ده سال پس از کشف بوزون هیگز؛ چرا ذره خدا می‌تواند قلمرو فیزیک را به فراتر از مدل استاندارد ببرد؟
ده سال پیش، دانشمندان خبر کشف بوزون هیگز را اعلام کردند. بوزون هیگز که ذره خدا نیز نامیده می‌شود، به توضیح علت این مسئله کمک می‌کند که چرا ذرات بنیادی (کوچک‌ترین اجزای سازنده طبیعت) جرم دارند. برای دانشمندان فیزیک ذرات، این پایان سفری دشوار بود که چند دهه طول کشیده بود و مسلماً بهترین نتیجه در تاریخ این رشته بود؛ اما این پایان همچنین آغاز عصر جدیدی از فیزیک تجربی بود.
در دهه گذشته، اندازه‌گیری‌های ویژگی‌های بوزون هیگز، پیش‌‌بینی‌های مدل استاندارد فیزیک ذرات (بهترین تئوری که درزمینه‌ی ذرات وجود دارد) را تأیید کرد. اما همچنین سؤالاتی درمورد محدودیت‌های این مدل ایجاد کرده است؛ مانند این که آیا نظریه بنیادی‌تری از طبیعت وجود دارد؟
پیتر هیگز فیزیکدان، بوزون هیگز را در مجموعه مقالاتی که بین سال‌های ۱۹۶۴ تا ۱۹۶۶ منتشر شد، به‌عنوان پیامد اجتناب‌ناپذیری از مکانیسم مسئول ایجاد جرم در ذرات بنیادی، پیش‌بینی کرد. طبق این نظریه، جرم ذرات نتیجه‌ی برهم‌کنش‌های ذرات بنیادی با میدانی است که میدان هیگز نامیده می‌شود. طبق همین مدل، چنین میدانی باید همچنین موجب ایجاد ذره هیگز شود، یعنی اگر بوزون هیگز در آنجا وجود نداشته باشد، درنهایت کل نظریه رد می‌شود.
اما طولی نکشید که مشخص شد کشف این ذره چالش‌برانگیز است. وقتی سه فیزیکدان نظری خواص بوزون هیگز را تعیین کردند، مقاله خود را همراه با عذرخواهی به پایان رساندند: «از دانشمندان تجربه‌گرا عذرخواهی می‌کنیم که نمی‌دانیم جرم بوزون هیگز چقدر است و از اینکه که درمورد جفت‌شدن آن با ذرات دیگر مطمئن نیستیم. به این دلایل، از انجام جستجوهای آزمایشی بزرگ برای بوزون هیگز حمایت نمی‌کنیم.»
تا سال ۱۹۸۹ طول کشید تا اولین آزمایش با شانس جدی برای کشف بوزون هیگز شروع شد. ایده این بود که ذرات با چنان انرژی بالایی به هم کوبیده شوند که در تونل ۲۷ کیلومتری سرن (سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای) در سوئیس، ذره هیگز بتواند تولید شود. برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC)، بزرگ‌ترین برخورددهنده الکترون‌پوزیترون ساخته‌شده تاکنون است (پوزیترون تقریباً مشابه الکترون است اما بار مخالف دارد). این آزمایش ۱۱ سال ادامه داشت، اما معلوم شد حداکثر انرژی آن، خیلی کمتر از چیزی است که بتواند بوزون هیگز را تولید کند.
در‌همین‌حین، بلندپروازترین برخورددهنده‌ی آمریکایی در تاریخ، یعنی تواترون، شروع به جمع‌آوری داده‌ها در آزمایشگاه ملی فِرمی نزدیک شیکاگو کرده بود.
تواترون، پروتون‌ها (که همراه با نوترون‌ها هسته اتم را تشکیل می‌دهند) و پادپروتون‌ها (تقریباً مشابه پروتون اما با بار مخالف) را با پنج برابر انرژی به‌دست‌آمده در ژنو برخورد داد که مطمئناً برای ساخت هیگز کافی بود. اما درنتیجه‌ی برخوردهای بین پروتون و پادپروتون، ضایعات زیادی تولید می‌شود و این امر استخراج سیگنال از داده‌ها را بسیار دشوار می‌کند. در سال ۲۰۱۱، تواترون فعالیت‌های خود را متوقف کرد و دانشمندان دوباره نتوانستند بوزون هیگز را شناسایی کنند.
در سال ۲۰۱۰، LHC برخورددادن پروتون‌ها را با انرژی هفت برابر تواترون شروع کرد. سرانجام در ۴ ژوئیه ۲۰۱۲، دو آزمایش مستقل در سرن هرکدام داده‌های کافی را برای اعلام کشف بوزون هیگز جمع‌آوری کردند. سال بعد، هیگز و همکارش فرانسوا انگلرت «برای کشف نظری مکانیسمی که به درک منشأ جرم ذرات زیراتمی کمک می‌کند»، برنده جایزه نوبل شدند.
اما بدون کشف بوزون هیگز، کل چارچوب نظری توصیف‌کننده فیزیک در کوچک‌ترین مقیاس‌هایش، فرو می‌ریخت. اگر ذرات بنیادی بدون جرم باشند، نه اتم، نه انسان، نه منظومه شمسی و هیچ ساختاری در طبیعت وجود نخواهد داشت.
با‌این‌حال، این کشف سؤالات اساسی جدیدی را ایجاد کرد. آزمایش‌ها در سرن برای کاوش بوزون هیگز ادامه پیدا کرد. خواص آن نه‌تنها جرم ذرات بنیادی را تعیین می‌کرد، بلکه همچنین میزان پایداری آن‌ها را نیز مشخص می‌کرد.
- یک هیگز عجیب می‌تواند عامل غیب شدن پادماده جهان باشد
- ۱۰ راز کیهانی که برخورددهنده هادرونی بزرگ می‌تواند آشکار کند
- کشف پادماده؛ سرنخی برای آغاز جهان
نتایج کنونی نشان می‌دهد جهان ما در وضعیت کاملاً پایداری قرار ندارد. درعوض، مانند یخی که در نقطه ذوب قرار دارد، می‌تواند به‌طور ناگهانی دچار تغییر فاز سریعی شود. اما این تغییر فاز مستلزم تغییر جرم و قوانین طبیعت در جهان است. این واقعیت که با وجود این مسئله، جهان پایدار به‌نظر می‌رسد، نشان می‌دهد که ممکن است چیزی را در محاسبات از قلم انداخته باشیم.
پس از سه سال وقفه برای تعمیر و ارتقا، برخوردها اکنون در LHC با انرژی تقریباً دو برابر آنچه برای شناسایی بوزون هیگز استفاده شد، از سر گرفته شده است. این آزمایش‌ها می‌تواند به یافتن ذرات گمشده‌ای کمک کند که جهان ما را از لبه چاقومانند میان پایداری و انتقال سریع فاز دور می‌کند و همچنین می‌تواند به سوالات دیگری نیز پاسخ دهد: آیا ویژگی‌های خاص بوزون هیگز آن را به دروازه‌ای برای کشف ماده تاریک (ماده نامرئی که بیشتر ماده جهان را تشکیل می‌دهد)، تبدیل می‌کند؟
ماده تاریک بار ندارد و بوزون هیگز روش منحصر‌به‌فردی برای برهم‌کنش با ماده‌ی بدون بار دارد. همین ویژگی منحصر‌به‌فرد موجب شده است فیزیکدانان این سؤال را مطرح کنند که آیا بوزون هیگز ممکن است اصلاً یک ذره بنیادی نباشد؟ آیا نیروی ناشناخته جدیدی فراتر از سایر نیروهای طبیعت (گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای ضعیف و قوی) وجود دارد؟ شاید نیروی ناشناخته‌ای وجود داشته باشد که ذرات ناشناخته را به جسم مرکبی که ما آن را بوزون هیگز می‌نامیم، متصل کند؟
چنین نظریه‌هایی ممکن است به توضیح نتایج بحث‌برانگیز اندازه‌گیری‌های اخیر کمک کنند که نشان می‌دهند برخی از ذرات طبق مدل استاندارد رفتار نمی‌کنند. بنابراین، مطالعه بوزون هیگز برای بررسی اینکه آیا می‌توان فیزیک فراتر از مدل استاندارد را کشف کرد، حیاتی است.
درنهایت، LHC با همان مشکل تواترون مواجه خواهد شد. برخورد پروتون‌ها نامنظم است و انرژی برخوردهای آن، محدود است. حتی اگر زرادخانه‌ی کاملی از فیزیک ذرات مدرن را دراختیار داشته باشیم (ازجمله آشکارسازهای پیچیده، روش‌های تشخیص پیشرفته و یادگیری ماشین)، محدودیتی برای آنچه LHC می‌تواند به آن دست پیدا کند، وجود دارد.
برخورددهنده دارای انرژی بسیار بالایی که به‌طورخاص برای تولید بوزون هیگز تولید شود، ما را قادر می‌سازد تا با دقت مهم‌ترین ویژگی‌های آن را ازجمله نحوه‌ی برهم‌کنش بوزون هیگز با بوزون هیگز‌های دیگر را تعیین کنیم. این امر به‌نوبه‌ی‌خود نحوه برهم‌کنش‌های بوزون هیگز با میدان خودش را نیز مشخص خواهد کرد. بنابراین، مطالعه این برهم‌کنش می‌تواند به ما کمک کند تا فرایند زیربنایی را که به ذرات جرم می‌دهد، کاوش کنیم.
هرگونه اختلاف بین پیش‌بینی نظری و اندازه‌گیری‌هایی که در آینده انجام می‌شود، نشانه واضحی از این مسئله است که باید فیزیک جدیدی اختراع کنیم. این اندازه‌گیری‌ها تأثیر عمیقی خواهد داشت که بسیار فراتر از فیزیک برخورددهنده است و بر درک ما از منشأ ماده تاریک، تولد جهان و شاید سرنوشت آن، تأثیر می‌گذارند.
