داستان بوزون هیگز ( قسمت اول )

بیگ بنگ: بوزون هیگز آخرین بخش گمشده مدل استاندارد است، تئوری که بلوک های اصلی سازنده جهان را تشریح می کند. دانشمندان عقیده دارند در یک میلیاردم ثانیه پس از بیگ بنگ، جهان هستی یک سوپ فوق العاده غول پیکر از ذراتی بوده که با سرعت نور با یکدیگر مسابقه گذاشته بودند و هیچ جرمی نداشته اند. در این میان برهم کنش آنها با میدان هیگز باعث شده که جرم پیدا کنند و سرانجام جهان شکل بگیرد. چندین دهه است که محققان فیزیک بنیادی برای کشف بوزون هیگز، ذره‌ای که منشاء جرم ذرات بنیادی است، تلاش می‌کنند و در نهایت این ذره که وجود آن در ۴۸ سال پیش توسط پیتر هیگز ۸۴ ساله فیزیکدان نظری بریتانیایی و فرانسوا انگلرت ۸۰ ساله فیزیکدان نظری بلژیکی پیش بینی شده بود در چهارم ژوئیه ۲۰۱۲ در شتاب دهنده ی بزرگ هادرونی CERN به اثبات رسید، پرافتخارترین جایزه‌ی علمی امسال یعنی نوبل فیزیک سال ۲۰۱۳ به این دو فیزیکدان رسید. در این متن می توایند  داستان و تلاش دانشمندان برای کشف این ذره اسرار آمیز را بخوانید.

162551-higgs-boson-and-the-big-bang

در جست و جوی منشاء جرم در جهان

از قرن ها پیش دانشمندان و فلاسفه می دانستند که اجسام ویژگی خاصی دارند که در برابر شتاب از خود مقاومت نشان می دهند. آنها این لختی و مقاومت در برابر شتاب را اصطلاحا « جرم » نامیده بودند. هر چند از مدت ها قبل مشخص بود که جرم اجسام از مجموع جرم ذرات سازنده آنها- یعنی مولکول ها و اتم ها – حاصل می شود، اما از آنجایی که تمامی اتم های جهان هم به نوبه خود از ذرات بنیادین نظری الکترون ها و کوارک ها تشکیل شده اند.

پس یک سوال مهم مطرح برای فیزیکدان ها این بود که چه چیزی جرم یک ذره بنیادین را در جهان تعیین می کند، به عبارتی چه چیزی سبب می شود که الکترون ها، کوارک ها و فوتون ها با وجود آنکه همگی ذرات بنیادین محسوب شده و فاقد ساختار درونی هستند – یعنی از ذرات کوچکتر و متعدد دیگری تشکیل نشده اند – با این حال جرم های متفاوتی داشته باشند؟ و اینکه اساسا ماهیت و منشا ایجاد جرم در جهان چیست و جرم ذرات بنیادین سازنده جهان ما از کجا حاصل می شود؟ یعنی مثلا چه عاملی سبب می شود که جرم الکترون فلان مقدار باشد و جرم کوارک بالا مقدار دیگری باشد؟ این سوالات مهم و بنیادین همچنان ذهن فیزیمدان ها را به خود مشغول کرده بود تا سرانجام حدود ۵۰ سال پیش چند فیزیکدان موفق شدند با مطرح کردن ایده شگفت انگیزی، پاسخی برای این معما چند صد ساله پیدا کنند.

vd-higgs-boson-620x349
میدان اسرار آمیز فراگیر کیهانی

در سال ۱۹۶۴ فیزیکدانی به نام پیتر هیگز از دانشگاه ادینبورگ اسکاتلند پس از مدتی دست و پنجه نرم کردن با معمای منشاء جرم جهان در نهایت توانست پاسخ عجیب این معما را بیابد. هیگز به این نتیجه رسیده بود که خلاء کیهانی در حقیقت خالی نیست؛ بلکه عملا با میدان نامرئی و اسرار آمیزی پر شده است. اما از آنجایی که این میدان اسرار آمیز در تمامی گستره جهان و در کل کیهان بطور یکسان وجود دارد، بنابراین ما مستقیما متوجه حضور آن نمی شویم ( مانند ماهی هایی که از حضور اقیانوس بی خبرند). در واقع تمامی ذرات جهان در این اقیانوس نامرئی کیهانی شناورند و در مسیر حرکت خود در گستره فضا عملا در حال عبور از درون این میدان نامرئی هستند.

هیگز با محاسبات ریاضی خود نشان داد که جرم ذرات بنیادی در واقع ماحصل بر هم کنش آنها با همین میدان اسرار آمیز کیهانی است؛ یعنی هر چه شدت برهم کنش ذره ای با این میدان کمتر باشد، راحت تر و سیال تر در درون این اقیانوس نامرئی حرکت می کند گویی که لختی یا جرم بسیار کمی دارد؛ اما چنانچه شدت برهم کنش ذره ای با این میدان زیاد باشد چنان به سختی در فضا حرکت می کند که گویی لخت و سنگین است. بعنوان مثال از آنجایی که ذره ای نظیر فوتون عملا هیچ برهم کنشی با این میدان کیهانی – که امروزه اصطلاحا « میدان هیگز » نامیده می شود –ندارد بنابراین جرم فوتون صفر است؛ اما مثلا کوارک t به علت برهم کنش شدید خود با میدان هیگز، جرم بسیار زیادی دارد و سنگین ترین ذره بنیادین شناخته شده جهان محسوب می شود.

higgs-boson1_edit
ذره هیگز و افسانه ماهی و اقیانوس

اما اگر جرم در جهان ما به حضور میدان نامرئی و اسرار آمیز باز می گردد که کل جهان را پر کرده است پس چگونه می توان به وجود چنین میدانی بطور تجربی پی برد؟ ( این کار مانند آن است که ماهی کوچک افسانه ای خودمان به طریقی بخواهد به وجود اقیانوس که در آن شناور است پی ببرد). خوشبختانه هیگز راهی برای حل این معما هم پیدا کرد. راه حل پیشنهادی هیگز برای کشف این میدان، جست و جوی کوانتوم این میدان یعنی ذره ای با ویژگی های مشخص بود، ذره ای که بعدها به افتخار خود او « ذره هیگز » نامیده شد، اما ببینیم منظور از کوانتوم میدان هیگز چیست؟

از نگاه نظریه کوانتومی، میدان هیگز در واقع ماحصل انبوهی از ذراتی است که مستمرا در کل گستره خلاء کیهانی از انرژی پایه خلاء آفریده شده و لحظه ای بعد از بین می رود. این ذرات که در حال جوشش دائمی از دل خلاء کیهانی هستند و با حضور خود در تمامی پهنه کیهان، میدان هیگز را تشکیل می دهند. ( به تعبیری می توان این ذرات را به ذرات تشکیل دهنده اقیانوس کیهانی میدان هیگز تشبیه کرد). بدین ترتیب براساس نظریه میدان کوانتومی می توان گفت که گستره خلاء کیهانی همیشه مملو از ذرات هیگز است. بنابراین هر ذره بنیادی در مسیر حرکت خود در فضا عملا باید از میان انبوهی از ذرات هیگز عبور کند. حال همانطور که قبلا هم بیان شد چنانچه ذره ای برهم کنش بسیار ضعیفی با ذرات هیگز داشته باشد، به سادگی از میان آنها عبور خواهد کرد، گویی تقریبا جرمی ندارد. اما ذراتی که برهم کنش شدیدی با ذرات هیگز دراند، به سختی از میان انبوه این ذرات عبور می کنند و همین مساله سبب می شود به گونه ای رفتار کنند که گویی لختی یا جرم زیادی دارند.

بر این اساس می توان گفت تمامی ذرات بنیادی در لحظه بیگ بنگ بدون جرم بوده اند. اما پس از کسر بسیار کوچکی از ثانیه – یعنی تقریبا یکصد میلیاردیم ثانیه – بعد از بیگ بنگ، ذرات هیگز از انرژی بیگ بنگ پدید آمده و کل جهان را پر کردند و بدین ترتیب ناگهان برخی از ذرات بنیادی به واسطه بر هم کنش با آنها جرم دار شدند. ضمنا از آنجایی که ذرات هیگز با خودشان هم برهم کنش می کنند؛ بنابراین آنها هم به نوبه خود جرم دارند. به این ترتیب پیتر هیگز با محاسبه جرم و سایر ویژگی های کوانتومی ذره هیگز ( ویژگی های نظیر عدد اسپین کوانتومی ، حالت ها و احتمالات واپاشی به سایر ذرات و … ) توانست یک راهکار عملی و تجربی برای کشف میدان هیگز در پیش راه فیزیکدان ها قرار دهد و آن، پیدا کردن ذره ای پیش بینی شده برای کوانتوم میدان هیگز بود.

در قسمت دوم درباره موضوعاتی شامل، مقالات نوبل ساز، پیچیده ترین آزمایش علمی تاریخ ، هیگز، آنگلر و نوبل می توانید بخواهید.

ادامه  دارد »»»

دانستنی ها/بیگ بنگ

image_pdfimage_print
(81 نفر , میانگین : 4٫75 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=5948

سمیر الله وردی

کارشناس عمران، علاقمند به نجوم، کیهان شناسی، فیزیک و تکنولوژی های جدید می باشد و بعنوان نویسنده علمی- نجومی در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۱۹ پاسخ‌ها

  1. سمیر الله وردی گفت:

    با درود به شما، بوزون یک ذره زیر-اتمی است. ذرات اتمی پرتون ها، نوترون ها و الکترون ها هستند. دانشمندان ذرات اتمی را به ذرات زیر-اتمی شامل کوارک ها، لپتون ها و بوزون ها تقسیم کردند. اما میدان هیگز، یک میدان انرژی تئوری و نادیدنی است که تمام کیهان را در پر کرده است. برخی ذرات (همچون فوتون ها که اجزاء نور هستند) توسط این میدان تحت تاثیر قرار نگرفته اند و در نتیجه جرمی ندارند. بقیه ذرات اما به خوش شانسی فوتون ها نبودند در این میدان انرژی به دام افتادند.
    همانطور که در این متن هم به آن اشاره شده است، انرژی تمامی ذرات بنیادی در لحظه تولد جهان ( بیگ بنگ ) بدون جرم بوده‌ اند اما در کسر بسیار کوچکی از ثانیه پس از آن هنگامی که ذرات هیگز از « انرژی بیگ بنگ» پدید آمده و کل جهان را پُر کردند و ناگهان برخی از ذرات بنیادی به واسطه برهم‌ کنش با آنها جرمدار شدند و همچنان این ذرات نامرئی در میدان هیگز جهان انرژی ابتدایی خود را حفظ کرده اند. خوب حال سوال پیش می آید بیگ بنگ انرژی اش را چطور بدست آورده است؟ در مدل های کوانتومی به علت افت و خیزهای میدان گرانشی ناپایدار، باعث می شود گذاری خود به خود به عالم در حال انبساط و ماده رخ دهد. ممکن است فکر کنید خلق ماده و انبساط آن به مقداری انرژی نیاز دارد و بنابراین اگر ماده از « فضای خالی » به وجود آمده باشد؛ پایستگی انرژی که یکی از اصول مسلم فیزیک است، بر هم خواهد خورد.

    در واقع ، در فرایند هیچ؛ نقض پایستگی انرژی وجود ندارد. به یاد بیاورید که میدان گرانشی دارای انرژی منفی است. ( حالتی مقید به پروتون در حالتی با انرژی منفی وجود دارد؛ هر نیروی جاذبه ای چنین خصوصیتی دارد و نیروی گرانشی همیشه جاذبه ای است.) بنابراین می توان به موقعیتی رسید که انرژی گرانشی منفی با انرژی مثبت ماده ( و انبساط )در تعادل باشد که در نتیجه انرژی کل صفر می شود. معادلات کیهان شناسی کوانتومی نشان می دهند که عالم به علت افت و خیزهای کوانتومی بطور خود به خودی از خلا به وجود آمده است.

  2. Quasar گفت:

    با سلام
    ممنون از اطلاعات لذت بخشتون. اگه ممکنه توضیحی در مورد اینکه منشا و انرژی بوجود اورنده این ذرات چیست و چگونه است که در تمام پهنه هستی این ذرات وجود دارند ، ذره دیگری با این خصوصیت وجود دارد؟ و اینکه این انرژی تمام شدنی نیست ؟ چون در مقاله گفته شده که این ذرات دائم در حال تولید هستند.

  3. زهره گفت:

    سلام،واقعا زیبا و سلیس بود، با اینکه گرایشم حالت جامد اما واقعا از مطالعه در مورد بوزون هیگز لذت میبرم و دوست دارم اطلاعاتم را بیشتر کنم.

  4. علی گفت:

    بسیار مطلب جالبی بود. من به نظریه های پیدایش هستی علاقه خاصی دارم 🙂

  5. سینا گفت:

    سلام.گفته میشه ذره هیگز که خودش باعث جرم دار شدن ذرات بنیادیه دارای جرم هستش سوالم اینه که خودش چطور جرم دار شده؟ممنون میشم اگه جواب بدین.

    • سیامک عطاریان گفت:

      تو ذهن من مساله به این شکله:
      زمانی که شما در استخر در حال راه رفتن یا شنا کردن هستین، مولکول های آب در مقابل حرکت شما از خودشون مقاومت نشون می دن.
      حالا اگه شما یک شلنگ آب جاری رو به سمت استخر بگیرین مولکول های آب پس از برخورد با آب درون استخر، از سرعتشون کم می شه و باز هر دو دسته مولکول های آب در مقابل عبور از کنار هم، از خودشون مقاومت نشون می دن.
      .
      ذره هیگز هم احتمالا به همین شکله. هم با سایر ذرات (الکترون، کوارک،…) برهم کنش داره و در مقابل حرکت اونها از درون خودش مقاومت نشون می ده و باعث ایجاد چیزی میشه که ما بهش میگیم جرم. به همین شکل ذرات هیگز در مقابل همدیگه هم بر کنش دارن و عامل جرم خودشون می شن.

  6. امین گفت:

    سلام ایده ای بهتر و بزرگتر از ذره هیگز دارم ولی متاسفانه به دلیل بلد نبودن ریاضیات پیشرفته قادر به اثبات
    آن نیستم اگر کسی می تواند بنده رو حمایت کند به این شماره تماس بگیرد ۰۹۳۵۴۷۶۳۴۳۷

  7. مریم گفت:

    بسیار جالب وشگفت انگیز لذتبخش است

  8. امید گفت:

    درود بسیار جالب و مفید بود از سمیر عزیز هم تشکر میکنم اطلاعاتم بالارفت

  9. امین کیهان گفت:

    فقط اینو میدونم آخرش دیووانه میشم چون به ژرف مطلب درک پیداکردم درود برتمام همفکران و همراهان

  10. آتوسا گفت:

    آیا ممکنه کسی برای من تفاوت لپتون ها ،بوزون ها و کوارک ها رو توضیح بده؟
    ضمنا” همه ی این ذرات در اتم هستند؟

  11. محسن گفت:

    سلام.
    خیلی خوب و جذاب
    خیلی ممنون از اینکه مطلبتون رو ساده و روان می نویسید.

  12. minoo گفت:

    سلام . مطالب خیلی جالب و به روز
    یک سوال : آیا میدان هیگز رو میشه سخت افزار یک کامپیوتر بزرگ تصورکرد؟ در اینصورت ما و هر چه که دارای جرم هست می تواند آیکون هایی با درجات مختلف باشد؟ آیا ما درون یک بازی بزرگ اسیر قوانینی فیزیکی حاکم برآن هستیم
    و آیا ذراتی که جدیدا از قوانین فیزیک اتمی پیروی نمی کنند می توانند سر نخی برای عبور به خارج از بازی یا شاید یک بازی بزرگتر باشند ؟

  13. bahman7x گفت:

    من که لذت بردم از این مطلب

  14. پوریا گفت:

    من تازه فهمیدم هیگز یعنی چی
    ممنون

  15. مسعود گفت:

    درود برشما
    چند سوال پیش میاد از این نظریه
    ۱- هیگز ذره اس یا میدان ؟ چون ماهیت این دو باهم فرق داره
    ۲- چرا بعضی ذرات اندرکنش بیشتری نسبت به میدان یا ذرات هیگز دارن ؟
    ۳- درمقاله آورده شده درابتدای به وجود آمدن عالم ،آیا میدان هیگز یا ذرات هیگزاول به وجود آمدن و بعد ذرات بنیادی ؟اگه همه باهم حضور داشتن پس ذراتی که قبل از به وجودآمدن هیگز بودن چه شده اند؟
    ۴- چرا اصلن میدان یا ذرات هیگز به وجود اومد؟ چه مکانیسمی باعث به وجود اومدن میدان هیگز شد؟

  16. fati.zandi گفت:

    بسیار جالبہ…
    پایان نامہ من هم با موضوع بوزون هیگز…

  17. سپیده گفت:

    باتشکراز مطالب خوب شما.چرا تمام جهان درفضا شناور است وهیچ چیز ساکنی وجودندا رد؟عملا معنی اون پایین در دنیا وجود نداره

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *