ذره هیگز یا بوزون هیگز پیشنهاد ذرات بنیادی در مدل استاندارد فیزیک ذرات است . بوزون هیگز است که پس از به نام پیتر هیگز که به همراه دو تیم دیگر پیشنهاد مکانیزم است که پیشنهاد یک ذره در سال 1964 استوجود بوزون هیگز و میدان هیگز مرتبط خواهد بود ساده ترین  از چندین روش برای توضیح دهد که چرا برخی از سایر ذرات ابتدایی دارای جرم است. بر اساس این نظریه، دیگر از ذرات بنیادی به دست آوردن جرم با تعامل با میدان هیگز است که به غیر صفر مقاومت در همه جا، حتی در فضای غیر این صورت خالی . هیگز بوزون تحریک کوچکترین احتمالی در این زمینه پیش بینی شده است به همان نظریه وجود دارد، و به عنوان این شناسایی، هدف از جستجوی طولانی در فیزیک ذرات بوده است.


بوزون چیست؟

بوزون یک ذره زیر-اتمی است. ذرات اتمی پرتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها هستند. در حالی که در دنیای یونان اتم به معنی غیر قابل تقسیم بود، دانشمندان مدرن دریافتند که ذرات اتمی هم قابل بخش به ذرات زیر-اتمی هستند. که این ذرات زیر-اتمی شامل کوارک‌ها، لپتون‌ها و بوزون‌ها می‌شوند.

بوزون هیگز چیست؟

براساس مدل‌هایی که تکامل عالم را بررسی می‌کند، می‌دانیم در ابتدای شکل‌گیری عالم، ذرات جرم نداشتند. اما در دوره‌ای نسبتا کوتاه، هر یک از ذرات جرم مشخصی را به دست آوردند و این جرم ذرات بود که روند بعدی تکامل عالم را مشخص کرد. برخی از ذرات مانند فوتون‌ها که ذرات تشکیل‌دهنده نور هستند، بدون جرم ماندند و توانستند بدون محدودیت در عالم سفر کنند؛ برخی دیگر اما جرم پیدا کردند و رفتارشان تغییر کرد. سوال مهمی که در دنیای فیزیک وجود دارد، این است که چه چیزی باعث شد تا ذرات عالم جرم‌دار شوند؟

برای اینکه اهمیت این داستان را بهتر درک کنید، نگاهی به جهان اطرافتان بیاندازید: جهان اطراف ما از مواد مختلفی ساخته شده است.جسم من و شما و هر آنچه می‌بینید، هر یک از ترکیبات و مواد گوناگونی تشکیل شده‌اند. اما اگر اندکی دقیق‌تر نگاه کنیم، می‌بینیم همه این مواد قابل تبدیل به تعداد محدودتری از ذرات تشکیل‌دهنده هستند. برای مثال همه‌ی اشیا از مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند.

تنوع و تعداد این مولکول‌ها بسیار زیاد است، اما هر ترکیبی که داشته باشند، قطعا از عناصر محدودی شکل گرفته‌اند که آنها را در طبیعت می‌شناسیم. همه این عناصر به نوبه خود از ذرات بنیادی‌تری به نام الکترون، نوترون‌ و پروتون شکل گرفته‌اند و خاصیت مختلف هر یک از آنها به این برمی‌گردد که چه ترکیبی از این سه ذره در کنار هم قرار گرفته باشند.

برخی از این ذرات به نوبه خود از ذرات بنیادی‌تری شکل گرفته‌اند. بررسی این ذرات بنیادی می‌تواند ما را به درک جهان اطرافمان یاری کند. ترکیب این ذرات که آنها را ذرات زیر اتمی می‌نامند، کمک می‌کند بفهمیم چه قوانینی بر جهان ما حاکم است. اهمیت این دنیای فوق‌العاده کوچک مقیاس و در عین حال فوق‌العاده مهم، باعث شده تا گروهی از دانشمندان تمام تمرکز و هم و غم خود را به رازگشایی از این جهان شگفت و توصیف آن با کمک نظریه ذرات بنیادی مبذول کنند.

نظریه ذرات بنیادی مانند هر نظریه دیگری در دنیای علم بر مبنای مشاهده‌ها شکل می‌گیرد، پدیده‌ها را پیش‌بینی می‌کند و در برابر آزمایش‌های جدید محک می‌خورد و اگر از آن سربلند بیرون آید، مستحکم‌تر شده و اگر در آزمایشی شکست بخورد، نظریه دیگری را باید بر مبنای نتایج جدید تدوین کرد. به همین دلیل برای توصیف یک پدیده، گاهی نظریات مختلفی مطرح می‌شود. بنابراین هر کدام بتواند بهتر از پس چالش‌های پیش‌رو برآید، جای پایش محکم‌تر می‌شود و بیشتر مورد قبول قرار می‌گیرد.

مدل استاندارد چیست؟

در نظریه ذرات بنیادی نیز نظریه‌ای به نام مدل استاندارد ذرات بنیادی وجود دارد که بدون ورود به جزئیات فنی و دشوار آن، می‌توان آن را نظریه‌ای توصیف کرد که تلاش دارد به روان‌ترین شکل، رفتارهای حاکم بر ذرات بنیادی را توصیف کند و توضیحی بر دلیل رفتارهای آنها ارائه دهد.

بوزون هیگز در این نظریه است که نقش مهمی ایفا می‌کند. بار دیگر و بدون وارد شدن به جزئیات فنی بیایید به این سوال بیندیشید که ویژگی یک جسم چه مواردی است؟ مثلا خود شما، یا هر چیز دیگر. فارغ از مشخصات ظاهری، برخی از ویژگی‌های یک جسم، بنیادی و اساسی به‌شمار می‌رود. یکی از این موارد جرم یک جسم است (که البته می‌توانید آن را نوعی انرژی به دام افتاده در آن جسم نیز تصور کنید). اگر از شما بپرسند چقدر جرم دارید، ممکن است بگویید مثلا ۶۰ کیلوگرم و اگر از شما بپرسند «چرا جرم شما این عدد است؟»، خواهید گفت که بدن من از موادی تشکیل شده که هر یک از آنها جرمی دارند و مجموعه جرم آنها به این عدد می‌رسد. این فرآیند خرد کردن را می‌توانید آن‌قدر ادامه دهید تا به ذرات بنیادی برسید.

اما از آن بیشتر نمی‌توانید پیش روید. بخشی از مواد تشکیل‌دهنده بدن شما الکترون‌ها هستند. چرا یک الکترون مقدار مشخصی جرم دارد و چرا این مقدار برای ذرات بنیادی مختلف متفاوت است؟ برای مثال چرا یک الکترون مقدار جرم مشخصی دارد که از پروتون و نوترون کمتر است، اما از ذراتی مانند فوتون یا نوتریونوها که تقریبا بدون جرم هستند، بیشتر است؟ چه چیزی باعث می‌شود که یک ذره جرم مشخصی را داشته باشد و به عبارت دیگر، در دنیای فیزیک ذرات، چه عاملی باعث می‌شود جرمی خاص به ذره‌ای خاص اختصاص یابد؟ این یکی از معماهای مدل استاندارد به شمار می‌رود و در دهه ۱۹۶۰/۱۳۴۰، پیترهیگز نظریه‌ای را مطرح کرد که به نام میدان هیگز معروف شد و می‌توانست این مساله را توجیه کند.

نظریه هیگز

پیتر هیگز

براساس نظریه هیگز، کل جهان ما را میدان هیگز فرا گرفته است. برای این‌که تصوری از میدان داشته باشید، میدان آشناتر الکترومغناطیس را در نظر بگیرید. همه شما احتمالا این آزمایش معروف را یا انجام داده‌اید یا دیده‌اید که یک آهن‌ربا را زیر یک کاغذ می‌گذاریم، روی کاغذ براده‌های آهن می‌ریزیم و می‌بینیم که این براده‌ها در مسیرهای مشخصی که خطوط میدان مغناطیسی هستند، قرار می‌گیرند. در واقع آهن‌ربا یک میدان مغناطیسی دارد که بر موادی که خاصیت فلزی دارند تاثیر می‌گذارد.

براساس نظریه هیگز، مهم نیست اطراف یک جرم باشید یا جایی که فکر می‌کنید خلأ است؛ همه جا میدان هیگز وجود دارد. اگر می‌خواهید تصور بهتری از نوع حضور این میدان داشته باشید، یک آکواریوم را تصور کنید که پر از آب است. برای ماهی‌ای که درون این آکواریوم است شاید بقیه فضای آکواریوم خالی به نظر آید، اما می‌دانیم که مملو از ماده‌ای به نام آب است که این آب عمدتا از ماده‌ای به نام مولکول آب یا H2O تشکیل شده است.

میدان هیگز هم به همین ترتیب همه جا را در بر گرفته، ولی به جای مولکول‌های آب از ذره‌ای بنیادی به نام بوزون هیگز تشکیل شده است. این ذره بنیادی جرم مشخصی دارد و نسبتا ذره سنگینی به شمار می‌رود، اما مهم‌تر از جرم خودش، این ویژگی مهم را دارد که با ذرات بنیادی دیگر اطراف خودش واکنش نشان می‌دهد. مثل ذرات براده آهن که در میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دادند و در مسیرهای مشخصی قرار می‌گرفتند، هر ذره با این بوزون‌های هیگز در حال واکنش دادن است.

آنچه ذره هیگز را مهم می‌کند، این است که بر اساس این نظریه، نوع و قدرت واکنش بوزون‌های هیگز با مواد و ذرات بنیادی اطرافش معلوم می‌کند که آن ذره باید چقدر جرم داشته باشد. یعنی جرم الکترون به دلیل قدرت واکنش الکترون‌ها با بوزون هیگز است. اگر فوتون تقریبا بدون جرم است به این دلیل است که واکنشش با بوزون‌های هیگز بسیار ضعیف است و در عوض الکترون واکنش قوی‌تری دارد.

از طرف دیگر چون بوزون‌های هیگز همه جای میدان هیگز قرار دارند و همه عالم را پر کرده‌اند (مانند آب درون آکواریوم) پس یک ذره مانند الکترون یا فوتون فارغ از این‌که کجای عالم قرار دارد، به‌طور دائمی در حال واکنش با بوزون هیگز است و در نتیجه جرم ثابتی دارد.

به این ترتیب در مدل استاندارد ذرات بنیادی، بوزون‌های هیگز می‌توانند توضیح دهند که چرا هر ذره، جرم مخصوص به خود را دارد. اما این ذره تا پیش از این، یک ذره نظری بود که هرگز در آزمایشگاه مشاهده نشده و تنها حاصل محاسبات ریاضیاتی بود. این ذرات را تنها می‌توان زمانی آشکار کرد که بتوانیم برخوردهای بزرگی را میان ذرات بنیادی ایجاد کنیم و در شرایط آشوبناک و آزاد شدن انرژی حاصل از برخورد، این شانس را به وجود بیاوریم که این ذره برای مدتی ظاهر شود و آن را آشکار کنیم.

یکی از دلایل اصلی و هدف‌های علمی اولیه ساخت شتاب‌دهنده بزرگ‌ هادرونی در مرکز تحقیقات سرن نیز تلاش برای آشکار کردن این ذره و تایید وجود آن بود. البته اگر تلاش سرن هم مانند تواترون در آزمایشگاه ملی فرمی به ثمر نمی‌رسید و بوزون هیگز پیدا نمی‌شد هم، اتفاق مهمی در دنیای فیزیک محسوب می‌شد، چراکه دانشمندان باید سراغ نظریات پیچیده تری برای توجیه جرم مواد بروند که به نام نظریات فارغ از هیگز معروف هستند.

چرا پیدا کردن بوزون هیگز اینقدر اهمیت دارد؟

هر چند که کشف بوزون هیگز هم نمی‌تواند همه آنچه را که درباره چگونگی کارکرد جهان هستی نیاز داریم، به ما بگوید؛ اما می‌تواند یک حفره عظیم در مدل استاندارد را که بیش از ۵۰ سال خالی مانده بود، پر کند. مارتین آرچر فیزیکدان کالج سلطنتی لندن می گوید:

بوزون هیگز در واقع آخرین تکه گمشده از درک فعلی ما از بنیادی‌ترین ذات و جوهره جهان هستی است و اکنون به لطف LHC ما قادر هستیم که مربع کنار این گزینه را تیک بزنیم: این شیوه ای است که جهان کار می‌کند، یا حداقل ما فکر می‌کنیم این گونه کار می کند.

در واقع این شروع یا پایان چیزی نیست، بلکه فقط درباره اینکه ما به صورت عملی درباره جهان و چگونگی‌اش چه بگوییم، می‌تواند به یاری ما بیاید و چیزهای زیادی برای گفتن داشته باشد.

گوردون کن، مدیر فیزیک نظری -مرکز میشیگان اضافه می‌کند که یافتن شواهدی درباره بوزون هیگز می‌تواند «یک موفقیت بسیار شگفت‌انگیز برای دانش و برای انسان در چهار قرن اخیر باشد.»

چرا به بوزون هیگز‪،‬ ذره خدا می‌گویند؟

نام مستعار جالب ذره خدا (God Particle) برای این ذره گریزان، توسط دانشمند برنده جایزه نوبل، لئون لدرمن برای عنوان کتابش انتخاب شد. البته وی به مزاح می گوید ابتدا می‌خواسته نام آن را ذره نفرین شده (Goddamn Particle) بگذارد، زیرا هیچ کس نمی توانسته آن را پیدا کند!

وی دلیل انتخاب این نام را اهمیت بسیار فراوان آن می‌داند، زیرا طبق نظریات علمی، این ذره همه جا را در بر گرفته و تمام فضا و کیهان را پوشانده است.

نمایی از نشست سرن


گزارش نشست سرن

پس از موجی از شایعات، سرانجام زمان کنفرانس فرا رسید. بسیاری از دانشجویان و خبرنگاران از ساعات ابتدایی شب قبل از کنفرانس در مقابل در ورودی سالن حضور داشتند تا بتوانند جای مناسبی به دست بیاورند. بخش بزرگی از سالن احتماعات برای خبرنگاران و فیزیکدانان رزرو شده بود. پیش از آغاز کنفرانس هیجان بی نظیری در بین شرکت کنندگان جریان داشت . حتی دانشمندان نیز هیجان زده بودند. حضور پیتر هیگز، کارل هگن، جرالد گرالنیک و فرانسیس انگلرت چهار   فیزیکدان برجسته‌ای که در دهه‌‌ی ۱۹۶۰ مقارن با ۱۳۴۰ نظریه‌ی میدان هیگز را تدوین کرده بودند با تشویق حضار روبه رو شد و بر هیجان کنفرانس اضافه کرد.

مراسم با سخنرانی کوتاه رالف هوئر، مدیر سرن راس ساعت ۹ صبح به وقت محلی  آغاز شد. او ضمن خوش‌آمدگویی، روز برگزاری نشست را روزی مهم ارزیابی کرد؛ روزی که نه تنها حاضران در سرن، که دانشمندان فیزیک ذرات شرکت‌کننده در کنفرانس فیزیک انرژی‌های بالا در ملبورن استرالیا نیز به این سخنرانی گوش می‌دهند تا نشان دهنده‌ی نمایی از جهان علمی امروز و همکاری‌های بین‌المللی باشند. سپس جوی اینکاندلا ( Joe Incandela)، سخنگوی آزمایش سی.ام.اس (CMS)روی صحنه آمد و در حالی‌که صدایش از اضطراب و هیجان می‌لرزید، سخنرانی خود را که شامل بیش از ۷۰ اسلاید بود، آغاز کرد. او با ارایه عملکرد آشکارساز سی.ام.اس و داده‌های قبلی آغاز کرد و سپس به آزمایش‌های امسال رسید.

 پیتر هیگز (سمت راست) و فرانسیس انگلرت در کنفرانس سرن

پژوهشگران این آزمایش با بررسی چند نوع واپاشی بوزون هیگز و تحلیل چند صد نمونه آشکارشده از این واپاشی‌ها در آزمایش‌های مختلف، توانستند به قطعیت‌های متفاوتی بین ۴.۵ تا ۵.۲ سیگما دست یابند، هرچند در یک مورد قطعیت موردنظر برای اعلام کشف یک ذره جدید بیشتر از معیار ۵ سیگما بود، اما در نهایت با ترکیب داده‌ها و تحلیل دسته‌جمعی، محققان به این نتیجه رسمی رسیدند که رد ذره جدیدی شبیه بوزون هیگز را در حوالی انرژی ۱۲۵.۳ گیگاالکترون ولت (با خطای ۰.۶ گیگاالکترون‌ولت) با قطعیت آماری ۴.۹ سیگما آشکار کرده‌اند. از آن‌جاکه برای اعلام کشف یک ذره جدید قطعیتی از رده سیگما ۵ لازم است، این یک‌دهم مانع از اعلام رسمی کشف بوزون هیگز شد.

پس از سخنرانی او، فابیولا جیانوتی مدیر آشکارساز اطلس به روی صحنه آمد و به روش مشابهی آزمایش‌های اطلس را توضیح داد. در آزمایش اطلس کمتر از ۱۰۰ مورد واپاشی هیگز آن‌هم فقط در دو کانال مشاهده شده بود و به همین دلیل قطعیت آماری بالاتری نسبت به گزارش سی.ام.اس بدست آمد. جیانوتی نتیجه نهایی آشکارساز اطلس را چنین اعلام کرد: ذره جدیدی در محدوده انرژی ۱۲۶.۵ گیگا الکترون ولت و با قطعیت آماری بالاتر از ۵ برابر انحراف معیار آشکار شده است.

 او گفت البته قرار است تا پاییز امسال اطلاعات بیشتری تحلیل شده و نتایج دقیقتری به دست آید. اگرچه این ذره در محدوده‌هایی است که انتظار داریم بوزون هیگز وجود داشته باشد و می‌توان آن را کشف بوزون هیگز دانست، اما باز هم تلاش‌های بیشتری برای درک بهتر ماهیت آن صورت خواهد گرفت. نتایج تحقیقات این دو آشکار ساز در پایان ماه جولای به طور مشترک منتشر خواهد شد.

نتایج اطلس که با نتایج سی .ام .اس سازگار بود با تشویق حضار شرکت کننده در سرن و ملبورن روبه رو شد. بعد از پایان این گزارش مدیر کل سرن و سرپرست‌های دو آزمایشگاه سرن و سی.ام.اس روی صحنه آمدند. مدیر کل سرن گفت : من فکر می‌کنم ما ذره‌ی هیگز را پیدا کرده‌ایم، شما چی فکر می‌کنید؟

او همچنین اعلام کرد این اتفاق مدیون همکاری بین‌المللی و برمبنای ابزاری بی‌نظیر ال.اچ.سی و قدرت پردازش شبکه گرید است. او تاکید کرد ما امروز شاهد یک کشف قطعی بودیم. ما بوزون هیگز را پیدا کردیم، اما باید درباره‌ی ماهیت این کشف بیشتر بحث کنیم. هنوز بررسی‌ها و مشاهده‌های طولانی در راه است.

در پایان، فیزیک‌دانان و حاضران مدتی طولانی به تشویق دانشمندان و مدیران سرن پرداختند و یکی از دانشمندان حاضر در پرسش و پاسخ، این اتفاق را جهشی غول‌آسا در علم نامید.پیتر هیگز که اشک در چشمانش جمع شده بود گفت : فکر نمی‌کردم تا وقتی که زنده هستم این ذره پیدا شود.

روز چهارشنبه گذشته جهان شاهد روز بزرگی بود، روزی که مردم خارج از دنیای علم نیز در شور و شوق کشفی در مرزهای علم به هیجان آمدند. با کشف ذره هیگز اگرچه به سوال مهمی پاسخ داده شد اما سوال‌های بسیاری در برابر دانشمندان قرار گرفته است. آجر دیگری در دیوار رفیع دانش و درک ما از عالم در جای خود قرار گرفته است و اینک سنگ بنایی برای ادامه ساخت این باروی با شکوه فراهم آمده است.بیش از ۱۰ هزار نفر به طور مستقیم در آزمایش شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی مشارکت دارند و ده‌ها کشور در ساخت و بهره‌برداری از آن نقش داشته‌اند. ایران نیز در این پروژه مشارکت داشته است. ایران بخشی از یکی از قطعات آشکارساز سی.ام.اس این شتاب‌دهنده را ساخته و همچنین چندین نفر از دانشجویان و پژوهشگران ایرانی در این پروژه و به ویژه در آشکار ساز سی.ام.اس مشارکت دارند.

ما جهان را خلق کردیم و خود به تنهایی بر نگهداری آن کفایت می‌کنیم

با کشف این ذره، باز هم بشر پی به وجود خالقی قدرتمند و ناظمی زبردست می‌برد. آری همه جهان گواه وجود خدا و شاهد قدرت و عظمت او هستند ، و ما در بررسی و مطالعه پدیده‌های جهان جز آثار قدرت و عظت خدا را نمی‌بینیم،  نشانه‌های او را در اعماق جان خود و در هر ذره‌ای از ذرات هستی می‌یابیم و علوم و دانش‌ها، جز درس و بررسی آفریده‌های خدا و آثار قدرت او نیستند و این همان سخن خدا در قرآن است که می‌فرماید: "بزودی آیات خود را به جهانیان از هر سویی از جهان و در ساختمان خودشان نشان می‌دهیم"(فصلت۵۳)

 و چه زیبا می‌فرماید:"از علم پروردگار تو، حتی هم وزن ذره‌ای پوشیده نیست؛ نه در زمین و نه در آسمان، و هیچ كوچك‌تری و یا بزرگ‌تری از آن نیست مگر آنكه در كتابی روشن ضبط است"(یونس. ۶۱)

 

.