در این میان برهم کنش آنها با میدان هیگز باعث شده که جرم پیدا کنند و سرانجام جهان شکل بگیرد. چندین دهه است که محققان فیزیک بنیادی برای کشف بوزون هیگز، ذره‌ای که منشاء جرم ذرات بنیادی است، تلاش می‌کنند و در نهایت این ذره که وجود آن در ۴۸ سال پیش توسط پیتر هیگز ۸۴ ساله فیزیکدان نظری بریتانیایی و فرانسوا انگلرت ۸۰ ساله فیزیکدان نظری بلژیکی پیش بینی شده بود در چهارم ژوئیه ۲۰۱۲ در شتاب دهنده ی بزرگ هادرونی CERN به اثبات رسید، پرافتخارترین جایزه‌ی علمی امسال یعنی نوبل فیزیک سال ۲۰۱۳ به این دو فیزیکدان رسید. در این متن می توایند  داستان و تلاش دانشمندان برای کشف این ذره اسرار آمیز را بخوانید.

در جست و جوی منشاء جرم در جهان

از قرن ها پیش دانشمندان و فلاسفه می دانستند که اجسام ویژگی خاصی دارند که در برابر شتاب از خود مقاومت نشان می دهند. آنها این لختی و مقاومت در برابر شتاب را اصطلاحا « جرم » نامیده بودند. هر چند از مدت ها قبل مشخص بود که جرم اجسام از مجموع جرم ذرات سازنده آنها- یعنی مولکول ها و اتم ها – حاصل می شود، اما از آنجایی که تمامی اتم های جهان هم به نوبه خود از ذرات بنیادین نظری الکترون ها و کوارک ها تشکیل شده اند.

پس یک سوال مهم مطرح برای فیزیکدان ها این بود که چه چیزی جرم یک ذره بنیادین را در جهان تعیین می کند، به عبارتی چه چیزی سبب می شود که الکترون ها، کوارک ها و فوتون ها با وجود آنکه همگی ذرات بنیادین محسوب شده و فاقد ساختار درونی هستند – یعنی از ذرات کوچکتر و متعدد دیگری تشکیل نشده اند – با این حال جرم های متفاوتی داشته باشند؟ و اینکه اساسا ماهیت و منشا ایجاد جرم در جهان چیست و جرم ذرات بنیادین سازنده جهان ما از کجا حاصل می شود؟ یعنی مثلا چه عاملی سبب می شود که جرم الکترون فلان مقدار باشد و جرم کوارک بالا مقدار دیگری باشد؟ این سوالات مهم و بنیادین همچنان ذهن فیزیمدان ها را به خود مشغول کرده بود تا سرانجام حدود ۵۰ سال پیش چند فیزیکدان موفق شدند با مطرح کردن ایده شگفت انگیزی، پاسخی برای این معما چند صد ساله پیدا کنند.

میدان اسرار آمیز فراگیر کیهانی

در سال ۱۹۶۴ فیزیکدانی به نام پیتر هیگز از دانشگاه ادینبورگ اسکاتلند پس از مدتی دست و پنجه نرم کردن با معمای منشاء جرم جهان در نهایت توانست پاسخ عجیب این معما را بیابد. هیگز به این نتیجه رسیده بود که خلاء کیهانی در حقیقت خالی نیست؛ بلکه عملا با میدان نامرئی و اسرار آمیزی پر شده است. اما از آنجایی که این میدان اسرار آمیز در تمامی گستره جهان و در کل کیهان بطور یکسان وجود دارد، بنابراین ما مستقیما متوجه حضور آن نمی شویم ( مانند ماهی هایی که از حضور اقیانوس بی خبرند). در واقع تمامی ذرات جهان در این اقیانوس نامرئی کیهانی شناورند و در مسیر حرکت خود در گستره فضا عملا در حال عبور از درون این میدان نامرئی هستند.

هیگز با محاسبات ریاضی خود نشان داد که جرم ذرات بنیادی در واقع ماحصل بر هم کنش آنها با همین میدان اسرار آمیز کیهانی است؛ یعنی هر چه شدت برهم کنش ذره ای با این میدان کمتر باشد، راحت تر و سیال تر در درون این اقیانوس نامرئی حرکت می کند گویی که لختی یا جرم بسیار کمی دارد؛ اما چنانچه شدت برهم کنش ذره ای با این میدان زیاد باشد چنان به سختی در فضا حرکت می کند که گویی لخت و سنگین است. بعنوان مثال از آنجایی که ذره ای نظیر فوتون عملا هیچ برهم کنشی با این میدان کیهانی – که امروزه اصطلاحا « میدان هیگز » نامیده می شود –ندارد بنابراین جرم فوتون صفر است؛ اما مثلا کوارک t به علت برهم کنش شدید خود با میدان هیگز، جرم بسیار زیادی دارد و سنگین ترین ذره بنیادین شناخته شده جهان محسوب می شود.

ذره هیگز و افسانه ماهی و اقیانوس

اما اگر جرم در جهان ما به حضور میدان نامرئی و اسرار آمیز باز می گردد که کل جهان را پر کرده است پس چگونه می توان به وجود چنین میدانی بطور تجربی پی برد؟ ( این کار مانند آن است که ماهی کوچک افسانه ای خودمان به طریقی بخواهد به وجود اقیانوس که در آن شناور است پی ببرد). خوشبختانه هیگز راهی برای حل این معما هم پیدا کرد. راه حل پیشنهادی هیگز برای کشف این میدان، جست و جوی کوانتوم این میدان یعنی ذره ای با ویژگی های مشخص بود، ذره ای که بعدها به افتخار خود او « ذره هیگز » نامیده شد، اما ببینیم منظور از کوانتوم میدان هیگز چیست؟

از نگاه نظریه کوانتومی، میدان هیگز در واقع ماحصل انبوهی از ذراتی است که مستمرا در کل گستره خلاء کیهانی از انرژی پایه خلاء آفریده شده و لحظه ای بعد از بین می رود. این ذرات که در حال جوشش دائمی از دل خلاء کیهانی هستند و با حضور خود در تمامی پهنه کیهان، میدان هیگز را تشکیل می دهند. ( به تعبیری می توان این ذرات را به ذرات تشکیل دهنده اقیانوس کیهانی میدان هیگز تشبیه کرد). بدین ترتیب براساس نظریه میدان کوانتومی می توان گفت که گستره خلاء کیهانی همیشه مملو از ذرات هیگز است. بنابراین هر ذره بنیادی در مسیر حرکت خود در فضا عملا باید از میان انبوهی از ذرات هیگز عبور کند. حال همانطور که قبلا هم بیان شد چنانچه ذره ای برهم کنش بسیار ضعیفی با ذرات هیگز داشته باشد، به سادگی از میان آنها عبور خواهد کرد، گویی تقریبا جرمی ندارد. اما ذراتی که برهم کنش شدیدی با ذرات هیگز دراند، به سختی از میان انبوه این ذرات عبور می کنند و همین مساله سبب می شود به گونه ای رفتار کنند که گویی لختی یا جرم زیادی دارند.

بر این اساس می توان گفت تمامی ذرات بنیادی در لحظه بیگ بنگ بدون جرم بوده اند. اما پس از کسر بسیار کوچکی از ثانیه – یعنی تقریبا یکصد میلیاردیم ثانیه – بعد از بیگ بنگ، ذرات هیگز از انرژی بیگ بنگ پدید آمده و کل جهان را پر کردند و بدین ترتیب ناگهان برخی از ذرات بنیادی به واسطه بر هم کنش با آنها جرم دار شدند. ضمنا از آنجایی که ذرات هیگز با خودشان هم برهم کنش می کنند؛ بنابراین آنها هم به نوبه خود جرم دارند. به این ترتیب پیتر هیگز با محاسبه جرم و سایر ویژگی های کوانتومی ذره هیگز ( ویژگی های نظیر عدد اسپین کوانتومی ، حالت ها و احتمالات واپاشی به سایر ذرات و … ) توانست یک راهکار عملی و تجربی برای کشف میدان هیگز در پیش راه فیزیکدان ها قرار دهد و آن، پیدا کردن ذره ای پیش بینی شده برای کوانتوم میدان هیگز بود.

در قسمت دوم درباره موضوعاتی شامل، مقالات نوبل ساز، پیچیده ترین آزمایش علمی تاریخ ، هیگز، آنگلر و نوبل می توانید بخواهید.

ادامه: قسمت دوم

دانستنی ها/بیگ بنگ