فیزیک؛ سلوک در ژرفای گیتی

اگر هیگز بوزون کشف شود، احتمالاً یکی از گسترده‌ترین فتوحات خرد انسانی در حافظه اخیر تاریخی‌مان رقم خورده است، چراکه توجیهی برای ارائه یکی از بزرگ‌ترین نظریات دنیای علم و همچنین احداث پیچیده‌ترین ماشین تولیدشده به‌دست بشر است. پس خبر خیلی خوبی است. اما اگر هیگز بوزون همه آن چیزی باشد که در "ابرتصادم‌گر هادرونی" (LHC) پیدا شود، آن‌وقت هنوز چیزهای زیادی برای یافتن باقی است. رهنمود عملی و تعیین‌کننده‌ای که فیزیکدانان برای فهم پرسش‌های اساسی‌مان راجع به هستی- اعم از اینکه آیا چهار نیروی بنیادین طبیعت را می‌توان به‌طریقی برای توجیه علت مهبانگ (یا همان Big Bang) با هم متحد کرد- هنوز در هاله‌ای از ابهام است. پاسخ بدین پرسش‌ها را شاید اصلاً بایستی در آن‌سوی امکانات فناورانه و مالی نسل انسان‌های کنونی یافت.

 

اگر معلوم شود که ایده‌های‌مان راجع به ذره هیگز بوزون، درست و بی‌نقص بوده، آن‌وقت هرآنچه در جهان‌ می‌بینیم، همانند یک ویترین پر زرق و برق و مستقر بر بافتی از حقیقت است که ما نبایستی به طور مستقیم در آن وجود داشته باشیم. ذراتی که ما را ساخته- تا پس از پیوستن به‌ یکدیگر، ذراتی همچون پروتون‌ها، نوترون‌ها، هسته‌های اتمی و در نهایت اتم‌ها را به وجود آورند- همگی صاحب جرم هستند. در فقدان ذره هیگز، این ذرات هم مثل فوتون‌ها (که ذرات سازنده نور باشند) فاقد جرم می‌شوند.

 

ما بر اساس تجربیات شخصی‌مان، از وزن اشیاء در نسبت با محیطی که در آن واقع شده‌اند، اطلاع داریم. مثلاً اشیائی که روی زمین سنگین‌اند، در آب سبک‌تر می‌شوند و به‌همین نحو، اگر قاشقی را درون عسل بگردانید، انگاری سنگین‌تر از زمانی شده که آن را در هوا می‌چرخانده‌اید. طبق مدل استاندارد ذرات بنیادی، یک "میدان هیگز"ی وجود دارد که در سرتاسر فضا ریشه دوانده است. این میدان، در سطوح مختلفی با ذرات واکنش نشان می‌دهد. آن ذره‌هایی که بیشتر واکنش می‌دهند، مقاومت بیشتری هم نسبت به حرکت از خود نشان می‌دهند و سنگین‌تر به‌نظر می‌رسند. آن‌هایی هم که مثل فوتون‌ها اصلاً واکنشی به این میدان نشان نمی‌دهند، اصلاً فاقد جرم می‌مانند. پس بدین‌ترتیب جرم هر چیزی با وجود این میدان معنا می‌یابد و جرم، انعکاسی از اوضاع پیرامونی ماست، چراکه ما در جهانی به سر می‌بریم که میدان هیگز، خود از آن نشئت گرفته است.

دیگر اما چه نیازی به "ذره" هیگز بوزون است؟ نظریه نسبیت خاص به ما گفته که هیچ اطلاعاتی نمی‌تواند سریع‌تر از نور جابه‌جا شود. اگر این فرض را در چارچوب مکانیک کوانتومی تفسیر کنیم، آن‌وفت همه نیروهایی که ما گمان می‌کنیم از یک میدان سرچشمه گرفته‌اند (همچون گرانش و الکترومغناطیس)، در واقع از طریق مبادله ذرات زیراتمی انتقال پیدا کرده‌اند. انتقال این ذرات هم کمی مثل بازی دستش دِه است: اگر من توپی را بیاندازم و شما بگیریدش، در واقع من با پرتاب توپ اندکی به پشت خم شده بودم و شما هم با مهار آن اندکی به پشت خم می‌شوید. پس مثل این می‌ماند که هر دوی‌مان خود را دفع کرده‌ایم. با این‌حساب اگر میدان هیگز وجود داشته باشد، حتماً ذره‌ای مربوط به چنین میدانی هم وجود دارد و این، همان ذره هیگز بوزون است. البته این چیزی شبیه به یک خیال‌پردازی است و چندان با تصور فرشته‌‌‌هایی که روی سر یک سوزن نشسته‌اند، فرقی نمی‌کند، اما چه چیزی فیزیکدانان را به ارائه چنین فرضیه‌ای واداشته است؟

یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای فیزیکی پنجاه سال گذشته، یگانه‌سازی دو نیروی طبیعت بود: الکترومغناطیس و نیروی ضعیف هسته‌ای. در نظریه "الکتروضعیف"، نیروی الکترومغناطیس از طریق مبادله دوربرد فوتون‌های فاقد جرم انتقال پیدا می‌کند، و نیروی کوتاه‌برد ضعیف هسته‌ای هم محصول مبادله ذرات به نسبت سنگینی موسوم به W و Z بوزون‌هاست. این ذرات در دهه ۶۰ میلادی پیش‌بینی و در دهه ۸۰ هم در مرکز تحقیقات هسته‌ای اروپا (CERN)، که هم‌اکنون میزبان LHC است، پیدا شدند. برای اینکه این یگانگی نظری، از حیث ریاضیاتی هم مورد قبول واقع شود، تمامی این سه ذره بایستی فاقد جرم باشند و لذا نیروهایی هم را که سبب آن می‌شوند، ویژگی‌های تقریباً یکسانی ببخشند. تنها در صورتی‌که W و Zبوزون‌ها در واکنش با یک میدان پس‌زمینه- که همان میدان هیگز باشد- صاحب جرم شوند، از حیث نظری می‌توان دلیل اختلاف‌های ظاهری این دو نیرو را، دست‌کم در مقیاس‌هایی که ما هم‌اکنون توان اندازه‌گیری‌شان را داریم، در عین شباهت ریاضیاتی‌شان توجیه کرد.

 

بر اساس نظریات فعلی، جرم ذره هیگز بایستی در حدود یکصد برابر جرم پروتون باشد، هرچند که مقدار دقیق آن مشخص نیست. طی بالغ بر ۲۵ سالی که از کشف W و Z بوزون‌ها می‌گذرد، فیزیکدانان تجربی در تلاش برای راه‌اندازی شتاب‌دهنده‌هایی برآمده بودند که انرژی کافی برای تولید یک ذره هیگز را (در صورت وجود)، داشته باشد. شتاب‌دهنده "تواترون" در آزمایشگاه فرمی‌لب آمریکا، توان تولید ذره‌هایی با جرم حداکثر ۱۲۰ برابر پروتون را داشت (که می‌شود در حدود ۱۲۰ گیگاالکترون‌ولت)، اما موفق به شکار هیگز بوزون نشد. شتاب‌دهنده LHC، با هدف کنکاش در محدوه‌های جرمی ِ فراتر از این ساخته شد. اگر جرم ذره هیگز، طبق شایعات کنونی، در حدود ۱۲۵ گیگالکترون‌ولت باشد، آن‌وقت این ذره به خرمهره درک فعلی‌مان، هم از نظریه وحدت‌یافته الکتروضعیف و هم از خاستگاه ما و تقریباً تمام جرمی خواهد شد که در این جهان قادر به محاسبه‌اش هستیم.

 

البته تمام ماجرا هم اینگونه گل و بلبل نیست. مدل استاندارد، هیچگونه توضیحی راجع به ماهیت جرم ذره هیگز و W و Z بوزون‌ها نمی‌دهد. در واقع برخی بر این عقیده‌اند که برای توضیح اینکه چرا عوامل کوانتومکانیکی، مانع از این می‌شوند که جرم ذرات مزبور از این مقدار بیشتر باشد، به نظریات سراسر جدیدی نیاز است. یکی از هیجان‌انگیزترین روش‌هایی که با کمکش می‌توان دست به محک چنین محدودیت‌هایی زد، نظریه "ابرتقارن" است. اگر ابرتقارن راست باشد، جمعیت ذرات بنیادی دوبرابر خواهد شد، و ما نه فقط به یک ذره هیگز که به دوتایش نیازمندیم. این درست همان چیزی است که خیلی از فیزیکدانان انتظار کشف آن را می‌کشند. شایعاتی که از CERN درز کرده، نشان از وجود ذره‌ای با جرم حدوداً ۱۴۰ گیگاالکترون‌ولت هم می‌دهد.

 

از آنجایی‌که ابرتقارن، جزو لاینفک مدل‌های به مراتب بحث‌برانگیزتر نظریه ریسمان به شمار می‌رود که خود نظریه‌ای برای یگانگی گرانش و مکانیک کوانتومی‌ست، هنوز دلایلی هست که برخی نظریه‌پردازان امیدشان را به کشف دو ذره هیگز، و یا حتی ذرات پیش‌بینی‌نشده بیشتر از دست ندهند. اگر فقط یک ذره هیگز درLHC پیدا شود، آن‌وقت اوضاع به‌هم می‌ریزد و این احتمالاً بدترین امکانی است که ما نظریه‌پردازان توان تصورش را داریم. ما به‌همان نحوی به اطلاع‌تان رسانده‌اند، منشأ جرم جهان را به‌زودی پیدا خواهیم کرد، اما رهنمود تجربی جدیدی در اختیارمان نیست تا قدم بعدی را به پیش برداریم.