فراتر از هیگز

ادوين كارتليچ


ممکن است برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرون هیگز بوزون را کشف نکند. به نظر ادوین کارتلیچ (Edwin Cartlidge) این ممکن است چندان هم بد نباشد.

طی دو سه سال آینده فیزیکدان‌هایی که کارشان طراحی و ساخت برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC) در سرن (CERN) بوده منتظرند نتیجه‌ی کارشان را ببینند. آنها معتقدند که برخوردهای پروتون – پروتون بسیار پُرانرژی این ماشین غول‌پیکر TeV 14 (1012×14 الکترون ولت) می‌تواند بوزون هیگز تولید نماید؛ (ذره‌ای که تاکنون دیده نشده و تصور می‌رود که پروژه‌‌ی ذرات جرم‌دار با کشف این ذره تکمیل شود.) با کشف ذره‌ی هیگز دستاورد مدل استاندارد ذرات کامل می‌شود. مدل استاندارد، قالب‌بندی نظری است که ذرات بنیادی مادی و اندرکنش‌های بین آنها را توصیف می‌کند.

چنین تصوری از ذرات هیگز بخصوص بوسیله‌ی رسانه‌ها مورد توجه قرار گرفته و آن‌را یکی از نتایج پروژه‌ی LHC می‌دانند؛ در حالی که بسیاری از فیزیکدان‌ها اینگونه فکر نمی‌کنند. پیدا شدن این ذره اثبات توان به تحقق رساندن پیش‌بيني‌های مُدل استاندارد بوده و تائیدی است بر هزینه‌ی €6.3 bn این مباحثه دارند چیزهایی بسیار جذاب‌تر است! اکثر ذرات پیش‌بینی نشده و غیرمنتظره‌های دنیای ذرات همین ذرات هستند که فراتر از مُدل استاندارد رفته و ضرورت بودن یا نبودن ذره‌ی هیگز را انتظاری عادی می‌دانند.

اندرو کوهن (Andrew Cohen) (فیزیکدان ذرات دانشگاه بوستون) می‌گوید: «ندیدن ذره‌ی هیگز فاجعه نیست!» در واقع برایمان جالب است حتی چیزی جالب‌تر را ببینیم، که قبلا ندیده بودیم. بیشتر فیزیکدانان حدس می‌زنند احتمالاً LHC ذره‌ی هیگز را کشف می‌کند ولی بسیاری هم هستند که از کشف شدنش خوشحال می‌شوند.



شکست تقارن

در مدل استاندارد ذره‌ی هیگز توضیح می‌دهد که چگونه 2 نیرو از 4 نیروی طبیعت در انرژی‌های پایین به هم می‌پیوندند و یک ریشه دارند. الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف؛ نظریه می‌گوید در ابتدای عالم نیروهای الکترومعناطیسی و ضعیف تقارن زیبایی با هم داشتند ولی دلیل آنها این بود که ذرات حامل این نیروها و ذرات مادی بدون جرم. هیگز باید تقارن الکتروضعیف را می‌شکست و به ذراتی با جرم‌های متفاوت تبدیل شد.

ولی تا زمانی‌که هیگز بهترین گزینه برای نظریه‌پردازان در علت شکست تقارن الکتروضعیف است، دلیلی ندارد که دنبال دلیل دیگری نگردیم! فیزیکدان‌هایی که در LHC کار می‌کنند فقط دنبال هیگز نیستند، بلکه هدف آنها کشف دلایل دیگری نیز برای شکست تقارن هست.

مشکلی که درباره‌ی هیگز وجود دارد، حضور آن در مدل استاندارد است که متاسفانه به جملاتی با مقادیر نامتناهی می‌رسد. در فیزیک ذرات به این مشکل «مسأله‌ی هایرارشی (Hierarchy)» می‌گوییم.

دانشمندان با نظریه‌های متعددی در تلاش برای فائق آمدن بر این مسأله هستند و نکته اینجاست که همگی یک یا چند هیگز بوزون در خود دارند. اَبَرتقارن یکی از معروف‌ترین این نظریه‌هاست و بر آن است که هر ذره در مدل استاندارد با یک ذره‌ی جدید و با «اسپین آماری» متضاد کامل می‌شود.

و نظریه‌ی دیگری که اخیراً مورد توجه قرار گرفته ابعاد بالاتر فضايي که می‌گوید در مقیاس‌های بسیار کوچک وجود دارد ولی نظریه‌هایی هم هستند که هیگز را در خود ندارند بلکه شامل "technicolour" هستند که وجود یک نیروی جدید را که جرم را با کنش روی ذراتی بنام "technoquark" پیش‌بینی می‌گوید.

شلدون گلاشو که جایزه‌ی نوبل را با عبدالسلام و استیون واینبرگ به سال 1979 سهیم بود (برای اتحاد الکترومغناطیس و نیروی ضعیف)، می‌گویدکه خوب است فیزیکدان‌ها سال‌ها روی نظریه‌ی درست کار کنند و امیدوار است و باور دارد که LHC ذرات "كاملاً گيج كننده" (Utter confusing) تولید خواهد کرد که آرایه‌ای جدید از ذرات در کنار هیگز قرار خواهند گرفت.

«من و همکارانم معتقدیم که چند زیبایی که با آن برخورد می‌کنیم غیرقابل انتظار بوده و مدت زمانی برای up and down طول می‌کشد چون در انرژی‌هایی بسیار بالاتر از آنچه امروزه دست یافته‌ایم، کار خواهیم کرد.»

اَبَرتقارن برای نظریه‌پردازان دو نكته‌ي مهم و کلیدی جدای از توان حل مسأله Hierarchy دارد. علت اینکه ذرات اَبَرتقارن را می‌توانیم برای «ماده تاریک» مرموز هم به حساب آوریم که فعلاً بر آن هستیم که بیشتر جرم عالم را در خود دارد. دو اینکه نظریه پیش‌بینی می‌کند نیروهای الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و ضعیف در انرژی‌های بالا قدرت (بُرد) یکسانی دارند.

با این جال اَبَرتقارن پایه‌ی «نظریه‌ی وحدت بزرگ» (GUT) را که یکی از اهداف غایی فیزیکدان‌هاست، شکل می‌دهد.

سرپرست ارشد سرن، «لوچیانو مایانی» (Luciano Maiani)، در دانشگاه رُم، پیدا شدن هیگز در LHC را احتمالی ضعیف می‌داند و شرط می‌بندد که ذرات اَبَرتقارن هم در شتاب‌دهنده‌ی جدید کشف خواهند شد. وی خاطر نشان می‌کند که نظریه‌ها برای توجیه وجود در الکتروضعیف نیازی به هیگز بوزون‌ها ندارند و در حقیقت بیشتر مُهر تائیدی بر مدل استاندارد هستند.

ولی همانطور که کوهن خاطر نشان می‌کند، پذیرفته شده كه اَبَر تقارن دلیل بر درست بودن آن نیست. «تائید اَبَرتقارن بسیار جالب خواهد بود، ولی اگر LHC نشان داد که نظریه‌ای باید تدوین می‌شده که تا کنون نشده چقدر هیجان‌انگیز خواهد بود!»



سناریوی کابوس

یک شانس یا احتمال هم وجود دارد که LHC اصلاً هیچ چیز جدیدي حتی هیگز را هم کشف نکند. اینجاست که فیزیک ذرات دچار چالش شده و مدل استاندارد به بن‌بست رسیده و عملاً از رده خارج می‌شود؛ بالاخص دیگر پروژه‌ی عظیم فیزیک ذرات یعنی برخورد دهنده‌ی چند میلیارد دلاری خطی! این ماشین 30 – 40 کیلومتری طوری طراحی شده که الکترون‌ها و پوزیترون‌ها که در تحقیقات با جزئیات بسیار خوبی آن‌ها را می‌شناسیم و امید به دیدنشان در LHC هم داریم با هم برخورد کنند.

این سناریوی کشف هیچ چیز برای بیشتر فیزیکدان‌ها یک کابوس است چرا که سرنخ‌هایی پیدا می‌شود که مدل استاندارد از رده خارج شود. ولی LHC غیر از فیزیک ذرات و تمام بودن و نبودن‌هایش می‌تواند مکانیک کوانتومی قطعاً کمک‌های بسیاری خواهد کرد. در پایان قرن 19 بیشتر فیزیکدان‌ها فکر می‌کردند نیاز به نظریه‌ی پیچیده‌تر کلاسیک دارند. ممکن است همین اتفاق الان هم بیفتد. شاید بگویید بدون هیچ‌گونه قاعده‌ی فیزیکی در LHC بخصوص هیگز، حتماً در فیزیک اتفاقات جدید و حتی انقلابی رخ خواهد داد.

مایانی معتقد است که LHC حداقل به ما نشان خواهد داد که در یک امتحان هیچ نداریم (نقض مدل‌های کنونی) و نیرویی دوباره در فیزیک ذرات خواهيم دید که به دنبال یافته‌های جدیدی باشد. و نشان می‌دهد در حیطه‌ی تجربی کجای کار هستیم.

«ممکن است در فیزیک بنیادی، اعم از اخترفیزیک و کیهانشناسی با عدم اطمینان از وجود هیگز بوزون یا حداقل حيطه‌ي TeV بفهمیم که هیچ پیشرفتی نداشته‌ایم.» هیچ راهی نبوده و نیست تا مسأله را درست بررسی کنیم ».

منبع: فيزيكس ورلد،2006،فوريه

هيگز