10 سال پس از کشف «بوزون هیگز»؛ چرا «ذره خدا» می‌تواند دریچه جدیدی در فیزیک باز کند؟

ده سال پیش، پژوهشگران کشف ذره‌ای را اعلام کردند که «بوزون هیگز» نام گرفت و می‌توانست ذرات بنیادی طبیعت را که دارای جرم هستند، توجیه کند. چنین کشفی برای فیزیکدانان ذره‌ای پایان چند دهه تلاش بود و به جرات می‌توان گفت که مهم‌ترین کشف در این زمینه رقم خورد.

در دهه گذشته، اندازه‌گیری‌هایی که از ویژگی‌های این ذره انجام شد نشان می‌داد که با مدل استاندارد فیزیک ذره‌ای تطابق دارد. اما سوالاتی در میان فیزیکدانان برانگیخت که محدودیت‌هایی بر این مدل استاندارد اعمال می‌کرد. برای مثال، فیزیکدانان به این فکر می‌کردند که آیا نظریه اساسی‌تری درباره طبیعت وجود دارد یا خیر.

«پیتر هیگز» در بین سال‌های ۱۹۶۴ تا ۱۹۶۶ میلادی/۱۳۴۳ تا ۱۳۴۵ خورشیدی فیزیکدانان این ذره را پیش‌بینی کردند که به طور بدیهی عامل جرم ذرات بنیادی طبیعی است. این نظریه نشان می‌دهد که جرم ذرات بنیادی با تعامل آن‌ها در میدانی به نام میدان هیگز ایجاد می‌شود. به علاوه، طبق مدل استاندارد چنین میدانی ذره‌ای به نام هیگز به وجود می‌آورد و اگر چنین ذره‌ای وجود نداشته باشد، تمام این نظریه زیر سوال می‌رود.

اما به زودی مشخص شد که کشف چنین ذره‌ای کار بسیار سختی خواهد بود. زمانی که سه فیزیکدان نظری مشخصات این ذره را اندازه‌گیری کردند، به فیزیکدانان تجربی اعلام کردند که به خاطر ندانستن جرم بوزون هیگز و جفت شدن آن با سایر ذرات از آن‌ها عذرخواهی کردند و دیگر نمی‌خواستند مطالعات تجربی بیشتری برای یافتن این ذره انجام دهند.

اولین آزمایش تجربی جدی برای یافتن بوزون هیگز در سال ۱۹۸۹ میلادی/۱۳۶۸ خورشیدی انجام شد. پژوهشگران در نظر داشتند تا چند ذره را در شتاب‌دهنده ۲۷ کیلومتری سرن (CERN - European Organization for Nuclear Research)، بزرگترین شتاب‌دهنده الکترون-پوزیترون در دنیا، به هم برخورد دهند. (پوزیترون ذره‌ای زیراتمی و پادماده الکترون است.) این آزمایش تا یازده سال ادامه داشت، اما انرژی برخورد این ذرات به هم فقط ۵ درصد کمتر از انرژی لازم برای کشف بوزون هیگز بود.

در همین حال، پژوهشگرانی در آمریکا با شتاب‌دهنده تواترون (Tevatron) در آزمایشگاه فرمی‌لب (Fermilab) آزمایش مشابهی را انجام می‌دادند. آن‌ها چند پروتون و آنتی‌پروتون را با پنج برابر انرژی بیشتر از سرن به هم برخورد دادند و مطمئن بودند که بوزون هیگز را پیدا می‌کنند. اما برخورد پروتون با آنتی‌پروتون، ذرات زیراتمی بلااستفاده زیادی تولید می‌کند که می‌تواند یافتن هیگز را در میان تمام این داده‌های اضافی سخت‌تر کند. در نهایت، در سال ۲۰۱۱ میلادی/۱۳۹۰ خورشیدی عملیات شتاب‌دهنده تواترون متوقف شد و برای بار دوم بوزون هیگز پیدا نشد.

یک سال قبل از توقف عملیات تواترون، شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی (LHC - Large Hadron Collider) که در سرن است، پروتون و آنتی‌پروتون‌ها را با هفت برابر انرژی بیشتر از توانترون به هم برخورد دادند. بالاخره در ۴ ژوئیه ۲۰۱۲ / ۱۴ تیر ۱۳۹۱ دو آزمایش مستقل در سرن بوزون هیگز را کشف کردند. در سال بعد از این کشف، هیگز و همکارش، فرانسوا آنگلر جایزه نوبل فیزیک آن سال را به خاطر «تلاش‌هایشان در کشف نظری مکانیزم درک ما از جرم ذرات زیراتمی» دریافت کردند.

باید گفت که بدون ذره هیگز تقریبا تمام درک فیزیکی ما از ذرات زیراتمی به مشکل می‌خورد. بدون هیگز، ذرات بنیادی بدون جرم بودند و هیچ اتم، انسان، منظومه خورشیدی و به طور کلی هیچ ساختاری در کیهان وجود نخواهد داشت.

مشکلات بوزون هیگز

با اینکه کشف بزرگی در دنیای فیزیک رخ داد، اما سوالات بیشتری برای فیزیکدانان ایجاد کرد. ویژگی‌های این ذره علاوه بر تعیین جرم ذرات بنیادی، عدم پایداری آن‌ها را نیز توضیح می‌داد. این ذره نشان می‌داد که همه چیز در جهان آنطور که فکر می‌کنیم، پایدار نیستند. تمام ذرات در فرایندی به نام تغییر فاز (Phase transition) شبیه به ذوب شدن یخ به هم تبدیل می‌شوند. اما به جای تبدیل جامد به مایع، تغییراتی اساسی در جرم آن‌ها رخ می‌دهد و در واقع قوانین طبیعت در جهان دچار تغییر می‌شود.

اما آنطور که به نظر می‌رسد، جهان به طور کلی پایدار است، پس اولین فکری که به ذهنمان می‌رسد، اشتباه محاسباتی در اندازه‌گیری‌هاست و شاید حتی پدیده‌ای باشد که هنوز کشف نکرده‌ایم.

حالا سه سال است که ابزارهای علمی شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی یا LHC تعمیر و بروزرسانی شده‌اند و قرار است تا با انرژی بسیار بیشتری، تقریبا دو برابر انرژی لازم برای کشف هیگز، آغاز به کار کند. این بروزرسانی‌ها به ما اجازه می‌دهند تا به سراغ کشف ذراتی برویم که هنوز اطلاعاتی درباره آن‌ها نداریم و پدیده تغییر فاز کیهان و تناقض پایداری آن را توجیه کنیم. مطالعات آینده می‌تواند حتی به سوالات بیشتری نیز پاسخ دهد. برای مثال ممکن است با بوزون هیگز بتوانیم ماده تاریک را توجیه کنیم. نکته جالب توجه این است که تا امروز متوجه شده‌ایم ماده تاریک هیچ باری ندارد و بوزون هیگز نیز به روش خاصی با ذرات خنثی در تعامل است.

نحوه تعامل این ذره با سایر ذرات بنیادی باعث شده تا دانشمندان احتمال دهند که شاید بوزون هیگز اصلا ذره‌ای بنیادی نباشد. آیا ممکن است در کنار نیرو‌های بنیادی جهان، گرانش، الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف و قوی، نیروی دیگری وجود داشته باشد؟ شاید نیرویی باشد که ذرات ناشناخته ریزتری از هیگز را به هم متصل کرده باشد. به هر حال، برای مطرح کردن هر نظریه‌ای باید شواهد قوی برای آن وجود داشته باشد که با مطالعات آینده مشخص می‌شود.