهانی زندگی می‌کنیم که چنین پس‌زمینه‌یی در آن بوجود آمده است.

 

قاپیدن (گرفتن) ذرات زیر اتمی:

ولی چرا یک ذره‌ی هیگز؟ نظریه نسبیت خاص انیشتن به ما می‌گوید که هیچ موجی(سیگنالی) نمی‌تواند سریع‌تر از نور سفر کند. آمیختن نظریه نسبیت انیشتن با مکانیک کوانتومی به ما می‌گوید که همه نیروهایی که ما گمان می‌کنیم از میدان های مختلف سرچشمه گرفته اند، در واقع نتیجه‌ی مبادله ذرات زیراتمی بین اشیاء گوناگون است. شیوه‌یی که ذرات نیروی‌شان را منتقل می‌کنند مثل توپ بازی است: اگر من توپی را با دست بیاندازم و شما آنرا با دست بگیرید، من با انجام عمل پرتاب، اندکی به پشت خم می‌شوم و شما هم با گرفتن توپ اندکی به پشت خم می‌شوید. مثل اینکه ما همدیگر را دفع کرده‌ باشیم.

پس اگر میدان هیگزی وجود داشته باشد، چنین میتوان استدلال کرد که ذره‌ای وجود دارد که وابسته به این میدان است. این ذره‌ همان هیگز است (هر میدان مغناطیسی تنها یک میدان نیست بلکه ذراتی وابسته به چنین میدانی نیز وجود دارند. -مترجم).

 

این چهارچوب فکری بیشتر به یک خیال‌پردازی شباهت دارد. مثل تصور فرشته‌‌‌هایی که روی سر یک سوزن نشسته‌‌اند. ولی چه چیزی دانشمندان را به تصور چنین سناریویی واداشته است؟ یکی از بزرگ‌ترین موفقیت های فیزیکِ پنجاه سال گذشته یگانه‌سازی دو نیروی طبیعت بود: الکترومغناطیس و کنش ضعیف. در نظریه “الکتروضعیف” electroweak، نیروی الکترومغناطیس از مبادله‌ی دوربرد فوتون‌های فاقد جرم بوجود می‌آید و نیروی ضعیف کوتاه‌برد short-range weak force از مبادله‌ی ذرات بزرگ موسوم به W و Z  بوجود می‌آید. این نظریه در دهه ۶۰ میلادی پیش‌بینی و در دهه ۸۰ در مرکز تحقیقات هسته‌ای اروپا کشف شد (در CERN در نزدیک جنیوای (ژنو) سویس، که هم‌اکنون خانه‌ی LHC است).

 

برای اینکه نظریه یکجا شدن ذرات از لحاظ ریاضی قابل قبول باشد، در تئوری مربوطه هرسه ذره باید فاقد جرم باشند. به همین خاطر نیرویی را هم که اینها با خود می آورند، کمابیش یکسان است. تنها در صورتی‌ که ذرات W و Z در کنش با میدان پس‌زمینه- که همان میدان هیگز است- صاحب جرم شوند، ادغام این نظریه ها می‌تواند دلیل اینکه این دو نیرو چرا در مقیاسهای‌ مختلفی که امروزه می‌توانیم آنها را اندازگیری کنیم ظاهر می‌شوند را توضیح دهد. در چنین صورتی این موضوع از نظر ریاضی نیز قابل توجیه خواهد بود.

 

جرم بالا

 هر چند جرم دقیق هگز تابحال پیش بینی نشده است، پیشنهاد فعلی تئوری اینست که جرم ذره هیگز بایستی در حدود یکصد برابر جرم پروتون باشد.

۲۵ سال بعد از کشف ذرات W و Z،  فیزیکدانان در تلاش راه‌اندازی شتاب‌دهنده‌یی بودند تا بتواند انرژی کافی‌ برای تولید ذره هیگز را (آنهم در صورت وجود چنین ذره‌یی) فراهم آورد. شتاب‌دهنده “تواتران” در آزمایشگاه فرمی‌لب ایالت ایلنویِ آمریکا توانست ذره‌هایی با جرم حداکثر ۱۲۰ برابر پروتون را تولید کند (حدود ۱۲۰ گیگاالکترون‌ولت)، اما نتوانست هیگزی پیدا کند.

 

شتاب‌دهنده LHC، با هدف پیداکردن هگزهایی سنگین‌تر از این طراحی شد. اگر جرم ذره هیگز، طبق شایعات کنونی در حدود ۱۲۵ گیگاالکترون‌ولت باشد، آن‌وقت این ذره به شاه‌ مهره‌ی درک فعلی‌ ما درباره‎ی تئوری یکجاشدن ذرات الکتروضعیف، خاستگاه پیدایش ما و خاستگاه تقریباً تمام جرمی (کثافتی) خواهد بود که در کیهان قادر به محاسبه‌اش هستیم.

 

فقط هیگز نمی‌خواهم!

خودمانیم به این سادگی هم نیست. مدل استاندارد هیچگونه توضیحی درباره‌ی جرم هیگز، W و Z  نمی‌دهد. در واقع برخی بر این عقیده‌اند که برای توضیح اینکه چرا اثرات کوانتوم مکانیک نباید جرمهایی به این مقدار، یا حتی خیلی بیشتر از اینها، را ایجاد کند به فیزیک جدیدی نیاز داریم.

 

یکی از هیجان‌انگیزترین روش‌هایی که این تعامل را می‌تواند در بالانس/توازن نگه دارد مستلزم نظریه‌یی بنام “ابرتقارن” supersymmetry است. اگر ابرتقارن واقعی باشد، شمار ذرات بنیادی دوبرابر خواهد شد، و ما نه تنها به یک ذره هیگز، بلکه به دوتا نیاز خواهیم داشت. این همان چیزی است که خیلی از فیزیکدانان انتظار کشف آن را دارند. شایعات CERN، نشانی از وجود ذره‌ دیگری به جرم تقریبی ۱۴۰ گیگاالکترون‌ولت می‌دهد.

 

از آنجایی‌که ابرتقارن، جزء ضروری نظریه بحث‌برانگیزترِ نخ string theory است، دلایلی بیشتری وجود دارد تا برخی نظریه‌پردازان امیدشان را به کشف دو ذره هیگز، و یا حتی کشف ذرات پیش‌بینی‌نشده دیگری معطوف کنند. نظریه نخ مدلی برای یکجا کردن گرانش و مکانیک کوانتومی است.

 

اگر فقط یک ذره هیگز در LHC پیدا شود موهبتی نامعلوم نصیب ما خواهد شد، و این بدترین امکانی است که ما نظریه‌پردازان آنرا تصور می‌کنیم. ما شاید خاستگاه (منشأ) جرم را در جهان پیدا کرده باشیم، اما یک رهنما برای برداشتن قدم بعدی برای تجربه‌یی جدید نخواهیم داشت.

 

معرفی:

پروفسور لاورنس کراس استادِ اساسات و رییس “پروژه خاستگا‌ه‌ها” در دانشگاه ایالتی آریزونا در تمپا است. جدیدترین کتابش به نام “جهانی از هیچ” (A Universe from Nothing)، در دهم ژانویه 2012 منتشر خواهد شد.

 

پیوند نوشته اصلی: http://www.newscientist.com/article/dn21277-what-is-the-higgs-boson-and-why-does-it-matter.html?full=true

برگردان متشابه به فارسی (در برگردان بالا، برخی جمله ها از این متن گرفته شده است) : http://radiozamaneh.com/science/2011/12/19/9166

برگردان: نعیم عزیزیان

یک نظر

  • با اینکه مترجم زحمت خودشو کشیده ولی چون تخصصی در این زمینه نداشته ترجمه بسیار بد از آب در اومده.
    لطفاً ترجمه متنها رو به افراد متخصص بدید که چنین شرایطی تکرار نشه.
    ممنون

Leave a Reply to دانیال X