به زبان ساده، بوزون هیگز گرانترین ذره تمام دوران است. به عنوان مثال، اگر یک لوله خلاء و چند ذهن درخشان برای کشف الکترون کافی بود، جستجو برای بوزون هیگز نیاز به ایجاد انرژی آزمایشی داشت که به ندرت در زمین یافت می شود. برخورد دهنده بزرگ هادرون نیازی به معرفی ندارد، زیرا یکی از معروف ترین و موفق ترین آزمایش های علمی است، اما ذره مشخصات آن، مانند قبل، برای اکثر مردم در هاله ای از ابهام قرار دارد. این ذره خدا نامیده شده است، اما به لطف تلاش های واقعی هزاران دانشمند، دیگر لازم نیست وجود آن را بر اساس ایمان بپذیریم.
آخرین ناشناخته
بوزون هیگز چیست و اهمیت کشف آن چیست؟ چرا موضوع این همه هیاهو، بودجه و اطلاعات نادرست شده است؟ به دو دلیل. اول، این آخرین ذره کشف نشده مورد نیاز برای تایید مدل استاندارد فیزیک بود. کشف او به این معنی بود که یک نسل کامل از انتشارات علمی بیهوده نبوده است. ثانیاً، این بوزون به ذرات دیگر جرم آنها را می دهد که به آن معنای خاص و مقداری "جادو" می دهد. ما تمایل داریم به این موضوع فکر کنیمجرم به عنوان یک ویژگی ذاتی اشیا است، اما فیزیکدانان چیز دیگری فکر می کنند. به عبارت ساده، بوزون هیگز ذره ای است که بدون آن جرم در اصل وجود ندارد.
یک فیلد دیگر
دلیل در به اصطلاح میدان هیگز نهفته است. حتی قبل از بوزون هیگز توصیف شد، زیرا فیزیکدانان آن را برای نیازهای نظریه ها و مشاهدات خود محاسبه کردند، که مستلزم حضور میدان جدیدی بود که عمل آن به کل جهان گسترش می یابد. تقویت فرضیه ها با اختراع اجزای جدید جهان خطرناک است. به عنوان مثال، در گذشته، این منجر به ایجاد نظریه اتر شد. اما هر چه محاسبات ریاضی بیشتر انجام می شد، فیزیکدانان بیشتر می فهمیدند که میدان هیگز باید در واقعیت وجود داشته باشد. تنها مشکل، نبود ابزار عملی برای مشاهده او بود.
در مدل استاندارد فیزیک، ذرات بنیادی از طریق مکانیسمی بر اساس وجود میدان هیگز که در تمام فضا نفوذ می کند، جرم پیدا می کنند. این بوزون های هیگز را ایجاد می کند که به انرژی زیادی نیاز دارند، و این دلیل اصلی نیاز دانشمندان به شتاب دهنده های ذرات مدرن برای انجام آزمایشات با انرژی بالا است.
جرم از کجا می آید؟
قدرت فعل و انفعالات هسته ای ضعیف با افزایش فاصله به سرعت کاهش می یابد. بر اساس تئوری میدان کوانتومی، این بدان معناست که ذراتی که در ایجاد آن دخیل هستند - بوزون های W و Z - باید جرم داشته باشند، برخلاف گلوئون ها و فوتون ها که جرم ندارند.
مشکل این است که نظریه های گیج فقط با عناصر بی جرم سروکار دارند. اگر بوزون های گیج جرم داشته باشند، نمی توان چنین فرضیه ای را به طور منطقی تعریف کرد. مکانیسم هیگز با معرفی میدان جدیدی به نام میدان هیگز از این مشکل جلوگیری می کند. در انرژی‌های بالا، بوزون‌های گیج جرمی ندارند و این فرضیه مطابق انتظار عمل می‌کند. در انرژی های کم، میدان باعث شکسته شدن تقارن می شود که به عناصر اجازه می دهد جرم داشته باشند.
بوزون هیگز چیست؟
میدان هیگز ذراتی به نام بوزون هیگز تولید می کند. جرم آنها توسط تئوری مشخص نشده است، اما در نتیجه آزمایش مشخص شد که برابر با 125 GeV است. به زبان ساده، بوزون هیگز به طور قطعی مدل استاندارد را با وجود خود تأیید کرده است.
مکانیسم، میدان و بوزون نام دانشمند اسکاتلندی پیتر هیگز است. اگرچه او اولین کسی نبود که این مفاهیم را مطرح کرد، اما، همانطور که اغلب در فیزیک اتفاق می‌افتد، اتفاقاً او کسی بود که به نام او نامگذاری شدند.
تقارن شکسته
میدان هیگز مسئول این واقعیت است که ذراتی که نباید جرم داشته باشند. این یک محیط جهانی است که به ذرات بدون جرم با جرم های مختلف می بخشد. چنین نقض تقارن با قیاس با نور توضیح داده می شود - همه طول موج ها در خلاء با سرعت یکسان حرکت می کنند، در حالی که در یک منشور می توان هر طول موج را متمایز کرد. البته این یک قیاس نادرست است، زیرا نور سفید شامل تمام طول موج ها است، اما مثال نشان می دهد که چگونهبه نظر می رسد ایجاد جرم توسط میدان هیگز به دلیل شکستن تقارن باشد. یک منشور تقارن سرعت طول‌موج‌های مختلف نور را با جدا کردن آنها می‌شکند و تصور می‌شود میدان هیگز تقارن جرم برخی از ذرات را که در غیر این صورت به طور متقارن بی جرم هستند، می‌شکند.
چگونه بوزون هیگز را به زبان ساده توضیح دهیم؟ اخیراً فیزیکدانان دریافته‌اند که اگر میدان هیگز واقعاً وجود داشته باشد، عملکرد آن مستلزم وجود یک حامل مناسب با ویژگی‌هایی است که می‌توان آن را مشاهده کرد. فرض بر این بود که این ذره متعلق به بوزون ها است. به عبارت ساده، بوزون هیگز به اصطلاح نیروی حامل است، همان فوتون ها که حامل میدان الکترومغناطیسی کیهان هستند. فوتون ها، به یک معنا، برانگیختگی های محلی آن هستند، همانطور که بوزون هیگز یک برانگیختگی محلی میدان آن است. اثبات وجود یک ذره با خواص مورد انتظار فیزیکدانان، در واقع به منزله اثبات مستقیم وجود یک میدان بود.
آزمایش
برنامه‌ریزی سال‌ها به برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) اجازه داده است تا به گواهی رد احتمالی نظریه بوزون هیگز تبدیل شود. یک حلقه 27 کیلومتری از مغناطیس‌های الکترومغناطیس فوق‌العاده قدرتمند می‌تواند ذرات باردار را تا بخش‌های قابل‌توجهی از سرعت نور شتاب دهد و باعث برخوردهایی شود که آنقدر قوی است که آنها را به اجزای خود جدا کند و همچنین فضای اطراف نقطه برخورد را تغییر شکل دهد. طبق محاسبات، در یک انرژی برخورد با سطح به اندازه کافی بالا، می توان یک بوزون را شارژ کرد تا تجزیه شود، و این می تواند باشد.تماشا خواهد کرد. این انرژی به قدری زیاد بود که برخی حتی وحشت کردند و پایان جهان را پیش بینی کردند و فانتزی دیگران تا آنجا پیش رفت که کشف بوزون هیگز به عنوان فرصتی برای بررسی یک بعد جایگزین توصیف شد.
تأیید نهایی
به نظر می رسید مشاهدات اولیه در واقع پیش بینی ها را رد می کند و هیچ نشانه ای از ذره یافت نشد. برخی از محققانی که در کارزار صرف میلیاردها دلار شرکت داشتند حتی در تلویزیون ظاهر شدند و با ملایمت این واقعیت را بیان کردند که رد یک نظریه علمی به اندازه تأیید آن مهم است. با این حال، پس از مدتی، اندازه‌گیری‌ها شروع به تکمیل تصویر بزرگ کردند و در 14 مارس 2013، سرن رسما وجود این ذره را تایید کرد. شواهدی وجود دارد که حاکی از وجود چند بوزون است، اما این ایده نیاز به مطالعه بیشتر دارد.
دو سال پس از آنکه سرن کشف این ذره را اعلام کرد، دانشمندانی که در برخورد دهنده بزرگ هادرون کار می کردند توانستند آن را تایید کنند. از یک طرف این یک پیروزی بزرگ برای علم بود و از طرف دیگر بسیاری از دانشمندان ناامید شدند. اگر کسی امیدوار بود که بوزون هیگز ذره ای باشد که به مناطق عجیب و شگفت انگیزی فراتر از مدل استاندارد - ابرتقارن، ماده تاریک، انرژی تاریک- منتهی شود، متأسفانه معلوم شد که اینطور نیست.
مطالعه ای که در Nature Physics منتشر شده است، تجزیه به فرمیون ها را تایید کرده است. مدل استاندارد پیش بینی می کند که به زبان ساده، بوزونهیگز ذره ای است که به فرمیون ها جرم می دهد. آشکارساز برخورددهنده CMS سرانجام فروپاشی آنها را به فرمیون ها - کوارک های پایین و لپتون های تاو تایید کرد.
بوزون هیگز به عبارت ساده: چیست؟
این مطالعه سرانجام تأیید کرد که این بوزون هیگز است که توسط مدل استاندارد فیزیک ذرات پیش‌بینی شده است. این در ناحیه جرم-انرژی 125 گیگا ولت قرار دارد، هیچ چرخشی ندارد و می تواند به عناصر سبک تر زیادی تجزیه شود - جفت فوتون، فرمیون، و غیره. ذره ای است که به همه چیز جرم می دهد.
از رفتار پیش‌فرض یک عنصر تازه باز شده ناامید شده‌ام. اگر پوسیدگی آن حتی اندکی متفاوت بود، با فرمیون‌ها ارتباط متفاوتی داشت و راه‌های تحقیق جدیدی پدیدار می‌شد. از سوی دیگر، این بدان معناست که ما حتی یک قدم فراتر از مدل استاندارد که گرانش، انرژی تاریک، ماده تاریک و دیگر پدیده‌های عجیب و غریب واقعیت را در نظر نمی‌گیرد، حرکت نکرده‌ایم.
اکنون فقط می توان حدس زد که چه چیزی باعث آنها شده است. محبوب‌ترین نظریه ابرتقارن است که بیان می‌کند هر ذره در مدل استاندارد یک ابر شریک فوق‌العاده سنگین دارد (در نتیجه 23 درصد از جهان - ماده تاریک را تشکیل می‌دهد). ارتقاء برخورد دهنده، دوبرابر کردن انرژی برخورد آن به 13 TeV، احتمالاً تشخیص این ابرذرات را ممکن می کند. در غیر این صورت، ابرتقارن باید منتظر ساخت جانشین قدرتمندتری برای LHC باشد.
چشم انداز بیشتر
پس فیزیک پس از بوزون هیگز چگونه خواهد بود؟ LHC اخیراً با پیشرفت های قابل توجهی کار خود را از سر گرفته است و می تواند همه چیز را از ضد ماده تا انرژی تاریک ببیند. اعتقاد بر این است که ماده تاریک تنها از طریق گرانش و از طریق ایجاد جرم با ماده معمولی برهمکنش می‌کند، و اهمیت بوزون هیگز برای درک دقیق چگونگی وقوع آن کلیدی است. اشکال اصلی مدل استاندارد این است که نمی تواند اثرات گرانش را توضیح دهد - چنین مدلی را می توان نظریه یکپارچه بزرگ نامید - و برخی معتقدند که ذره و میدان هیگز می توانند پلی باشند که فیزیکدانان به شدت در پی یافتن آن هستند.
وجود بوزون هیگز تایید شده است، اما درک کامل آن هنوز بسیار دور است. آیا آزمایشات آینده ابرتقارن و ایده تجزیه آن به خود ماده تاریک را رد خواهند کرد؟ یا آخرین جزئیات پیش‌بینی‌های مدل استاندارد در مورد ویژگی‌های بوزون هیگز را تأیید می‌کنند و به این حوزه از تحقیقات برای همیشه پایان می‌دهند؟
