اسرار اجرام

مسئله جرم دو جنبه متفاوت دارد اول آنكه نیاز است بدانیم جرم چگونه به وجود می آید معلوم شده است كه جرم حداقل از سه سازوكار متفاوت به وجود می آید كه در ادامه به تشریح آنها می پردازم یك بازیگر مهم در نظریه های آزمایشی فیزیكدانان در مورد جرم نوع جدیدی از میدان است كه تمام جهان را فرا می گیرد و میدان هیگز نام دارد

● انواع برهم كنش های ذره های زیراتمی و چگونگی تشكیل جرم

بیشتر مردم فكر می كنند می دانند جرم چیست، اما واقعیت آن است كه آنها فقط بخشی از داستان را می دانند. برای مثال فیل آشكارا از مورچه بزرگتر و سنگین تر است. حتی در جایی كه گرانش نباشد، باز هم فیل جرم بیشتری دارد، یعنی هل دادن و به حركت درآوردنش سخت تر است. آشكار است كه فیل سنگین تر است، زیرا در مقایسه با مورچه اتم های بیشتری دارد، اما چه چیزی وزن هر اتم منفرد را تعیین می كند؟ در مورد ذره های بنیادی سازنده اتم چه می توان گفت؟ چه چیزی جرم آنها را تعیین می كند؟ اصلاً چرا این ذره ها وزن دارند؟

می بینیم كه مسئله جرم دو جنبه متفاوت دارد. اول آنكه نیاز است بدانیم جرم چگونه به وجود می آید. معلوم شده است كه جرم حداقل از سه سازوكار متفاوت به وجود می آید كه در ادامه به تشریح آنها می پردازم. یك بازیگر مهم در نظریه های آزمایشی فیزیكدانان در مورد جرم نوع جدیدی از میدان است كه تمام جهان را فرا می گیرد و میدان هیگز نام دارد. گمان می رود كه جرم ذره های بنیادی از برهمكنش با میدان هیگز به وجود می آید. اگر میدان هیگز وجود داشته باشد، آن وقت طبق نظریه وجود یك ذره وابسته به آن به نام بوزون هیگز ضروری است. هم اكنون دانشمندان با استفاده از شتاب دهنده های ذره به دنبال ذره هیگز هستند.

جنبه دیگر این مسئله آن است كه دانشمندان می خواهند بدانند چرا گونه های متفاوت ذره های بنیادی، جرم خاص خودشان را دارند. جرم ذاتی این ذره ها در گستره ای به اندازه حداقل ۱۱ مرتبه توزیع شده است، اما هنوز نمی دانیم چرا اینگونه است (تصویر صفحه* را ببینید). برای مقایسه در نظر آورید كه جرم فیل و كوچك ترین مورچه حدود ۱۱ مرتبه با هم تفاوت دارد.

● جرم چیست

ایزاك نیوتن اولین تعریف علمی از جرم را در سال ۱۶۸۷ در كتاب برجسته اش به نام اصول ارائه كرد: «مقدار ماده، اندازه آن ماده است، كه چگالی و حجم ماده مشتركاً آن را تعیین می كنند.»

این تعریف بسیار ابتدایی برای نیوتن و دیگر دانشمندان طی بیش از ۲۰۰سال كارآمد بود. آنها دریافتند برای آنكه علم پیشرفت كند، ابتدا باید توصیف كند كه پدیده ها چگونه روی می دهند و سپس درك كند چرا با این همه در سال های اخیر، چرایی جرم به یك موضوع پژوهشی در فیزیك بدل شده است درك معنا و منشاء جرم مدل استاندارد فیزیك ذره ها را كه نظریه ای بسیار متداول برای توصیف ذره های بنیادی شناخته شده و برهمكنش های آنان است، كامل كرده و گسترش می دهد. علاوه بر آن می تواند از پدیده هایی همچون ماده تاریك كه تشكیل دهنده ۲۵ درصد از جهان است رازگشایی كند.

مبانی درك نوین ما از جرم بسیار پیچیده تر از تعریف نیوتن و مبتنی بر مدل استاندارد است. در بطن مدل استاندارد تابع ریاضی با نام لاگرانژی است كه نشان دهنده چگونگی برهمكنش ذره های گوناگون است. فیزیكدانان با استفاده از این تابع و تبعیت از قواعدی به نام نظریه نسبیت كوانتومی می توانند رفتار ذره های بنیادی را محاسبه كرده و دریابند این ذره ها چگونه گرد هم می آیند و ذره های مركبی همچون پروتون را به وجود می آورند. می توان چگونگی واكنش هم ذره های بنیادی و هم ذره های مركب را نسبت به نیروها به دست آورد. در مورد نیروی F می توانیم معادله نیوتن ma=F را بنویسیم. این معادله، نیرو، جرم و شتاب حاصل از نیرو را به هم مربوط می كند. لاگرانژی به ما می گوید كه در اینجا برای m باید از چه مقداری استفاده كنیم و این مقدار همان چیزی است كه از عبارت جرم ذره مدنظر ما است.

اما جرمی كه به طور معمول آن را درك می كنیم، چیزی بیش از ma=F از خود نشان می دهد. بر این مثال نظریه نسبیت خاص اینشتین پیش بینی می كند كه ذره های بدون جرم در خلأ با سرعت نور و ذره های دارای جرم بسیار كندتر حركت می كند، به طوری كه اگر جرمشان را بدانیم می توانیم سرعت شان را محاسبه كنیم.

قوانین گرانش با دقت بسیار، پیشگویی می كند كه گرانش هم روی ماده و هم روی انرژی تاثیر می گذارد. همانطور كه از یك مقدار خاص جرم انتظار داریم، مقداری از m كه از روی لاگرانژی برای هر ذره به دست می آید، در تمام موارد دیگر نیز صحیح است و كاربرد دارد. ذره های بنیادی، جرمی ذاتی دارند كه آن را با نام جرم سكون می شناسیم. (ذره هایی با جرم سكون صفر، ذره های بدون جرم نام دارند.) در مورد ذره های مركب باید گفت كه جرم سكون اجزای تشكیل دهنده و همچنین انرژی جنبشی حركت و انرژی پتانسیل برهمكنش ها در جرم كلی ذره نقش دارد. همانطور كه رابطه معروف اینشتین mc۲= E می گوید انرژی و جرم به یكدیگر ربط دارند. (این رابطه می گوید انرژی برابر است با جرم ضربدر توان دوم سرعت نور.) مثالی از مشاركت انرژی در جرم را می توان در آشنا ترین نوع ماده در جهان یعنی پروتون و نوترون مشاهده كرد. پروتون و نوترون تشكیل دهنده هسته اتم های ستارگان، سیاره ها، افراد و همه آن چیزهایی است كه مشاهده می كنیم. این ذره ها تشكیل دهنده چهار تا پنج درصد از جرم- انرژی جهان هستند (قاب صفحه ۷ را ببینید). مدل استاندارد به ما می گوید كه پروتون ها و نوترون ها از ذره هایی بنیادی به نام كوارك تشكیل شده اند كه به وسیله ذره های بدون جرمی به نام گلوئون به یكدیگر متصل می شوند. اگرچه اجزای تشكیل دهنده پروتون در درونش می چرخند، برای ما كه از بیرون به پروتون نگاه می كنیم، آن را به صورت ذره ای پیوسته با جرمی ذاتی می بینیم كه مقدار این جرم با افزودن جرم ها و انرژی های اجزای تشكیل دهنده آن به دست می آید.

مدل استاندارد ما را مجاز می سازد كه تقریباً تمام جرم پروتون ها و نوترون ها را از انرژی جنبشی كوارك ها و گلوئون های تشكیل دهنده آن به دست آوریم (باقی مانده آن از جرم سكون كوارك ها به دست می آید.) بنابراین چهار تا پنج درصد از كل جهان- تقریباً تمام ماده معمولی پیرامون ما- از انرژی حركت كوارك ها و گلوئون های موجود در پروتون ها و نوترون ها ناشی می شود.

● سازوكار هیگز

ذره های واقعاً بنیادی مثل كوارك ها و الكترون ها برخلاف پروتون ها و نوترون ها از اجزای كوچك تری تشكیل نشده اند. شرح چگونگی كسب جرم سكون در این ذره ها به یكی از اصلی ترین مسئله ها در مورد منشاء جرم تبدیل شده است. همانگونه كه پیش از این خاطر نشان كردم تفسیرهای ارائه شده به وسیله فیزیك نظری جدید می گوید جرم ذره های بنیادی از برهمكنش با میدان هیگز ناشی می شود. اما چرا میدان هیگز در همه جای جهان حاضر است؟ چرا قدرت این میدان همانند میدان الكترومغناطیس در مقیاس های كیهانی اصولاً صفر نیست؟ میدان هیگز چیست؟

میدان هیگز یك میدان كوانتومی است. ممكن است عجیب به نظر برسد اما واقعیت این است كه تمام ذره های بنیادی به صورت كوآنتوم های میدان كوانتومی متناظر پدیدار می شوند. میدان الكترومغناطیس هم یك میدان كوانتومی است (ذره بنیادی متناظر آن فوتون است). بنابراین میدان هیگز از این لحاظ عجیب تر از الكترون و نور نیست. با این همه میدان هیگز به سه روش مهم دیگر با تمام میدان های كوانتومی تفاوت دارد.

تفاوت اول تا حدودی فنی است. تمام میدان ها خاصیتی به نام اسپین (SPIN) دارند. اسپین خاصیت ذاتی تكانه زاویه ای (angular mementum) است كه تمام ذره های میدان دارای آن هستند. ذره هایی مانند الكترون، اسپین یك دوم دارند و اغلب ذره های وابسته به یك نیرو مثل فوتون، اسپین۱ دارند. بوزون هیگز (ذره میدان هیگز) اسپین صفر دارد. داشتن اسپین صفر میدان هیگز را قادر می سازد به شیوه متفاوتی نسبت به بقیه ذره ها در لاگرانژی ظاهر شود، كه این نكته باعث می شود میدان هیگز دو جنبه متفاوت دیگر خود را ظاهر سازد.

دومین خاصیت منحصر به فرد میدان هیگز توضیح می دهد كه چرا قدرت این میدان در سرتاسر جهان غیرصفر است. هر سیستمی از جمله جهان در پایین ترین سطح انرژی قرار می گیرد، درست مثل یك توپ كه در قعر دره آرام می شود. در میدان معمولی همانند میدان های الكترومغناطیس كه پخش برنامه های رادیویی را امكان پذیر می سازد پایین ترین سطح انرژی آنجایی است كه میدان مقدار صفر دارد (یعنی جایی كه میدان از بین می رود) اگر هر میدان غیرصفری اعمال شود، انرژی ذخیره شده در میدان ها، انرژی خالص سیستم را افزایش می دهد. اما برای میدان هیگز وقتی كه میدان صفر نباشد بلكه مقداری غیرصفر داشته باشد انرژی جهان كمتر است. اگر بخواهیم همان تشبیه دره را به كار بریم، باید گفت برای میدان های معمولی كف دره در مكانی است كه میدان صفر است، اما برای هیگز دره تپه ای در مركز خود (یعنی میدان صفر) دارد و پایین ترین نقطه دره دایره ای حول این تپه است. (قاب همین صفحه را ببینید) جهان مثل یك توپ در جایی در این چاله حلقوی كه متناظر است با مقدار غیرصفر میدان، ساكن می شود. این گفته به این معنی است كه جهان در حالت معمولی و در پایین سطح آكنده از میدان هیگز غیرصفر است.

آخرین ویژگی قابل توجه میدان هیگز شكل برهمكنش آن با دیگر ذره ها است. ذراتی كه با میدان هیگز برهمكنش دارند طوری رفتار می كنند كه انگار جرم دارند و جرم شان متناسب است با شدت میدان ضرب در شدت برهمكنش. جرم ها از عبارتی در لاگرانژی به وجود می آیند كه بیانگر برهمكنش ذرات با میدان هیگز است.

با این همه هنوز درك ما از همه اینها كامل نشده است و مطمئن نیستیم چند نوع میدان هیگز وجود دارد. هر چند كه مدل استاندارد فقط به یك میدان هیگز نیاز دارد تا جرم تمام ذرات بنیادی را به وجود آورد، اما فیزیكدان ها می دانند كه نظریه ای كامل تر باید جانشین مدل استاندارد شود. مهمترین رقیبان، بسط هایی از مدل استاندارد است كه با عنوان مدل استاندارد ابرتقارنی (SSM) شناخته می شود. در این مدل ها هر ذره مدل استاندارد یك ابرهمزاد (Super partner) دارد (كه هنوز آشكارسازی نشده است) و خواص دقیقاً مشابهی دارد. (به مقاله «سپیده دم فیزیك ورای مدل استاندارد» اثر گوردون كین در همین ویژه نامه مراجعه كنید.) با توجه به مدل استاندارد ابرتقارنی حداقل به دو میدان هیگز متفاوت نیاز داریم. برهمكنش با آن دو میدان به ذرات مدل استاندارد جرم می دهد. همین ها نیز باعث جرم دار شدن ابرهمزادها می شوند. دو میدان هیگز به پنج نوع بوزون هیگز منجر می شود:

سه تا از آنها از لحاظ الكتریكی خنثی هستند و دو تا باردار.این احتمال هم وجود دارد كه جرم ذراتی كه نوترینو نامیده می شود و در مقابل جرم ذرات دیگر كوچك است، به روشی غیرمستقیم، از این برهمكنش ها یا از نوع سومی از میدان هیگز به وجود آید. نظریه پردازان چندین دلیل دارند كه نشان می دهد تصویر SSM از برهمكنش های هیگز صحیح است. اول آنكه بدون سازوكار هیگز، بوزون های هیگز كه واسطه نیروی ضعیف هستند، می بایست درست مثل فوتون بدون جرم باشند و دیگر آنكه برهمكنش های ضعیف باید مثل برهمكنش های الكترومغناطیسی قوی باشند. این نظریه می گوید كه سازوكار هیگز به روش برهمكنش های بسیار ویژه باعث جرم دار شدن W و Z می شود. پیشگویی های چنین رویكردی (همانند نسبت جرم W و Z) به طور تجربی تایید شده است.نكته دوم آنكه، اصولاً تمام جنبه های دیگر مدل استاندارد به خوبی آزموده شده است و در چنین نظریه ای با جزئیات فراوان و بسیار مرتبط به هم، دشوار است كه بخشی را (مثل هیگز) تغییر داد، بدون آنكه بر بقیه قسمت های نظریه تاثیری نداشته باشد. برای مثال، تحلیل اندازه گیری های دقیق خواص بوزون Z و W به پیشگویی دقیق جرم كوارك سر (top) پیش از تولید مستقیم كوارك سر منجر شد. تغییر سازوكار مكانیسم هیگز باعث نقض شدن این پیشگویی و دیگر پیشگویی های موفقیت آمیز می شود. سوم آنكه مكانیسم هیگز مدل استاندارد در توجیه جرم دار شدن تمام ذرات مدل استاندارد خیلی خوب عمل می كند؛ هم جرم دار شدن بوزون های W و Z را توجیه می كند، هم جرم دار شدن كوارك ها و لپتون ها را. در حالی كه نظریه های بدیل نمی توانند. دیگر آنكه SSM برخلاف نظریه های دیگر چارچوبی برای متحد كردن در كمان از نیروهای طبیعت فراهم می آورد. نكته پایانی آنكه SSM می تواند توضیح دهد چرا «دره» انرژی برای جهان چنان شكلی را دارد كه برای سازوكار هیگز نیاز است. در مدل استاندارد اولیه شكل دره را باید به صورت یك پذیره وارد مدل كرد، اما در SSM این شكل دره را می توان از راه ریاضی به دست آورد.

Scientific American,Jul.۲۰۰۵

گوردون كین

ترجمه: سلیمان فرهادیان

---