ده سال پس از کشف بوزون هیگز؛ چرا ذره خدا می تواند قلمرو فیزیک را فراتر از مدل استاندارد ببرد؟

ده سال پیش، دانشمندان از کشف بوزون هیگز خبر دادند. بوزون هیگز که ذره خدا نیز نامیده می شود، به توضیح اینکه چرا ذرات بنیادی (کوچکترین اجزای سازنده طبیعت) جرم دارند کمک می کند. برای فیزیکدانان ذرات، این پایان یک سفر دشوار بود که چندین دهه به طول انجامید و شاید بهترین نتیجه در تاریخ این رشته بود. اما این پایان همچنین آغاز دوره جدیدی از فیزیک تجربی بود.

در طول دهه گذشته، اندازه‌گیری‌های خواص بوزون هیگز پیش‌بینی‌های مدل استاندارد فیزیک ذرات (بهترین نظریه موجود در مورد ذرات) را تأیید کرده است. اما همچنین سوالاتی در مورد محدودیت های این مدل ایجاد کرد. به عنوان مثال، آیا نظریه بنیادی تری در مورد طبیعت وجود دارد؟

پیتر هیگز این فیزیکدان در مجموعه ای از مقالات منتشر شده بین سال های 1964 و 1966، بوزون هیگز را به عنوان یک پیامد اجتناب ناپذیر مکانیسم مسئول ایجاد جرم در ذرات بنیادی پیش بینی کرد. بر اساس این نظریه، جرم ذرات حاصل برهمکنش ذرات بنیادی با میدانی به نام میدان هیگز است. طبق همین مدل، چنین میدانی باید ذره هیگز را نیز ایجاد کند، یعنی اگر بوزون هیگز وجود نداشته باشد، در نهایت کل نظریه رد می شود.

اما طولی نکشید که متوجه شدیم این ذره چالش برانگیز است. وقتی سه فیزیکدان نظری خواص بوزون هیگز را تعیین کردند، مقاله خود را با عذرخواهی به پایان رساندند: «ما از دانشمندان تجربی عذرخواهی می‌کنیم که جرم بوزون هیگز را نمی‌دانیم و مطمئن نیستیم که چگونه با ذرات دیگر جفت می‌شود. . “به این دلایل، ما از جستجوهای آزمایشی در مقیاس بزرگ برای بوزون هیگز پشتیبانی نمی کنیم.”

تا سال 1989 برای اولین آزمایش با شانس جدی برای تشخیص بوزون هیگز طول کشید. ایده این بود که ذرات با چنان انرژی بالایی برخورد کنند که بوزون هیگز در تونل 27 کیلومتری سرن (سازمان تحقیقات هسته ای اروپا) در سوئیس تولید شود. برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) بزرگترین برخورددهنده الکترون-پوزیترون است که تاکنون ساخته شده است (پوزیترون تقریباً مشابه الکترون است اما بار مخالف دارد). این آزمایش 11 سال به طول انجامید، اما معلوم شد که حداکثر انرژی آن بسیار کمتر از آن چیزی است که بوزون هیگز می تواند تولید کند.

  مشخصات دوربین ZTE Axon 40 Ultra از جمله لنز عقب و سنسور سلفی زیر نمایشگر تایید شده است.

در همین حال، جاه طلب ترین برخورددهنده تاریخ آمریکا، تواترون، شروع به جمع آوری داده ها در آزمایشگاه ملی فرمی در نزدیکی شیکاگو کرد.

تواترون با پروتون‌ها (که همراه با نوترون‌ها هسته اتم را تشکیل می‌دهند) و پادپروتون‌ها (تقریباً مشابه یک پروتون اما با بار مخالف) با پنج برابر انرژی به‌دست‌آمده در ژنو برخورد کرد که مطمئناً برای ساخت هیگز کافی بود. اما در نتیجه برخورد بین پروتون ها و پادپروتون ها، زباله های زیادی تولید می شود و این امر استخراج سیگنال از داده ها را بسیار دشوار می کند. در سال 2011، تواترون فعالیت خود را متوقف کرد و دانشمندان نتوانستند دوباره بوزون هیگز را شناسایی کنند.

در سال 2010، LHC شروع به برخورد پروتون هایی با انرژی هفت برابر تواترون کرد. سرانجام، در 4 ژوئیه 2012، دو آزمایش مستقل در CERN داده های کافی برای اعلام کشف بوزون هیگز جمع آوری کردند. سال بعد، هیگز و همکاران فرانسوا انگلرت “برای کشف نظری مکانیزمی که به درک منشأ جرم ذرات زیراتمی کمک می کند” برنده جایزه نوبل شد.

اما بدون کشف بوزون هیگز، کل چارچوب نظری که فیزیک را در کوچکترین مقیاس آن توصیف می کند، فرو می ریزد. اگر ذرات بنیادی بدون جرم بودند، نه اتم، نه انسان، نه منظومه شمسی و نه ساختاری در طبیعت وجود داشت.

با این حال، این کشف سؤالات اساسی جدیدی را ایجاد کرد. آزمایش ها در سرن برای مطالعه بوزون هیگز ادامه یافت. خواص آن نه تنها جرم ذرات اصلی، بلکه پایداری آنها را نیز تعیین می کند.

مقالات مرتبط:

نتایج حاضر نشان می دهد که جهان ما در وضعیت کاملاً پایداری قرار ندارد. در عوض، مانند یخ در نقطه ذوب خود، می تواند به طور ناگهانی دچار تغییر فاز سریع شود. اما این تغییر فاز مستلزم تغییر در جرم و قوانین طبیعت در جهان است. این واقعیت که جهان با وجود این ثابت به نظر می رسد نشان می دهد که ما ممکن است چیزی را در محاسبات خود از دست داده باشیم.

  مشخصات احتمالی Honor X30i منتشر شد ؛ دوربین 48 مگاپیکسلی و صفحه نمایش 6.7 اینچی 90 هرتزی

پس از سه سال وقفه برای تعمیرات و ارتقاء، اکنون برخوردها در LHC با تقریباً دو برابر انرژی مورد استفاده برای تشخیص بوزون هیگز از سر گرفته شده است. این آزمایش‌ها می‌توانند به یافتن ذرات گمشده‌ای که جهان ما را در لبه چاقو بین پایداری و انتقال سریع فاز نگه می‌دارند، کمک کند، و همچنین می‌تواند به سؤالات دیگری پاسخ دهد: آیا ویژگی‌های خاص بوزون هیگز آن را به دروازه‌ای برای کشف ماده تاریک (نامرئی) تبدیل می‌کند. موضوع)؟ که بیشتر ماده در جهان را تشکیل می دهد)، تبدیل؟

ماده تاریک بار ندارد و بوزون هیگز روش منحصر به فردی برای برهمکنش با ماده بدون بار دارد. این ویژگی منحصر به فرد فیزیکدانان را به این سوال واداشته است که آیا بوزون هیگز اصلا یک ذره اساسی نیست. آیا نیروی ناشناخته جدیدی فراتر از سایر نیروهای طبیعت (گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای هسته ای ضعیف و قوی) وجود دارد؟ شاید نیروی ناشناخته ای وجود داشته باشد که ذرات ناشناخته را به جسم سازنده ای که ما آن را بوزون هیگز می نامیم متصل می کند؟

چنین نظریه هایی ممکن است به توضیح نتایج متناقض اندازه گیری های اخیر کمک کند که نشان می دهد برخی از ذرات مطابق مدل استاندارد رفتار نمی کنند. بنابراین، مطالعه بوزون هیگز برای اینکه ببینیم آیا فیزیک فراتر از مدل استاندارد قابل کشف است یا خیر، بسیار مهم است.

در نهایت LHC با همان مشکل twatron مواجه خواهد شد. برخورد پروتونها نامنظم است و انرژی برخوردهای آن محدود است. حتی با وجود زرادخانه کامل فیزیک ذرات مدرن (از جمله آشکارسازهای پیچیده، روش‌های تشخیص پیشرفته و یادگیری ماشین)، محدودیتی برای آنچه LHC می‌تواند به دست آورد، وجود دارد.

  آیا خوردن گوشت نقشی در تبدیل شدن ما به انسان دارد؟

یک برخورد دهنده بسیار پرانرژی که به طور خاص برای تولید بوزون هیگز طراحی شده است به ما امکان می دهد تا مهمترین ویژگی های آن را مشخص کنیم، از جمله اینکه چگونه بوزون هیگز با سایر بوزون های هیگز تعامل می کند. این به نوبه خود نحوه تعامل بوزون هیگز با میدان خود را تعیین می کند. بنابراین، مطالعه این فعل و انفعال می‌تواند به ما در بررسی فرآیند زیربنایی که به ذرات جرم می‌دهد کمک کند.

هر گونه اختلاف بین پیش‌بینی نظری و اندازه‌گیری‌های آینده، نشانه روشنی است که ما نیاز به اختراع فیزیک جدید داریم. این اندازه‌گیری‌ها تأثیر عمیقی خواهند داشت که بسیار فراتر از فیزیک برخورد است و بر درک ما از منشا ماده تاریک، تولد جهان و شاید سرنوشت آن تأثیر می‌گذارد.

دیدگاهتان را بنویسید