این روزها بخش مهمی از اخبار علمی به شتاب دهندهبزرگ هادرون(LHC) در بزرگترین آزمایشگاه بین المللی فیزیک ذرات بنیادیCERN (The European Organization for Nuclear Research) واقع در مرز بینفرانسه و سوئیس اختصاص یافته است. به دلیل اهمیت این آزمایش بخشی از کتاب"فیزیک از آغاز تا امروز" در اینجا ارائه می شود. هدف از این آزمایش آشکارسازی ذرات هیگز و ایجاد شرایط جهان در نخشتین لحظه ی مهبانگ (Big Bang)است. بنابراین نخست بتید دید که هیگز چیست و چه نقشی در جدول ذرات بنیادیدارد. در این مقاله روابط ریاضی که در کتاب "فیزیک از آغاز تا امروز"ارائه شده، حذف گردیده است. برای اطلاعات بیشتر به کتاب یاد شده مراجعهفرمایید.



ذرات چگونه جرم کسب مي کنند؟

مسئله جرمدو جنبه متفاوت دارد. اول آن که نياز است بدانيم جرم چگونه به وجود ميآيد. معلوم شده است که جرم حداقل از سه سازوکار متفاوت ايجاد مي شود که درادامه تشريح خواهد شد. يک بازيگر مهم در نظريه هاي آزمايشي فيزيک دانان درمورد جرم، نوع جديدي از ميدان است که تمام جهان را فرا مي گيرد و ميدانهيگز نام دارد. گمان مي رود جرم ذرات بنيادي از برهمکنش با ميدان هيگز بهوجود مي آيد. اگر ميدان هيگز وجود داشته باشد، طبق نظريه هيگز، وجود يکذره وابسته به آن به نام هيگز ضروري است. هم اکنون دانشمندان با استفادهاز شتاب دهنده هاي ذرات به دنبال ذره هيگز هستند. جنبه ديگر اين مسئله آناست که دانشمندان مي خواهند بدانند چرا انواع مختلف ذرات بنيادي، جرم خاصخودشان را دارند. اما هنوز نمي دانيم چرا اينگونه است .



جرم چيست؟

مبانيدرک نوين ما از جرم بسيار پيچيده تر از تعريف نيوتن و مبتني بر مدلاستاندارد است. در بطن مدل استاندارد تابع رياضي به نام لاگرانژي است کهنشان دهنده چگونگي برهمکنش ذرات گوناگون است. فيزيک دانان با استفاده ازاين تابع و تبعيت از قواعدي به نام نظريه نسبيت کوانتومي مي توانند رفتارذرات بنيادي را محاسبه کرده و دريابند اين ذره ها چگونه گرد هم مي آيند وذرات مرکبي همچون پروتون را به وجود مي آورند. مي توان چگونگي واکنش ذراتبنيادي و ذرات مرکب را نسبت به نيروها به دست آورد. در مورد نيرويF معادلهF=ma ، نيرو، جرم و شتاب حاصل از نيرو را به هم مربوط مي کند. لاگرانژي ميگويد که در اين جا براي m بايد از چه مقداري استفاده کنيم و اين مقدارهمان چيزي است که از عبارت جرم ذره مد نظر فيزيک دانان است. اما جرمي کهبه طور معمول آن را درک مي کنيم، چيزي بيش ازF=ma از خود نشان مي دهد.براي مثال نظريه نسبيت خاص پيش بيني مي کند که ذرات بدون جرم در خلاء باسرعت نور و ذرات جرم دار بسيار کندتر از نور حرکت مي کند، به طوري که اگرجرمشان را بدانيم مي توانيم سرعت شان را حساب کنيم. قوانين گرانش با دقتبسيار، پيشگويي مي کند که گرانش هم روي ماده و هم روي انرژي تاثير ميگذارد. همان طور که از يک مقدار خاص جرم انتظار داريم، مقدار m که از رويلاگرانژي براي هر ذره به دست مي آيد، در تمام موارد ديگر نيز صحيح است وکاربرد دارد. ذرات بنيادي، جرمي ذاتي دارند که آن را با نام جرم سکون ميشناسيم. در مورد ذرات مرکب بايد گفت که جرم سکون اجزاي



تشکيل دهنده و انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل برهمکنش ها در جرم کلي ذره نقشدارد. همان طور که رابطه E=mc2 مي گويد انرژي و جرم به يکديگر ربط دارند.



سازوکار هيگز

ذراتبنيادي(کوارک ها و الکترون ها) برخلاف پروتون ها و نوترون ها از اجزايکوچک تري تشکيل نشده اند. شرح چگونگي کسب جرم سکون در اين ذره ها به يکياز اصلي ترين مسائل در مورد منشاء جرم تبديل شده است. تفسيرهاي ارائه شدهبه وسيله فيزيک نظري جديد مي گويد جرم ذرات بنيادي از برهمکنش با ميدانهيگز ناشي مي شود. اما چرا ميدان هيگز در همه جاي جهان حاضر است؟ چرا قدرتاين ميدان همانند ميدان الکترومغناطيسي در مقياس هاي کيهاني اصولا صفرنيست؟ ميدان هيگز چيست؟

ميدان هيگز يک ميدان کوانتومي است. ممکناست عجيب به نظر برسد، اما واقعيت اين است که تمام ذرات بنيادي به صورتکوانتوم هاي ميدان کوانتومي متناظر پديدار مي شوند. بنابراين ميدان هيگزاز اين لحاظ عجيب تر از الکترون و نور نيست. با اين همه ميدان هيگز به سهروش مهم ديگر با تمام ميدان هاي کوانتومي تفاوت دارد.

1- تفاوت اولاين است که تمام ميدان ها خاصيتي به نام اسپين دارند. بوزون هيگز(ذرهميدان هيگز) اسپين صفر دارد. داشتن اسپين صفر ميدان هيگز را قادر مي سازدبه شيوه متفاوتي نسبت به بقيه ذره ها در لاگرانژي ظاهر شود و ميدان هيگزدو جنبه متفاوت ديگر خود را ظاهر سازد.

2- دومين خاصيت منحصر بهفرد ميدان هيگز توضيح مي دهد که چرا قدرت اين ميدان در سرتاسر جهان غيرصفراست. هر سامانه اي از جمله جهان در پايين ترين سطح انرژي قرار مي گيرد. درميدان معمولي همانند ميدان هاي الکترومغناطيسي پايين ترين سطح انرژيآنجايي است که ميدان مقدار صفر دارد. يعني جايي که ميدان از بين مي رود.اگر ميدان غيرصفري اعمال شود، انرژي ذخيره شده در ميدان ها، انرژي خالصسامانه را افزايش مي دهد. اگر بخواهيم همان تشبيه دره را به کار بريم،بايد گفت براي ميدان هاي معمولي، کف دره، مکاني است که ميدان صفر است، امابراي هيگز، ته دره(يعني ميدان صفر)، تپه اي در مرکز خود دارد و پايين تريننقطه دره دايره اي حول اين تپه است. جهان مثل يک توپ در جايي در اين چالهحلقوي که با مقدار غيرصفر ميدان متناظر است، ساکن مي شود. اين گفته به اينمعني است که جهان در حالت معمولي و در پايين سطح، آکنده از ميدان هيگزغيرصفر است.

3- آخرين ويژگي قابل توجه ميدان هيگز شکل برهمکنش آنبا ذرات ديگر است. ذراتي که با ميدان هيگز برهمکنش دارند، طوري رفتار ميکنند که انگار جرم دارند و جرم آنها متناسب با شدت ميدان ضرب در شدتبرهمکنش است. جرم ها از عبارتي در لاگرانژي به وجود مي آيند که بيانگربرهمکنش ذرات با ميدان هيگز است.

با اين همه هنوز درک ما از همهاينها کامل نشده و مطمئن نيستيم چند نوع ميدان هيگز وجود دارد. هر چند کهمدل استاندارد فقط به يک ميدان هيگز نياز دارد تا جرم تمام ذرات بنيادي راایجاد کند، اما فيزيک دانان مي دانند که نظريه اي کامل تر بايد جانشين مدلاستاندارد شود. مهم ترين رقيبان، بسط هايي از مدل استاندارد است که باعنوان مدل استاندارد ابرتقارني(ابر همزاد) شناخته مي شود. با توجه به مدلاستاندارد ابرتقارني، حداقل به دو ميدان هيگز متفاوت نياز داريم. برهمکنشبا آن دو ميدان، به ذرات مدل استاندارد جرم مي دهد. که باعث جرم دار شدنابرهمزادها نيز مي شوند. دو ميدان هيگز به وجود پنج نوع بوزون هيگز منجرمي شود.

سه تا از آنها از لحاظ الکتريکي خنثي هستند و دو تايديگر باردار مي باشد. اين احتمال هم وجود دارد که جرم ذراتي که نوترينوناميده مي شود و در مقابل جرم ذرات ديگر کوچک است، به روشي غيرمستقيم، ازاين برهمکنش ها يا از نوع سومي از ميدان هيگز به وجود آيد. نظريه پردازانچندين دليل دارند که نشان مي دهد تصوير ( SSM (Super-symmetric StandardModel از برهمکنش هاي هيگز صحيح است. اول آنکه بدون سازوکار هيگز، بوزونهاي هيگز که واسطه نيروي ضعيف هستند، بايد مانند فوتون بدون جرم باشند،ديگر آن که برهمکنش هاي ضعيف بايد مثل برهمکنش هاي الکترومغناطيسي قويباشند. اين نظريه مي گويد که سازوکار هيگز به روش برهمکنش هاي بسيار ويژهباعث جرم دار شدن W و Z مي شود. پيشگويي هاي چنين رويکردي در مورد جرم W وZ به طور تجربي تاييد شده است.

نکته دوم آن که، اصولا تمام جنبههاي ديگر مدل استاندارد به خوبي آزموده شده است و در چنين نظريه اي باجزئيات فراوان و بسيار مرتبط به هم، دشوار است که بخشي(مثل هيگز) را تغييرداد، بدون آن که بر بقيه قسمت هاي نظريه تاثيري نداشته باشد. براي مثال،تحليل اندازه گيري هاي دقيق خواص بوزون Zو W به پيشگويي دقيق جرم کوارکسر، پيش از توليد مستقيم آن منجر شد. تغيير سازوکار هيگز باعث نقض شدن اينپيشگويي و ديگر پيشگويي هاي موفقيت آميز مي شود. سوم آن که سازوکار هيگزمدل استاندارد در توجيه جرم دار شدن تمام ذرات مدل استاندارد خيلي خوب عملمي کند؛ هم جرم دار شدن بوزون هاي W وZ را توجيه مي کند، هم جرم دار شدنکوارک ها و لپتون ها را. در حالي که نظريه هاي بديل نمي توانند. ديگر آنکه SSM برخلاف نظريه هاي ديگر، چارچوبي براي هماهنگي درک ما از نيروهايطبيعت فراهم مي آورد. نکته پاياني آنکه SSM مي تواند توضيح دهد چرا درهانرژي براي جهان چنان شکلي دارد که براي سازوکار هيگز نياز است. در مدلاستاندارد اوليه شکل دره را بايد به صورت يک پذيره وارد مدل کرد، اما درSSM اين شکل دره را مي توان از راه رياضي به دست آورد.





بوزون هيگز و نتايج آن

درسال 1962 پيتر هيگز(Peter Higgs) از تعطيلات آخر هفته خود با انديشه ايجديد به دانشگاه برگشت و افکار خود را به صورتي ساده با همکارانش در ميانگذاشت. انديشه ي اصلي پاسخ به اين سئوال بود که ذرات چگونه جرم کسب ميکنند؟ اين انديشه ساده مورد بحث قرار گرفت و نخستين مقاله آن در سال 1964منتشر شد و نحوه ي جرم دار شدن ذرات را تحت عنوان بوزون هيگز بررسي کرد.در فضاي تهي ميدان هيگز مقداري غيرصفر دارد که همواره در تمام جهان نفوذمي کند. سازوکار هيگز که توسط فيليپ آندرسن (Philip Warren Anderson)يشنهاد شده، نحوه جرم دار شدن تمام ذرات بنيادي را نشان مي دهد. اينسازوکار، بوزون هاي W را متفاوت از فوتون مي سازد.

طبق اينسازوکار، با شکست خود به خودي تقارن، تصور مي شود که يک ميدان اسکالرمختلط در هر نقطه از فضا وجود دارد. با توجه به مفاهيم ميدان هيگز، نحوهتوليد و جرم دار شدن ذرات از نقطه نظر فرضيه قابل توضيح است.

طبقيکي از دياگرام هاي فاينمن، فرايند معکوسي براي توليد بوزون هيگز ارائهشده است. در اين دياگرام، فاينمن فرايند احتمالي توليد بوزون هيگز راپيشگويي مي کند(شکل1).




شکل1: دياگرام فاينمن براي توليد وآشکارسازي هيگز



دراين فرايند دو گلئون واپاشيده مي شوند و زوج کوارک سر و پادکوارک سر توليدمي شود، سپس اين دو کوارک با هم ترکيب مي شوند و يک بوزون هيگز آشکار ميگردد. اما مشکل آن است که به رغم هزينه و زمان زيادي که صرف شده و استفادهزيادي که از شتاب دهنده به عمل آمده، هنوز هيچ کس بوزون هيگز را درآزمايشگاه يا در عرصه کيهان رديابي نکرده است.



آزمون نظريه

طبيعياست که فيزيک دانان بخواهند آزمون هاي مستقيمي در اين مورد انجام دهند کهجرم از برهمکنش با ميدان هاي متفاوت هيگز به وجود مي آيد. در اين آزمون هامي توان سه جنبه اساسي را آزمود:

1 - مي توان در جست وجوي ذراتويژه اي به نام هيگز باشيم. چنين کوانتوم هايي بايد وجود داشته باشند، درغير اين صورت تفسيرهاي ارائه شده صحيح نيست. فيزيک دانان هم اکنون در شتابدهنده تواترون[1] در آزمايشگاه شتاب دهنده ملي فرمي در جست وجوي بوزونهيگز هستند.

2 - پس از اينکه اين ذرات شناسايي شدند، مي توانيممشاهده کنيم که چگونه بوزون هاي هيگز با ديگر ذرات برهمکنش دارند. همانعبارتي در لاگرانژي که مشخص کننده جرم ذرات است، بيانگر خواص اين برهمکنشها است. بنابراين مي توان آزمايش هايي انجام داد تا وجود عبارت هايبرهمکنش از اين نوع را به طور کمي آزمود. قدرت برهمکنش ها و مقدار جرمذرات اختصاصا با يک روش به هم مربوط مي شوند.

3 - مجموعه هايگوناگون ميدان هاي هيگز، که در مدل استاندارد يا نسخه هايSSM وجود دارد،نشان دهنده مجموعه هاي متفاوتي از بوزون هاي هيگز با خواص مختلف است.بنابراين آزمون مي تواند بين اين بديل ها نيز تمايز قائل شود. تنها چيزيکه براي انجام دادن آزمايش ها نياز داريم، شتاب دهنده مناسب ذرات است:شتاب دهنده هايي که انرژي کافي براي توليد بوزون هاي مختلف هيگز را داشتهباشد. شدت کافي براي ساخت مقدار کافي از آنها و آشکارسازهاي خوب برايتجزيه و تحليل آنچه که به وجود آمده است. يک مشکل عمده سر راه انجام چنينآزمون هايي آن است که هنوز نظريه را آن قدر خوب درک نکرده ايم که بتوانيممقدار جرم بوزون هاي هيگز را محاسبه کنيم، در نتيجه جست وجو براي يافتنآنها دشوارتر مي شود، زيرا بايد گستره وسيعي از جرم ها را آزمود. ترکيبياز استدلال هاي نظري و اطلاعات حاصل از آزمايش، مي تواند ما را براي بهدست آوردن جرم هاي تقريبي راهنمايي کند.

شتاب دهنده بزرگالکترون- پوزيترون (LEP) در سرن، در گستره اي از جرم ها که احتمال بسيارداشت در برگيرنده بوزون هاي هيگز باشد، کار کرد. اين شتاب دهنده چيزي پيدانکرد، اما پيش از آن که شتاب دهنده در سال ۲۰۰۰ براي ساخت تجهيزات جديدتريعني شتاب دهنده بزرگ هادرون (LHC) سرن تعطيل شد(شکل2)، شواهد از وجودچيزي در حد انرژي و شدت شتاب دهنده يافت و نشان داد که جرم هيگز بايد بيشاز ۱۲۰ برابر جرم پروتون باشد. با اين همه LEP شواهد غيرمستقيمي يافت کهنشان مي دهد بوزون هيگز وجود دارد: با استفاده از آزمايش هاي انجام شدهدرLEP ، شماري از اندازه گيري هاي دقيق صورت گرفت که مي توان آنها را بااندازه گيري هاي مشابه تواترون و شتاب دهنده مرکز شتاب دهنده خطي استنفوردترکيب کرد. مجموعه نهايي داده ها، فقط وقتي خوب با نظريه سازگار مي شود کهبرهمکنش هاي خاص ذرات با سبک ترين بوزون هاي هيگز را دربرگيرد با اينتفاسير پژوهشگران به حد بالايي براي جرم بوزون هيگز دسترسي مي يابند که بهآنها کمک مي کند پژوهش هايشان را متمرکز کنند.



شکل28- 2: نمودار بخش هاي مختلف شتاب دهنده بزرگ هادرون



طيچند سال آينده، تنها شتاب دهنده اي که مي تواند شواهد مستقيمي براي بوزونهاي هيگز توليد کند، تواترون است. اگر اين شتاب دهنده بتواند به طورپيوسته به شدت باريکه اي که از آن انتظار مي رود، دست يابد(که البتهتاکنون دستيابي به چنين شدتي امکان پذير نشده است) انرژي اش براي کشف يکبوزون هيگز در گستره جرم هايي که شواهد غيرمستقيم LEP نشان داد، کافي است.طبق برنامه ريزي هاي انجام شده،LHC که هفت برابر پرانرژي تر و شدتبرخوردهاي آن بسيار بيشتر از تواترون است، در سال ۲۰۰۷ ارائه اطلاعات راآغاز خواهد کرد. اين شتاب دهنده مي تواند به کارخانه بوزون هيگز تبديلشود(يعني مي تواند در هر روز مقدار زيادي ذره توليد کند). با فرض آن کهLHC طبق برنامه ريزي قبلي کار کند، جمع آوري اطلاعات مناسب و آموختنچگونگي تفسير آنها، يکي دو سال زمان مي برد. انجام آزمايش هاي کاملي کهنشان دهد برهمکنش با ميدان هاي هيگز به وجودآورنده جرم است، علاوه بر LHCکه شتاب دهنده پروتون است و تواترون(که شتاب دهنده پروتون و پادپروتوناست) به شتاب دهنده الکترون- پوزيترون تازه اي نيز نياز است.

آنچهکه در مورد بوزون هاي هيگز حاصل شود، تنها براي آزمودن اين نکته که آياسازوکار هيگز به وجودآورنده جرم است، بکار نمي رود، بلکه اين دست آوردهامي تواند نشان دهنده راهي براي چگونگي توسعه مدل استاندارد، براي حلمسائلي همچون منشاء ماده تاريک باشد.