کاروتک

تکنولوژی و علمی

تلویزیون و سینما

تلویزیون کاروتک

ذره خدا یا همان بوزون هیگز، یک ذره بسیار مهم و گریزان است که فیزیک‌دانان در سال 2012، پس از 50 سال تلاش موفق به کشف آن شدند. با کارو تک در مسیر کشف و شناخت ذره خدا همراه باشید.

ما و تمام چیز‌هایی که در اطراف ما وجود دارند، همه و همه از ذرات ساخته شده‌ایم. زمانی که جهان آغاز شد، هیچ ذره‌ای جرم نداشت و تمام ذرات با سرعت نور به اطراف می‌چرخیدند. در واقع، ستارگان،‌ سیارات و حیات تمام جهان تنها به این دلیل پدید آمدند که از طریق یک میدان بنیادی با نام «بوزون هیگز» جرم پیدا کردند. وجود این میدان جرم‌دهنده در سال 2012، زمانی که ذره بوزون هیگز در سازمان پژوش‌های هسته‌ای اروپا کشف شد، تأیید شد.

اما بوزون هیگز یا همان ذره خدا، دقیقا چیست؟ برای پاسخ به این سوال نیاز به کاوش در دنیای کوانتوم و نحوه تعامل ذرات داریم.

نظریه میدان هیگز چیست؟

بوزون هیگز یکی از 17 ذره بنیادی است که مدل استاندارد فیزیک ذرات را تشکیل می‌دهد و بهترین نظریه دانشمندان در مورد عناصر اصلی سازنده جهان است. این ذره که جست‌و‌جو و کشف آن پنج‌دهه به طول انجامید، نقش بسیار اساسی را در فیزیک زیراتمی ایفا می‌کند؛ به‌طوری که بسیاری از دانشمندان از آن به‌عنوان «ذره خدا» یاد می‌کنند.

همان‌طور که می‌دایند، یکی از اساسی‌ترین ویژگی‌های هر ماده‌ای، جرم است؛ کمیتی که تعیین می‌کند وقتی یک جسم به آن نیرو وارد می‌شود، چقدر می‌تواند مقاومت کند. جرم در علم فیزیک با حرف m نشان داده می‌شود و در معادله معروف انیشتین E = mc^2 خودنمایی می‌کند. در این معادله، E به‌معنای انرژی و c همان سرعت نور است. اگر دقت کنیم،‌ متوجه می‌شویم که سرعت نور همیشه یک عدد ثابت است که هیچ‌وقت تغییر نمی‌کند؛ پس آن‌چه این معادله به ما می‌گوید این است که به جز تغییر واحدهای اندازه‌گیری، انرژی و جرم یکسان هستند. حدود 99 درصد از جرم هر شیء در دنیای واقعی، مانند بدن انسان، از انرژی پیوندی است که ذرات بنیادی را درون اتم‌ها به هم نگه می‌دارد. با این حال، 1٪ باقی مانده از جرم، ذات آن ذرات بنیادی است. اما سوال اصلی این است: ما چگونه می‌توانیم انرژی پیوندی ذرات درون اتم‌ها را محاسبه و جرم هر چیزی را تشخیص دهیم؟

بیش‌تر بخوانید: سندرم لازاروس: پدیده‌ای که باعث می‌شود افراد از مرگ به زندگی بازگردند

سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا، در دهه 1960، فیزیک‌دانان نظری زیادی را از جمله پیتر هیگز از دانشگاه ادینبورگ، مسئول یافتن جواب این سوال کرد. آن‌ها پس از مدتی توانستند یک جواب احتمالی را برای این سوال پیدا کنند؛ مکانیسمی که آن‌ها پیشنهاد کردند شامل یک میدان نامرئی اما فراگیر بود که بعداً «میدان هیگز» نام گرفت. طبق این تئوری، ذرات بنیادی از طریق فعل و انفعالاتی که در این میدان رخ می‌دهد، جرم خود را به‌دست می‌آورند.

این نظریه ثابت می‌کرد که چرا ذرات مختلف جرم‌های متفاوتی دارند؛‌ در واقع، دلیل این‌که هر ذره جسم متفاوتی دارد، این است که همه ذرات به یک شکل تحت‌تأثیر میدان هیگز قرار نمی‌گیرند. در نتیجه هر ذره دارای جرم مختص خود می‌شود. ما می‌توانیم این میدان را به شخصی (ذره بنیادی) که در میان گروهی از روزنامه‌نگاران (میدان هیگز) حرکت می‌کند، تشبیه کنیم. اگر آن شخص یک سلبریتی باشد، باید راه خود را مانند یک ذره با جرم بالا بگذراند، اما اگر برای روزنامه‌نگاران ناشناخته باشد، به راحتی از آن‌جا عبور می کند؛ درست مانند یک ذره با جرم کم.

بوزون هیگز وارد میدان می‌شود

طبق گفته دانشگاه ادینبورگ، پیتر هیگز مقاله اصلی خود را در مورد میدان هیگز به مجله Physical Review Letters در 31 اوت 1964 ارسال کرد. در همان روز، مقاله دیگری از فیزیک‌دانان بلژیکی فرانسوا انگلرت و رابرت بروت منتشر شد که اساساً همان نظریه را توصیف می‌کرد. هنگامی که این موضوع مورد توجه او قرار گرفت، هیگز مقاله خود را اصلاح کرد تا پیش‌بینی دیگری اضافه کند؛‌ او با اصلاح مقاله‌اش گفت که باید یک ذره بنیادی جدید مرتبط با میدان هیگز وجود داشته باشد. در واقع، این ذره، همان ذره خدا معروف است.

نظریه هیگز یک توضیح زیبا برای جرم ذرات بنیادی بود؛ اما آیا این نظریه درست بود؟ واضح‌ترین راه برای تأیید آن، مشاهده بوزون هیگز بود. اما مشاهده‌ی این ذره به‌هیچ‌عنوان آسان نبود. به گفته فیزیک‌دان برایان گرین که برای مجله اسمیتسونیان می‌نویسد، در آن زمان، انتظار می‌رفت بوزون هیگز بسیار ناپایدار باشد و در کسری از ثانیه به ذرات دیگر متلاشی شود. هم‌چنین همان‌طور که گفته شد، این ذره جرم بسیار زیادی دارد؛ در نتیجه فقط در برخوردهای انرژی بسیار بالا ایجاد می‌شود. در واقع، پیدا کردن این ذره عملا غیرممکن بود تا زمانی که سرن قدرت‌مندترین شتاب‌دهنده ذرات جهان، یعنی برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) را ساخت؛ این موضوع یکی از انگیزه‌های اصلی دانشمندان برای یافتن بوزون هیگز بود.

کشف بزرگ پیتر هیگز و جایزه نوبل

فیزیک‌دانان جرم ذرات را در واحدهایی به نام الکترون ولت (eV) اندازه‌گیری می‌کنند. به‌عنوان مثال، جرم یک پروتون (هسته اتم هیدروژن) 938 میلیون eV است. زمانی که LHC در سال 2008 شروع به کار کرد، تنها چیزی که دانشمندان به‌طور قطع در مورد هیگز می‌دانستند، این بود که جرم آن باید بیشتر از 114 میلیارد eV باشد. چند سال بعد، دانشمندان توانستند با استفاده از شتاب‌دهنده یک ذره مرموز را شناسایی کنند. این ذره جرمی به‌اندازه‌ی 125 میلیارد eV داشت؛ در واقع، دانشمندان موفق شده بودند که ذره خدا را پیدا کنند! در 4 ژوئیه 2012، دیگر هیچ شکی وجود نداشت که ذره بوزون هیگز وجود دارد و یک اعلامیه رسمی با هیاهوی بسیاری از رسانه‌ها منتشر شد. در واقع، تقریباً 50 سال پس از مقاله پیتر هیگز، ذره خدا بالاخره پیدا شده بود.

متأسفانه، یکی از سه دانشمندی که پشت نسخه اولیه این پیش‌بینی بودند، رابرت بروت، یک سال قبل از این کشف بزرگ در گذشت. با این حال، دو فیزیک‌دان بازمانده، فرانسوا انگلرت و پیتر هیگز، جایزه نوبل فیزیک 2013 را به‌سبب کشف نظری و مکانیزمی بوزون هیگز دریافت کردند.

چرا بوزون هیگز «ذره خدا» نام گرفت؟

در خارج از دنیای علم و فیزیک، بوزون هیگز اغلب با نام خاطره‌انگیز و جذاب «ذره خدا» شناخته می‌شود. ذره خدا عنوان کتابی در سال 1993 در مورد این موضوع بود که به گفته نویسندگان، این اسم به این دلیل انتخاب شد که ناشر اجازه نداد آن را «ذره لعنتی» بنامند. قابل ذکر است که همان‌طور که رسانه‌ها این اسم را به بوزون هیگز ترجیح می‌دهند، «ذره خدا» اسم مورد‌علاقه بسیاری از دانشمندان نیز است.

ذره خدا یا همان بوزون هیگز، کشف بسیار مهمی بود. به گفته پیت ویلتون از دانشگاه آکسفورد، این کشف بزرگ می‌تواند دانشمندان را به درک اسرار بیش‌تری در موارد مرموزی مانند ماهیت ماده تاریک سوق دهد.

بیش‌تر بخوانید: ماده تاریک، مرموز‌ترین و ناشناخته‌ترین ماده در جهان چیست؟

ذره خدا چه کمکی به علم کرد؟

بوزون هیگز نیز هم‌چنان به افشای اسرار بیش‌تری برای دانشمندان سرن و جاهای دیگر ادامه می‌دهد. یکی از راه‌های کسب اطلاعات بیش‌تر در مورد نحوه عمل‌کرد آن (و این‌که آیا واقعاً این ذره منشأ جرم تمام ذرات بنیادی دیگر است) مشاهده روش‌های مختلف تجزیه بوزون هیگز به ذرات دیگر است. ذره خدا معمولاً به کوارک‌ها تجزیه می‌شود؛ اما به‌تازگی مشخص شده است که به یک نوع کاملاً متفاوت از ذرات به نام میون نیز تجزیه می‌شود. این یک سرنخ مهم است که میون‌ها، مانند کوارک‌ها، واقعاً جرم خود را از طریق مکانیسم هیگز به‌دست می‌آورند.

بوزون هیگز ممکن است در آینده شگفتی‌های بسیار بیش‌تری را برای ما به‌ارمغان بیاورد. به‌عنوان مثال، ذره‌ای که کشف شده است (منظور ذره‌ای است که 125 میلیارد eV جرم داشت) ممکن است تنها هیگز موجود نباشد؛ ممکن است یک خانواده کامل از بوزون‌های هیگز وجود داشته باشد که برخی از آن‌ها بسیار سنگین‌تر از آن‌چه در حال حاضر درباره آن می‌دانیم هستند. از سوی دیگر، تحقیقات اخیر نشان می‌دهند که اگر هیگز جرمی به‌طور قابل‌توجهی بیش‌تر از 125 میلیارد داشت، ممکن بود جهان قبل از این‌که فرصتی برای حرکت پیدا کند، دچار فروپاشی فاجعه‌باری شده باشد. این موضوع ممکن است بتواند سرنوشت و درستی تئوری جهان‌های چندگانه و موازی را مشخص کند. اگر این نظریه درست باشد، می‌توانیم از پیتر هیگز به‌دلیل کشف بسیار بزرگ و عظیمی که انجام داده است،‌ نهایت تشکر و قدردانی را داشته باشیم.

بیش‌تر بخوانید: آیا نظریه جهان‌های موازی واقعیت دارد؟

پی‌نوشت

کوانتوم: فیزیک کوانتوم به‌معنای مطالعه ماده و انرژی در اساسی‌ترین و کوچک‌ترین سطح ممکن است. هدف این علم کشف خواص و رفتارهای اجزای سازنده طبیعت است.

سرن: سرن یا همان سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای، یکی از بزرگ‌ترین و معتبرترین مراکز تحقیقات علمی در جهان است.

برخورددهنده هادرونی بزرگ: برخورددهنده هادرونی بزرگ، بین‌ سال‌های 1998 تا 2008 میلادی توسط سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا ساخته شد. برخورددهنده هادرونی بزرگ، بزرگترین برخورددهنده ذرات با بالاترین انرژی در جهان است.

کوارک: کوارک‌ها یک نوع ذره زیراتمی یا  هستند. در دنیای علم ما به ذراتی زیراتمی می‌گوییم که از حتی از اتم‌ها هم کوچک‌تر هستند. در واقع، اتم‌ها از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده‌اند و پروتون‌ها و نوترون‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک ساخته شده اند. بر اساس شواهد موجود امروزه، فیزیک‌دانان فکر می‌کنند که کوارک‌ها ذرات بنیادی جهان هستند. هم‌چنین کوارک‌ها وقتی با یک‌دیگر ترکیب می‌شوند ذراتی را به‌نام «هادرون» را پدید می‌آورند.