هیگز بوزون یا فرشته همراهش؟

همین چهارشنبه پیش، فیزیکدانان شتاب‌دهنده LHC، خبر از کشف یک ذره‌ی «‌شبه‌هیگز» دادند: در واقع بسته‌ای از انرژی که اکثر خصوصیات همان هیگز بوزون معروف را دارد. آن‌ها هنوز نامی به این ذره تازه‌وارد نداده‌اند، چراکه برخی شواهد حکایت از این دارد که ذره مزبور، احتمالاً نه همان ذره فرضی و معروف هیگز، که در واقع ذره‌ای شبیه فرشته همراهش است!

البته نمی‌خواهد حالا مأیوس بشوید. اتفاقاً برعکس، هاروی نیومن (Harvey Newman) از کارشناسان فیزیک انرژی‌های بالا در انیستیتو فناوری کالیفرنیا (کلتک)، که خود از اعضای هیئت علمی حسگر CMS (که یکی از دو محل کشف این ذره بود) هم هست، می‌گوید کشف یک همزاد نامتعارف هیگز بوزون، در واقع “یکی از هیجان‌انگیزترین اتفاقاتی‌ست که می‌شود انتظار وقوعش را داشت”. حالا ببینید چرا.

میدان هیگز، به اتفاق ذره‌ متناظر آن که همان هیگز بوزون باشد، از مدت‌ها پیش به‌عنوان ساده‌ترین توجیه مطرح‌شده برای ماهیت جرم ذرات بنیادیِ تشکیل‌دهنده گیتی، پیش‌بینی شده بود. به عبارت ساده، میدان هیگز مثل استخر بزرگی در پهنه کیهان است و همه هم در آن مشغول شنا هستند. آن دسته ذراتی که به تشبیهِ جان گونیون (John Gunion) از فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا-دیویس، مثل “یک شناگر چاق و ملبَس”، برهم‌کنش زیادی با میدان هیگز دارند، سنگین‌تر از آن دسته ذراتی‌اند که طول استخر را “مثل یک شناگر ورزیده المپیک، با همان پوشش مخصوص شنا”، به سرعتْ طی می‌کنند.

میدان هیگز به‌عنوان ساده‌ترین توجیه مطرح‌شده برای ماهیت جرم ذرات بنیادیِ

وجود یک استخر هیگز (و همچنین ذره متناظرش – که مثل شتک‌های بعدِ شیرجه هستند) هم برای القای جرم به کل ذرات بنیادین ِ تأیید‌شده در مدل استاندارد، کافی‌‌ست: یعنی همان مدل استانداردی که به توصیف ذرات بنیادین ِ شناخته‌شده به اتفاق نیروهای وارده بر آن‌ها می‌پردازد. اما خب مدل استاندارد، کل ماجرا هم نیست.

نیومن می‌گوید: “[این مدل]، ساده و کاربردی است، اما می‌دانیم که یک نظریه کامل هم نیست. [پذیرش مدل استاندارد] مثل پذیرش قوانین حرکت نیوتن است”. در این قوانین، فضا و زمان از هم مستقل و به‌گونه‌ای باثبات و ابدی فرض می‌شوند. برای توصیف حرکاتِ نه‌چندان سریع و نیز اجسام نسبتاً سبک، خوب‌اند؛ اما برای توصیف اجسامی که در حدود سرعت نور حرکت می‌کنند و یا مثلاً رفتار سیاهچاله‌هایی که فضا و زمان را خم کرده‌اند، اعتبارشان ساقط می‌شود. “قوانین نیوتن به‌شکل زیبایی ساده‌اند و چیزهای زیادی را هم توصیف می‌کنند؛ اما می‌دانیم هیچ ارجاعی به یک نظریه بنیادین نمی‌دهند، بلکه قلمروهای کم‌انرژی‌تر‌ این نظریه را زیر پوشش خود می‌گیرند” – یعنی نظریه‌ای که همان نسبیت عام اینشتین است و به‌ظاهر از پس ِ توصیف دقیق فضا-زمان برآمده است. “شرایط مشابهی نیز در اینجا [، در حورزه فیزیک ذرات بنیادی] حکمفرماست. می‌دانیم که بایستی پای نظریه بنیادی‌تری از مدل استاندارد در میان باشد”.

به‌گفته نیومن، مدل استاندارد ناقص است؛ چراکه هیچ توضیحی راجع به آن دسته ذراتی نمی‌دهد که بالغ بر ۸۴ درصد از «مواد» جهان را به خود اختصاص داده‌اند: ماده‌ای نامرئی موسوم به «ماده تاریک». این مدل همچنین نیروی جاذبه را هم شامل نمی‌شود. از این‌ها گذشته، مدل استاندارد، «ماده» و دوقلوی متضاد آن، یعنی «پادماده» را به شکل متقارن می‌بیند؛ حال‌آنکه راجع به عدم تقارن سرسام‌آور جمعیت ماده در قیاس با پادمادهْ توضیحی نمی‌دهد. و دست آخر هنگامی که می‌خواهید این مدل را در قلمروهای پرانرژیِ وابسته به لحظات آغازین عمر جهان به کار بندید، “این نظریه بر روی خودش فرومی‌ریزد”.

نظریه‌ پیشرویی که فعلاً مدل استاندارد را در قالب چارچوبی قوی‌تر و فراگیرتر قرار می‌دهد، نظریه «ابرتقارن»، یا به اختصار SUSY است. طبق این نظریه (که خود در چارچوب نظریه ریسمان واقع شده)، کل ذرات شناخته‌شده گیتی، یک همزادِ به‌مراتب سنگین‌تر تحت عنوان «ذره‌های S» دارند. از این طریق، ابرتقارن نه فقط از وجود ذرات ماده تاریک خبر می‌دهد، بلکه توانایی توضیح واکنش‌های بیناذره‌ایِ پرانرژی‌، نظیر وقایعی که بلافاصله بعد از مهبانگ اتفاق افتاده را نیز دارد. علاوه بر این‌ها، ابرتقارنْ احتمالاً توجیه خوبی را برای برتری ماده بر پادماده در چنته دارد: بایستی دست‌کم پنج استخر ِ به‌هم‌چسبیده در سرتاسر هستی وجود داشته باشد تا یک عدم تقارن ذاتی، مثل یک گرداب پادساعت‌گرد، بر سطح فراوانی ِ ماده، در قیاس با پادماده بیفزاید. آن پنج استخر نیز همگی میدان هیگز هستند و ذره‌ای شبه‌هیگز را هم به دنبال خودشان یدک می‌کشند.

اگر چنانچه یک ذره شبه‌هیگز در شتاب‌دهنده‌ای نظیر LHC تولید شود، انتظار می‌رود در کسری از ثانیه به مجموعه‌ای از ذرات ثانویه فروپاشد. به‌گفته فیزیکدانان، ذره‌ای که به‌تازگی در LHC پیدا شده، به ظاهر از روش دیگری در مقایسه با ذره معروف هیگز بوزون از هم فروپاشیده است – هرچند که داده‌های بیشتری نیاز است تا به یقینْ معلوم شود این کدام گونه از هیگز بوده است. اما به‌هرصورت اگر این ذره در واقع همزادی نامتعارف از هیگز بوزون باشد، آن‌وقت می‌تواند از انواع هیگزهای ابرمتقارن، و یا دست‌کم هیگزی باشد که دیگر در مدل استاندارد ذرات بنیادی نخواهد گنجید. و لذا این اولین کشف صورت‌پذیرفته در حوزه‌ای ماورای مدل استاندارد خواهد بود.

گونیون با اشاره به انواع ممکن ذرات هیگز، که هرکدام‌شان را یک «قطعه» از این دسته می‌نامد، اظهار می‌کند: “[کشف] قطعه‌ای از ذرات هیگز که در واقع همان ساده‌ترین نوع از هیگز بوزون «نباشد»، اولین نشانه‌ی این خواهد بود که: بله؛ قلمروهای جدیدی از فیزیک انتظارمان را می‌کشند. و این، انگیزه حیرت‌انگیزی به کل حوزه‌های تحت نفوذ این علم خواهد داد”. نیومن نیز عواطفش را چنین اظهار می‌کند که: “رویهمرفته ما چنین منظره حیرت‌انگیزی را پیش روی خود داریم”.

منبع: Life’s Little Mysteries

در همین زمینه:
شبیه‌ترین ذره به هیگز بوزون کشف شد
هیگز بوزون چیست و چرا مهم است؟
اصل عدم قطعیت و جهانی پر از ماده و پادماده
 

توضیح تصویر:
شبیه‌سازی نحوه آزادسازی ذرات ثانویه در پی برخورد دو پروتون در محل حسگر ATLAS، واقع در شتاب‌دهنده LHC / منبع: CERN