■ ذره‌ی بوزون هیگز ، مهم‌ترین رویداد حوزه‌ی دانش در هفته‌ای که گذشت بخش عمومی

نیم قرن تلاش دانشمندان برای یافتن مهم‌ترین ذره‌ی بنیادیِ گیتی در عمل به نتیجه رسید و دستاوردهایی که در کنفرانس صبح چهارشنبه در سرن منتشر شد، وجود ذره‌ای همانند هیگز را در محدوده‌ی انرژی 125 تا 126 گیگاالکترون‌ولت اثبات کرد.

آن‌گونه که پوریا ناظمی گزارش کرده، ساعت 9 صبح چهارشنبه، 4 جولای 2012 به وقت مرکز اروپا، ژنو میزبان سمیناری بود که به‌گونه‌ای اضطراری تشکیل می‌شد. تنها یک هفته از بررسی داده‌های گوناگونی که شتاب‌دهنده‌ی «برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی» یا LHC در سال 2012 گردآورده بود، می‌گذشت که
سرن، نشستی ویژه را برای اعلام دستاوردهای آن آزمایش و پردازش داده‌های به‌دست‌آمده برگزار کرد.

در حضور خبرنگاران و چهار فیزیک‌دانِ برجسته‌ای که نظریه‌ی میدان هیگز را 50 سال پیش مدل‌سازی کرده بوند، سخنگویان دو آشکارساز اطلس و سی.ام.اس این شتاب‌دهنده سرانجام نتیجه‌ی شکار این ذره‌ی گریزپا را اعلام کردند؛ تلاشی که برای به ثمر رسیدنِ آن، نیم قرن تلاش شده بود و به ساخت بزرگ‌ترین و یکی از گران‌ترین آزمایشگاه‌های
تاریخ بشر انجامیده بود. اینک پاسخ یکی از پرسش‌های مهم و بنیادین بشر درباره‌ی چیستی جهان و گیتی مشخص شده است: بوزون هیگز زمینه‌ساز پدید آمدن جرم در جهانِ ماست.
پاییز گذشته، مدیرانِ دو آشکارساز اطلس و سی.اس.ام در ژنو در برابر خبرنگاران حضور یافتند تا تازه‌ترین دستاوردهای پردازش و تفسیر داده‌های به‌دست‌آمده در این دو آزمایش را با مردم به اشتراک بگذارند. نتایجی که آن‌ها اعلام کردند، نه آن‌قدر‌ها که برخی می‌پنداشتند، هیجان‌انگیز بود و نه چندان ناامیدکننده. در هر دو آزمایش نشانه‌هایی پیدا شده بود که می‌شد به بوزون هیگز نسبت
داد؛ اما قطعیتِ آزمایش‌ها به اندازه‌ای نبود که بتوان آن را «کشف» خواند. به همین دلیل، قرار شد که امسال بر پایه‌ی آزمایش‌هایی تازه، نتایج دقیق‌تری منتشر کنند.

نخستین گزارش از نتایج تحلیل داده‌های مربوط به آزمایش‌های سال 2012، در ساعت 9 صبح چهارشنبه، 4 جولای به وقت مرکز اروپا (ساعت 11:30 چهاردهم تیر به وقت ایران) در مقر شتاب‌دهنده‌ی بین‌المللی ذرات سرن اعلام شد.

ـ بوزون هیگز چیست؟

بر پایه‌ی مدل‌هایی که تکامل عالم را بررسی می‌کند، می‌دانیم که در آغاز شکل‌گیریِ جهان، ذرات جرم نداشتند. اما در دوره‌ای به‌نسبت کوتاه، هر یک از ذرات جرم مشخصی به دست آوردند و این جرم ذرات بود که روند بعدیِ تکامل عالم را مشخص کرد. برخی از ذرات مانند فوتون‌ها که ذراتِ تشکیل‌دهنده‌ی نور هستند، بدون جرم ماندند و توانستند بدون محدودیت در گیتی سفر کنند؛ برخی دیگر اما، جرم پیدا کردند و رفتارشان تغییر کرد. پرسش مهمی که در جهانِ فیزیک مطرح است، این است که چه چیزی باعث
شد تا ذراتِ عالم جرم‌دار شوند؟
برای این که اهمیت این داستان را بهتر درک کنیم، کافی‌ست نگاهی به جهانِ پیرامونمان بیندازیم: جهانی که ما را دربرگرفته، از مواد گوناگونیی ساخته شده است. من و شما و هر آنچه می‌بینیم، هر یک از ترکیبات و مواد گوناگونی تشکیل شده‌اند؛ اما اگر اندکی دقیق‌تر نگاه کنیم، می‌بینیم که همه‌ی این مواد تبدیل‌پذیر به شمار محدودتری از ذراتِ تشکیل‌دهنده هستند. برای مثال، همه‌ی اشیا از مولکول‌هایی تشکیل شده‌اند.
گونه‌گونی و شمار این مولکول‌ها بسیار فراوان است؛ اما هر ترکییی که داشته باشند، به‌طور قطع از
عناصر محدودی شکل گرفته‌اند که آن‌ها را در طبیعت می‌شناسیم. همه‌ی این عناصر به نوبه‌ی خود، از ذراتِ بنیادی‌تری به نام الکترون، نوترون‌ و پروتون ساخته شده‌اند و ویژگی‌های گوناگونِ هر یک از آن‌ها به این برمی‌گردد که چه ترکیبی از این سه ذره در کنار هم قرار گرفته باشند.
برخی از این ذرات، به نوبه‌ی خود از ذرات بنیادی‌تری شکل گرفته‌اند. بررسی این ذراتِ بنیادی می‌تواند ما را در درک جهانِ پیرامونمان یاری کند. بررسی ترکیب این ذرات که آن‌ها را «ذرات زیراتمی» می‌نامند، کمک می‌کند تا دریابیم چه قوانینی بر جهان ما حکمفرماست. اهمیت
این جهانِ بسیار کوچک‌مقیاس و همچنین بسیار مهم، باعث شده تا گروهی از دانشمندان همه‌ی تمرکز و هم‌وغم خود را روی رازگشایی این جهانِ شگفت و توصیفِ آن با کمک نظریه‌ی ذرات بنیادی بگذارند.
نظریه‌ی ذرات بنیادی همچون هر نظریه‌ی دیگری در جهان دانش، بر پایه‌ی «مشاهده»‌ها شکل می‌گیرد، پدیده‌ها را پیش‌بینی می‌کند و در برابر آزمایش‌های تازه محک می‌خورد و اگر از آن سربلند بیرون آید، مستحکم‌تر می‌شود؛ و اگر در آزمایشی شکست بخورد، نظریه‌ی دیگری بر مبنای دستاوردهای تازه تدوین می‌شود. به همین دلیل، برای توصیف یک پدیده، گاه نظریاتِ
گوناگونی مطرح می‌شود که هر کدام بتواند بهتر از پس چالش‌های پیش‌رو برآید، جای پایش محکم‌تر می‌شود و بیش‌تر پذیرفته می‌شود.

ـ مدل استاندارد ذرات بنیادی

در نظریه‌ی ذرات بنیادی نیز نظریه‌ای به نام مدل استاندارد ذرات بنیادی هست که بدون ورود به جزئیات فنی و دشوار آن، می‌توان آن را نظریه‌ای توصیف کرد که می‌کوشد به روان‌ترین شکل، رفتارهای حاکم بر ذرات بنیادی را توصیف کند و توضیحی برای دلیل این رفتارها ارائه دهد.
در این نظریه است که بوزون هیگز نقش مهمی ایفا می‌کند. بار دیگر و بدون وارد شدن به جزئیات فنی بیایید به این
پرسش بیندیشیم که ویژگی یک جسم چه مواردی‌ست؟ برای مثال، خودمان، یا هر چیز دیگر. فارغ از مشخصاتِ ظاهری، برخی از ویژگی‌های یک جسم، بنیادی و اساسی به‌شمار می‌روند. یکی از این موارد، جرم یک جسم است (که البته می‌توانیم آن را نوعی انرژیِ به‌دام‌افتاده در آن جسم نیز بپنداریم). اگر از ما بپرسند چقدر جرم داریم، ممکن است بگوییم برای مثال 60 کیلوگرم، و اگر از ما بپرسند چرا جرم شما این عدد است، خواهیم گفت که بدن من از موادی تشکیل شده که هر یک از آن‌ها جرمی دارد و مجموعه‌ی جرم آن‌ها به این عدد می‌رسد. این فرآیندِ خرد کردن را می‌توانیم آن‌قدر
ادامه بدهیم تا به ذراتِ بنیادی برسیم.
اما از آن بیش‌تر نمی‌توانیم پیش برویم. بخشی از مواد تشکیل‌دهنده‌ی بدن ما الکترون‌ها هستند. چرا یک الکترون مقدار مشخصی جرم دارد و چرا این مقدار برای ذراتِ بنیادیِ گوناگون متفاوت است؟ برای مثال، چرا یک الکترون مقدار جرم مشخصی دارد که از پروتون و نوترون کم‌تر است، اما از ذراتی مانند فوتون یا نوتریونوها که تقریباً بی‌جرم هستند، بیش‌تر است؟ چه چیزی باعث می‌شود که یک ذره جرم مشخصی را داشته باشد؟ به سخن دیگر، در جهانِ فیزیکِ ذرات، چه عاملی باعث می‌شود که جرمی خاص به ذره‌ای خاص اختصاص یابد؟
این یکی از معماهای مدل استاندارد به شمار می‌رود و در دهه‌ی 1960م./1340خ. «پیتر هیگز» نظریه‌ای را مطرح کرد که به نام «میدان هیگز» معروف شد و می‌توانست این مسأله را پاسخ دهد و توجیه کند.

ـ نظریه‌ی هیگز

بر پایه‌ی نظریه‌ی هیگز، سراسر جهان ما را میدان هیگز دربرگرفته است. برای این که تصور و انگاشتی از این میدان داشته باشیم، می‌توانیم میدان آشناتر الکترومغناطیس را در نظر بگیریم. همه‌ی ما به‌احتمال این آزمایش معروف را یا انجام داده‌ایم یا دیده‌ایم که یک آهن‌ربا را زیر یک کاغذ می‌گذاریم، روی کاغذ براده‌های آهن می‌ریزیم و می‌بینیم که این براده‌ها در مسیرهایی مشخص که خطوط میدان مغناطیسی هستند، قرار می‌گیرند. در واقع، آهن‌ربا یک میدان مغناطیسی دارد که بر موادی
که خاصیت فلزی دارند، تأثیر می‌گذارد.

بر پایه‌ی نظریه‌ی هیگز، مهم نیست اطراف یک جرم باشید یا جایی که فکر می‌کنید خلأ است؛ همه‌جا میدان هیگز وجود دارد. اگر می‌خواهید تصور بهتری از نوع حضور این میدان داشته باشید، یک آکواریوم را پیش چشم بیاورید که پر از آب است. برای ماهی‌ای که درون این آکواریوم است، شاید بقیه‌ی فضای آکواریوم خالی به نظر بیاید، اما می‌دانیم که آن فضا سرشار از ماده‌ای به نام آب است که این آب به‌طور عمده از ماده‌ای به نام مولکول آب یا
H2O تشکیل شده است. میدان هیگز هم به همین ترتیب همه‌جا را دربرگرفته، ولی به جای مولکول‌های آب، از ذره‌ای بنیادی به نام «بوزون هیگز» تشکیل شده است. این ذره‌ی بنیادی جرم مشخصی دارد و ذره‌ی به‌نسبت سنگینی به شمار می‌رود؛ اما مهم‌تر از جرم خودش این ویژگی مهم را دارد که با دیگر ذراتِ بنیادیِ پیرامونش واکنش نشان می‌دهد؛ همچون ذرات براده‌ی آهن که در میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دادند و در مسیرهای
مشخصی قرار می‌گرفتند، هر ذره با این بوزون‌های هیگز در حال واکنش دادن است. آنچه به ذره‌ی هیگز اهمیت می‌بخشد، این است که بر پایه‌ی این نظریه، نوع و نیروی واکنش بوزون‌های هیگز با مواد و ذراتِ بنیادیِ پیرامونش، آشکار می‌کند که آن ذره چه اندازه جرم داشته باشد؛ یعنی جرم الکترون به دلیل قدرت واکنش الکترون‌ها با بوزون هیگز است. اگر فوتون تقریباً بدون جرم است، به این دلیل است که واکنشش با بوزون‌های هیگز بسیار ضعیف است و در عوض، الکترون واکنش قوی‌تری دارد.
از سوی دیگر، چون بوزون‌های هیگز همه‌جای میدان هیگز قرار دارند و همه‌ی گیتی
را پر کرده‌اند (مانند آب درون آکواریوم)، پس یک ذره مانند الکترون یا فوتون ناوابسته به این‌ که کجای جهان قرار دارد، پیوسته و به‌طور دائمی در حال واکنش با بوزون هیگز است و در نتیجه جرم ثابتی دارد.
به این ترتیب، در مدل استانداردِ ذرات بنیادی، بوزون‌های هیگز می‌توانند توضیح دهند که چرا هر ذره جرم مخصوص به خود را دارد. اما این ذره تا پیش از این، یک ذره‌ی نظری بود که هرگز در آزمایشگاه مشاهده نشده بود و تنها از محاسبات ریاضی به دست آمده بود. این ذرات را تنها در حالتی می‌توان آشکار کرد که بتوان برخوردهای بزرگی را میان ذرات بنیادی
زمینه‌سازی کرد؛ تا در شرایط آشوبناک و آزاد شدِن انرژیِ حاصل از برخورد، این بخت پدید آید که این ذره برای مدتی هویدا شود. یکی از دلایل اصلی و هدف‌های علمی آغازین برای ساخت شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی در کانون پژوهشی سرن نیز تلاش برای آشکار کردنِ این ذره و تأییدِ وجود آن بود. البته اگر تلاش سرن هم مانند تواترون در آزمایشگاه ملی فرمی به ثمر نمی‌رسید و بوزون هیگز پیدا نمی‌شد هم
رخداد مهمی در جهان فیزیک به شمار می‌آمد، چرا که در آن صورت دانشمندان می‌بایست سراغ نظریاتِ پیچیده‌تری برای توجیه جرم مواد بروند، که به نام «نظریات فارغ از هیگز» معروف‌اند.

ـ بازار داغ شایعه‌ها

از پیش از برگزاریِ این نشست، بازار شایعات در این باره بسیار داغ بود. برخی معتقد بودند که در نتایجی که اعلام خواهد شد، تنها ضریب اطمینان از کشف بوزون هیگز افزایش خواهد یافت و دیگرانی بر آن بودند که به‌طور رسمی اعلام خواهد شد. با نزدیک شدن به روز موعود، بر حجم خبرها نیز افزوده شد.
وبگاه «نیچر» در گزارشی در آستانه‌ی اعلام این خبر، از قول یکی از دانشمندان ارشد آزمایش اطلس نوشت:«بی‌شک، ما ذره‌ی تازه‌ای یافته‌ایم و در این سمینار خبر کشف این ذره را اعلام خواهیم
کرد.»
بر اساس اخباری که پیش از اعلام رسمی نتایج به بیرون درز کرده بود، بررسی داده‌های آزمایش‌های سال 2012 که تنها یک هفته پیش از این سمینار جمع‌بندی شده بود، نشان از آن داشت که سیگنالی از واپاشی ذره‌ای که با ذره بوزون هیگز بسیار همانند است، مشاهده شده که به دو فوتون بسیار پرانرژی واپاشیده شده است. بر اساس داده‌هایی که آزمایش‌های امسال برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC) نشان می‌دهند، شواهد
درخور اعتنایی در این زمینه به دست آمده است. بنابر اعلام‌ها، انرژیِ ذره‌ی کشف‌شده (که به‌احتمال همان بوزون هیگز است) 124.6 گیگاالکترون‌ولت است.

در همین حال، یکی از پژوهشگران آزمایش سی.ام.اس نیز پیش از برنامه‌ی رسمی سرن اعلام کرده بود که در این آشکارساز نیز نشانه‌های نیرومندی از ردپای بوزون هیگز در میان داده‌های سال 2012 به دست آمده، اگرچه تا واپسین روزها بحث بر سر این که درجه‌ی اعتبار این یافته‌ها در چه حدی‌ست، هنوز ادامه داشت.

به گفته‌ی فیزیک‌دانان، آن‌ها تا زمانی که اعتبار سیگنالِ مشاهده‌شده از رده‌ی معروف به سیگما 5 بالاتر نرود، از اعلام کشف بوزون هیگز خودداری می‌کنند. این اعتبار به این معنی‌ست که دقت آزمایش به گونه‌ای باشد که احتمال این ‌که سیگنالِ رویت‌شده ناشی از رخدادهای دیگر و به شکل تصادفی باشد، کمتر از شش‌ده‌هزارم درصد باشد. بر پایه‌ی شایعات، در آزمایش‌های اطلس و سی.ام.اس اعتبار داده‌های امسال میان 4.5 تا 5 برابر
انحراف‌معیار قرار دارد و در عمل اگر این داده‌ها درست باشند، می‌توان انتظار خبر کشف هیگز را داشت.
نکته‌ی دیگری که باعث شد این کنفرانس بیش از نمونه‌های پیشین در کانون توجه باشد، این بود که مدیر ارتباطات سرن تأیید کرد که برای برنامه‌ی بامداد چهارشنبه، از چهار فیزیک‌دان نظری که در دهه‌ی 1960م./1340خ. بر روی سازوکار نظریه‌ی میدان هیگز کار می‌کردند، برای حضور در این سمینار دعوت شده است. این دانشمندان عبارت بودند از: فرانسیس انگلرت، کارل هاگن، پیتر هیگز و جرالد گورالینک.

ـ پژوهشگران ایرانی سهیم در کشف بوزون هیگز

در پژوهشگاه دانش‌های بنیادی نیز همچون بیش‌تر مراکز تحقیقاتی معتبر، چند دانشمند ایرانی در به ثمر نشستن این مطالعات و بررسی‌ها مشارکت داشتند که صبح روز چهرشنبه، چهاردهم تیرماه، میزبانِ خبرنگاران علمی بودند.
عکس زیر گروه پژوهش‌های تجربی فیزیک ذرات بنیادی در پژوهشگاه دانش‌های بنیادی را نشان می‌دهد، که اعضای آن به ترتیب از راست به چپ عبارت‌اند از : آقای دکتر حسام‌الدین ارفعی، آقای دکتر حامد بخشیان، خانم دکتر عبیده جعفری، آقای دکتر سعید پاک‌طینت، آقای دکتر مجتبا محمدی، خانم دکتر
مریم زینلی، خانم دکتر بتول صفرزاده.

خبرهای تکمیلی را در اینجا دنبال کنید.


برگرفته از دو گزارش از خبرآنلاین
www.khabaronline.ir ، 14 و 15 تیر 1391
آماده‌سازی و ویرایش : گروه رسانه‌ای دیرین، پریسا خرسندی
با سپاس از آقای مهندس فیلا