بوزون هیگزچیست؟

مرکز تحقیقات هسته‌یی اروپا (سرن) روز چهارشنبه طی مراسمی که به طور همزمان در مقر سرن در ژنو و کنفرانس بین‌المللی فیزیک انرژی‌های بالا در ملبورن استرالیا برگزار شد، یافته‌های اخیر محققان آزمایش‌گرهای CMS ، «اطلس»و شتابگر بزرگ هادرونی را اعلام کرد که حاکی از مشاهده شواهدی قوی بر وجود ذره هیگز است....

ذره هیگز چیست؟  ذره هیگز آخرین جزء کشف نشده از مدل استاندارد ذرات بنیادی است که بنابر پیش‌بینی مدل، مسوول جرم دادن به دیگر ذرات این مدل است و در واقع از دید فیزیکدانان ذرات، جرم دار بودن اجسامی که در طبیعت یافت می‌شوند به دلیل حضور ذره هیگز است که در نظریه پیش‌بینی شده است.

مدل استاندارد ذرات بنیادی

مدل استاندارد ذرات بنیادی، بر هم کنش‌های هسته‌یی قوی و ضعیف و الکترومغناطیسی را در تصویری یکپارچه توصیف می‌کند. این مدل حاوی سه دسته ذرات لپتون (مانند الکترون)، کوارک (ذرات تشکیل دهنده پروتون و نوترون) و حاملین نیروها (مثل فوتون) است. در این مدل همه ذرات در ابتدا بدون جرم هستند و با شکست تقارن خود به خودی تحت تاثیر میدان ذره ای دیگر به نام «هیگز» دارای جرم می‌شوند.

این سوال پیش می آید که چرا سرن با وجود آزمایش‌ها و بررسی‌های چند ماه اخیر خود در جست‌وجوی ذره بوزون هیگز حاضر به اعلام رسمی «کشف» این ذره نشد؟
با توجه به ادعای چند ماه قبل سرن در زمینه مشاهده شواهدی مبنی بر سرعت بیشتر نوترینوها نسبت به نور که آزمایش‌های بیشتر بطلان آن را ثابت کرد، واین موضوع باعث شد محققان سرن در مشاهدات اخیر در خصوص ذره هیگز احتیاط بیشتری را به خرج دهند.

مدل استاندارد تاکنون نتایج آزمایش های ذرات در انرژی‌های بالا را به خوبی توضیح داده و وجود ذراتی همچون بوزون‌هایی Z و W (حاملان نیروی ضعیف) را پیش‌بینی کرده که بعدها در آزمایش دیده شدند، تشکیل ذره هیگز که تا پیش از این در آزمایش دیده نشده بود انرژی زیادی لازم دارد. همین امر انگیزه اصلی برای شکل گیری شتاب دهنده‌هایی با انرژی بالا همچون برخورد دهنده بزرگ هادرونی بوده است.

سرن در جست‌وجوی هیگز

سرن که به عنوان مرکز تحقیقات فیزیک ذرات اتحادیه اروپا سابقه‌ای بیش از 50 سال در پیشبرد علم فیزیک خصوصا فیزیک ذرات بنیادی دارد به ساخت شتاب دهنده عظیمی به نام LHC (شتاب دهنده بزرگ هادرونی) اقدام کرده که از مهم‌ترین اهداف آن کشف ذره هیگز است. شتاب دهنده LHC در تونلی به محیط 27 کیلومتر در عمق 100 متری سطح زمین در ناحیه مرزی مشترک بین سوئیس و فرانسه ساخته شده است.
هدف این ماشین شتاب دادن پرتوهای پروتونی تا حد انرژی هفت ترا الکترون ولت است. به عبارت دیگر قرار است شتاب دهنده LHC برخوردهای پروتون ـ پروتون با انرژی مرکز جرم 14 ترا الکترون ولت را تولید کند. پرتوهای پر انرژی در درون تونل LHC در دو جهت مختلف حرکت می‌کنند تا در نهایت در چهار نقطه از تونل که محل قرار گیری آشکارسازهای LHCb، اطلس، آلیس و CMS است با هم برخورد می‌کنند. در حال حاضر انرژی هر پرتو به ۴ ترا الکترون ولت رسیده است.

نتایج اخیر «سرن»، «مشاهده شواهد» یا «کشف»؟

آنچه در کنفرانس مطبوعاتی روز چهارشنبه سرن اعلام شده، مشاهده شواهدی بر وجود ذره هیگز است، آنچه دیده شده تعدادی رویداد اضافه است که وجود ذره هیگز می‌تواند کاندیدای خوبی برای توجیه این مشاهده باشد. در واقع این توجیه تنها با فرض وجود ذره هیگز با جرم 125 گیگا الکترون ولت سازگار است. البته درجه اعتبار این ادعا به حدی نرسیده که بدان «کشف» اطلاق کنیم. لازم به یادآوری است که نتیجه به دست آمده بسیار محکم است و فاصله ناچیزی با اعلام آن به عنوان کشف دارد
فیزیکدان ها در بیان مسایل علمی بسیار محتاطانه عمل می‌کنند. مثلا برای ادعای یک کشف نیاز دارند تا رویدادهای اضافه زیاد و تقریبا قابل توجهی را در مقابل دانش معلوم و شناخته شده که تاکنون به دست آمده مشاهده کنند. درجه اهمیت این مشاهده با استفاده از کمیتی به نام انحرا ف معیار ( استاندارد) (سیگما) سنجیده می‌شود که بنابر قرارداد، زمانی کشف صورت می‌گیرد که انحراف استاندارد نتیجه‌ مشاهده شده به اندازه 5 باشد.
نتایج موجود در آزمایش CMS گزارش می‌کند که سیگنال هیگز را با درجه اعتبار تقریبا چهارو نه دهم سیگما مشاهده کرده که مطمئنا درستی این گزارش چیزی بیشتر از یک مشاهده ساده است. البته در پایان سال گذشته میلادی هم شواهدی بر حضور ذره هیگز ارائه شده بود که نتایج اخیر آنها را تایید و تقویت می‌کند.

اگر هیگز پیدا نشود ...
در صورت عدم مشاهده ذره هیگز، توصیف ما درباره نحوه جرم دار شدن اجسام کامل نخواهد بود و نیاز به نظریه‌های دیگری خواهیم داشت تا جرم دار شدن اجسام را توصیف کند.