بوزون هیگز چیست؟ (بخش نخست)

---

نویسنده: محمد علیزاده

1- جهان پیش از کشف بوزون هیگز

بیش از یک سال از کشف ذره‌ای کوچک و خُرد، اما بسیار مهم و تعیین‌کننده گذشته است. ذره‌ای که برای دنیای فیزیک و دانشمندان آن بسیار مهم بوده است. همه از کشف آن خبردار شدند و همه می‌دانند که در آزمایشگاهی به نام "سرن" این ذره کشف شده است. یک آزمایشگاه بسیار بزرگ که به انداز‌ه‌ی تهران خودمان است. حالا این ذره چیست؟ چرا اهمیت دارد؟ و اصلا چرا به آن می‌گویند ذر‌ه‌ی خدا؟
در این نوشتار و به زبان ساده، به همین موضوع خواهم پرداخت. اگر به شیمی علاقه‌مندید یا به زیست‌شناسی و یا روان‌شناسی، این نوشته برای شماست، زیرا شما به دانش علاقه‌مندید.

ذر‌ه‌ی خدا چیست؟
به کوچکترین ذراتِ تشکیل دهند‌ه‌ی جهان ذرات بنیادی می‌گویند که نخستین ساختارهای به وجودآورنده و واحدهای اساسی برای ساخته شدن جهان هستند. اما بوزون هیگز که به ذرّه‌ی خدا معروف است، یک ذره‌ی بنیادین اولیه‌ی فرضی است که دارای جرم است و وجود آن در "مدل استاندارد ذرات" پیش‌بینی شده بود. این ذره به نام پیتر وِر هیگز،  استاد بازنشسته‌ی فیزیک دانشگاه ادینبورو و برنده‌ی جایزه نوبل نام‌گذاری شده است. او ارائه دهند‌ی نظریه‌ی شکست متقارن در برهم‌کنش الکتروضعیف و پیشنهاد دهند‌ه‌ی ذر‌ه‌ی بنیادین بوزون هیگز یا ذره خدا  در سال 1964 است. اما دلیل نام‌گذاری ذر‌ه‌ی خدا این است که دانشمندی به نام لیون ماکس لدرمن  که در سال 1988، جایزه نوبل فیزیک را هم دریافت کرد، پیرامون مدل استاندارد و ذرات و نیز بوزون، کتابی نوشت با نام، "ذره خدا: اگر پاسخ کیهان باشد، آن‌گاه پرسش چیست؟"  که پس از آن، این ذره به نام ذر‌ه‌ی خدا معروف شد.
  
دانشمندان می‌دانستند که چهار نیروی بنیادین شناخته شده در جهان عبارتند از: نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی، نیروی الکترومغناطیس و نیروی گرانش. در فیزیک ذرات، برهم‌کنش الکتروضعیف  ‏ یک فرضیه‌ی وحدت‌سازیِ میدان است که دو نیرو از چهار نیروی بنیادین طبیعت، یعنی نیروی الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف را یکسان می‌سازد. این موضوع در قالب فرضیه‌ی الکتروضعیف  توسط شلدون گلاشو  فیزیکدان امریکایی در سال 1960 فرمول‌بندی شد. در سال ۱۹۷۹ هم به همراه عبدالسلام، فیزیکدان پاکستانی و استیون واینبرگ  فیزیکدان هسته‌ای امریکایی که جداگانه به همان نتایج رسیده بودند، جایزه نوبل فیزیک را به خاطر گسترش رابطه‌ی الکتروضعیف بین نیروی الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف دریافت کرد. با این وجود بدون وجود ذره‌ای که هنوز شناخته شده نبود، مدل استاندارد، گرانش را نمی‌توانست توضیح دهد.
 

مدل استاندارد ذرات بنیادی

مدل استاندارد، دسته‌بندی ویژه‌ای برای شرح و توصیف ذرات بنیادی است. بر اساس مدل استاندارد ذرات بنیادی،  ذرات بر اساس جرم در حال سکونشان به باریون‌ها (ذرات سنگین)، لپتون‌ها (ذرات سبک) و مزون‌ها (ذرات میان وزن) طبقه‌بندی می‌شوند. در ادامه، بیشتر در مورد مدل استاندارد خواهم گفت.

پروفسور پیتر هیگز، پیشنهاد دهنده‌ی ذره‌ی بنیادین بوزون هیگز

توضیح نظریه‌ها:
تا پیش از سد‌ه‌ی بیستم، دیدگاه فیزیک در مورد جهان بسیار ناقص بود. در آغاز سد‌ه‌ی بیستم، نخست آلبرت انشتین در سال ۱۹۰۵، نظریه‌ی نسبیت خاص را مطرح کرد که تنها در محدود‌ه‌ی دستگاه‌های لَخت به کار گرفته شد و در سال ۱۹۱۵، نسبیت عام را برای دستگاه‌های شتابدار پیشنهاد داد.
نظریه‌ی مکانیک کوانتوم اندکی پیش از نسبیت و در آغاز سده مطرح شد، اما روند تکاملی آن از دهه‌ی 1920 شتاب گرفت. اشکالی که وجود داشت این بود که نظریه‌ی نسبیت پیرامون اندازه‌های سترگ و بسیار بزرگ جرم، در ابعاد ستارگان و کهکشان‌ها، گرانش را به خوبی توضیح می‌‌داد و در مورد ذرات بسیار ناتوان بود. نظریه‌های کوانتومی هم سه تا از نیروها را به خوبی توضیح می‌دهد، اما در مورد توضیح گرانش، ناتوان می‌ماند. همچنین مکانیک کوانتوم، فیزیک دنیای ذرات و بسیار کوچک‌هاست. مکانیک کوانتومی در توضیح ذرات در سطوح بسیار بسیار خُرد، بسیار موفق بوده است. ایراد کار آن جا بود که هیچ کدام نمی‌توانستند در مورد پدیده‌های حوز‌ه‌ی آن یکی، توضیحی ارائه کنند. فیزیکدان پل دیراک  توانست نسبیت خاص، یعنی در باز‌ه‌ی دستگاه‌های لخت را با نظریه‌های فیزیکی کوانتوم تا حدودی پیوند دهد، اما در مورد نسبیت عام هنوز امکان‌پذیر نشده بود.

اشکالات نظریه
تا پیش از سد‌ه‌ی بیستم، قوانین آیزاک نیوتون بر جهان سروری می‌کرد. اما اندک اندک اشکالاتی در آن پیش آمد. مثلا در قانون دوم نیوتن، حدی برای سرعت وجود ندارد و یک جسم می‌تواند با نیرویی که به آن وارد می‌شود، تا بی‌نهایت سرعت بگیرد. مشکل دیگر پیرامون گرانش بود. نیوتن گفته بود که اثر نیروی گرانش با سرعت نامتناهی منتقل می‌شود که چندان پذیرفتنی نمی‌نماید. یکی از مهمترین مشکلاتی که خود نیوتن هم آن را دریافته بود، این بود که بر اساس قانون جهانی گرانش او، ستارگان باید به سوی هم‌دیگر کشیده شده و در نتیجه یا باید سرانجام همه‌ی ستارگان جهان به سوی یکدیگر کشیده شوند و یا باید تعداد نامحدودی ستاره و به صورت پراکنده وجود داشته باشد، نقطه‌ی مرکزی‌ای هم وجود نداشته باشد تا جهانِ نیوتون بتواند سرپا مانده و در هم فرو نریزد. اما در این صورت هم شدت نیروی گرانش بر اجسام بی‌نهایت خواهد شد که این هم امکان‌پذیر نیست. همچنین اگر یک جسم بتواند به صورت نامحدود، دیگر اجسام را برباید و رشد کند، یعنی جرم یک جسم می‌تواند تا بی‌نهایت افزایش یابد که این هم امکان ندارد. یک ستاره تنها می‌تواند تا اندازه‌هایی رشد کند.
اما مهمترین اشکال قوانین نیوتن این است که جهان او "مطلق" است و در یک چارچوبِ مرجعِ مطلق قرار یافته که حرکت همه‌ی اجسام نسبت به آن سنجیده می‌شود. جهان نیوتن را چیزی به نام "اتر" فرا گرفته که همه چیز در آن در حال حرکت است.

ادامه دارد...

---