رویایی که به واقعیت پیوست

با به ثمر نشستن تلاش ۴۰ ساله دانشمندان, معمای جِرم حل شد

بوزون هیگز، ذره‌ای که می‌تواند خلأ میان پیش‌بینی‌های نظری و مشاهدات آزمایشگاهی در فیزیک ذرات را پر کند و توصیف جدیدی از چگونگی به‌وجود آمدن عالم ارائه دهد، پس از سال‌ها تلاش در مرکز اتمی سرن کشف شد. پیتر هیگز، اسکاتلندی سال ۱۹۶۴ وجود این ذره را پیش‌بینی کرد و بر اساس آن توانست دلیل وجود جرم را که یکی از مهم‌ترین خواص ماده است، توضیح دهد.

عبدالسلام، واینبرگ و گلاشو توانستند با به‌کارگیری نظریه هیگز، نیروی الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیفی را در یک رابطه ریاضی جای دهند. این موضوع نشان داد این دو نیرو منشاء یکسانی دارند و در انرژی‌های بالا ذرات حامل هر دو نیرو رفتار مشابهی خواهند داشت. جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۷۹ به خاطر این دستاورد ارزشمند به این سه دانشمند تعلق گرفت. ایده آنها به مرور زمان پرورش یافت تا این که مدل استاندارد فیزیک توانست با استفاده از فرضیه وجود میدان هیگز نشان دهد که حداقل سه نیرو از چهار نیروی موجود در طبیعت (الکترومغناطیسی، هسته‌ای ضعیف و هسته‌ای قوی) منشاء یکسانی دارند. تنها نقطه تاریک این مدل، نبود شواهد تجربی قوی برای وجود بوزون هیگز بود که با آشکارسازی این ذره در مرکز اتمی سرن، مشاهدات آزمایشگاهی به یاری پیش‌بینی‌های نظری شتافت تا بزرگ‌ترین کشف علمی در حداقل ۲۵ سال گذشته محقق شود. بوزون هیگز نشان می‌دهد عامل تبدیل تنها نیروی حاکم بر جهان به چهار نیروی مختلف پس از انفجار بزرگ، همین ذره است.

● معمای جرم

منشاء جرم و دلیل تفاوت جرم ذرات بنیادی با یکدیگر معمایی بود که بوزون هیگز آن را بخوبی حل کرد. همه ما میدان مغناطیسی اطراف آهنربا را دیده‌ایم و برای لحظاتی هم که شده مسحور تاثیر این پدیده نامرئی شده‌ایم. میدان مشابهی را تصور کنید که مانند یک تار عنکبوت فوق‌العاده بزرگ و نامرئی تمام عالم را در بر گرفته است. حالا ذرات گوناگون مانند الکترون و فوتون را در نظر بگیرید که درحال عبور از لابه لای این تارها هستند. جنس بعضی ذرات به گونه‌ای است که به تار عنکبوت می‌چسبند و ادامه مسیر را به کندی طی می‌کنند؛ در حالی که ذرات دیگر با اصطکاک کمتر و حتی بدون وجود هیچ‌گونه اصطکاکی در شبکه تار عنکبوت حرکت می‌کنند. کندی حاصل از کنش متقابل میان ذره و شبکه، این توهم را ایجاد می‌کند که ذره کندتر، جرم بیشتری دارد. اگر نام این تار عنکبوت فرضی را میدان هیگز بگذارید، به درک صحیحی از دلیل سنگینی یا سبکی ذرات و اشیا دست یافته‌اید. بنابراین اگر نمی‌توانید یک کوه را جابه‌جا کنید مقصر اصلی، میدان هیگز است نه ذرات تشکیل‌دهنده آن کوه.

فوتون که ذره حامل نیروی الکترومغناطیسی است جرمی برابر صفر دارد، چراکه هیچ کنش متقابلی با میدان هیگز ندارد؛ در حالی که ذرات حامل نیروی هسته‌ای ضعیف (دابلیو+، دابلیو ـ و زد صفر) ۱۰۰ برابر الکترون جرم دارند. همین جرم زیاد ـ که برهم کنش بالای میان این ذرات و میدان هیگز را نشان می‌دهد ـ دلیل ضعیف بودن نیروی هسته‌ای است. این نیرو عامل خاصیت رادیواکتیویته است. اساس کار ستاره‌ها بر نیروی ضعیف و الکترومغناطیسی استوار است. اگر نیروی هسته‌ای ضعیف کمی ضعیف‌تر بود (برهم کنش میان ذرات حامل آن با میدان هیگز کمتر بود) همه هیدروژن عالم به هلیم تبدیل می‌شد و هیچ ستاره‌ای به وجود نمی‌آمد. از سوی دیگر اگر این نیرو قوی‌تر بود (برهم کنش میان ذرات حامل آن با میدان هیگز بیشتر بود) انفجارهای ابرنواختری پوسته خارجی ستاره‌ها را به بیرون پرتاب نمی‌کرد و ستاره‌ها نمی‌توانستند فضای میان ستاره‌ای را از عناصر سنگینی که برای به وجود آمدن سیاره‌ها و شروع حیات در آنها لازم است، پر کنند.

● چگونگی انجام آزمایش هیگز

آزمایش آشکارسازی بوزون هیگز بر پایه یک اصل کوانتومی ساده بنا شد. میدان هیگز از ذرات هیگز تشکیل شده است و از آنجا که این میدان در همه جا وجود دارد، اگر تنش مناسبی به میدان وارد کنیم می‌توانیم ذره را تولید کنیم. برای وارد کردن تنش مناسب به میدان، به ذراتی با انرژی فوق‌العاده زیاد نیاز داریم. تنها ماشینی که این توانایی را دارد برخورد دهنده بزرگ ذرات در مرکز اتمی سرن است. دو پرتوی پروتون با سرعتی بسیار نزدیک به سرعت نور به یکدیگر برخورد می‌کنند و انرژی آزادشده در اثر این برخورد، تنش مورد نیاز را ایجاد می‌کند. ذره ایجاد شده به دلیل جرم فوق‌العاده زیادی که دارد (حدود صد برابر جرم پروتون و نوترون) بلافاصله دچار فروپاشی می‌شود و الگوی فروپاشی منحصر به فردی از خود به جا می‌گذارد. با توجه به این که میدان هیگز در همه جای عالم وجود دارد، می‌توان از همه نقاط عالم حتی خلأ، ذره هیگز به‌ دست آورد.

به نظر می‌رسد علم مدرن تصمیم دارد دیدگاه ما را نسبت به همه چیز حتی نسبت به آنچه تا به حال فضای خالی می‌دانستیم تغییر دهد. تحلیل داده‌های به دست آمده از فعالیت پیچیده ترین ماشین ساخت انسان، شاهکار محاسباتی است. تولید هزار ترابایت اطلاعات در ثانیه (بیشتر از حجم اطلاعات موجود در مجموع کتابخانه‌های جهان) و تجزیه و تحلیل موفقیت‌آمیز آن را باید یک رویای به واقعیت پیوسته دانست.

مسعود توکلی