علوم پایه، فیزیک ۲۷۴ بازدید

پیچیدگی قوانین حاکم بر کیهان گاهی آن‌قدر پیچیده می‌شود که درک آن توسط ذهن محدود انسان دشوار است. فرض کنید ماهی کوچکی در دریاچه، رودخانه یا دریا بودید، چه درکی از دنیای اطراف خود داشتید؟ آیا می‌دانستید که جهانی که در آن زندگی می‌کنید از ماده‌ای به نام آب تشکیل شده است؟ به احتمال خیلی زیاد پاسخی برای این سوال نداشتید، زیرا همیشه در آب زندگی کرده‌اید و هیچ درکی از آسمان، کوه و جنگل نداشتید. انسان نیز همانند ماهی درک محدودی از محیط اطراف خود دارد. برای درک کیهان و قوانین فیزیکی حاکم بر آن باید علم خود را هرچه بیشتر گسترش دهد. کشف ذره بوزون هیگز، معروف به ذره خدا، تحول جدیدی را در علم فیزیک به وجود آورد.

در نیمه دوم قرن بیستم میلادی، فیزیک‌دان‌ها مدلی به نام مدل استاندارد ذرات بنیادی را گسترش دادند. به طور تقریبی، تمام پدیده‌های فیزیکی، به جز گرانش، با استفاده از این مدل توضیح داده می‌شوند. در این مطلب، در مورد ذره بوزون هیگز و چگونگی کشف آن، صحبت خواهیم کرد. همچنین، در مورد مفاهیمی مانند فرمیون، بوزون و تفاوت آن‌ها و مدل استاندارد، به زبان ساده توضیح می‌دهیم.

بوزون هیگز چیست ؟

ما و هر چیزی اطراف ما از ذره ساخته شده است. اما هنگامی که کیهان متولد شد، ذرات هیچ جرمی نداشتند و با سرعت نور به اطراف حرکت می‌کردند. جرم‌دار شدن ذرات، دلیل به وجود آمدن ستاره‌ها، سیاره‌ها و زندگی است. اما ذرات چگونه جرم خود را به‌دست آوردند؟ دلیل اصلی جرم‌دار شدن آن‌ها به میدان بنیادی بوزون هیگز، مربوط می‌شود. وجود این میدان جرم‌دهنده با کشف این ذره در چهارم جولای سال ۲۰۱۲ در مرکز «سِرن» (The European Organization for Nuclear Research | CERN)‌، تایید شد.

در سال‌های اخیر و با پیشرفت علم فیزیک، طبیعت به گونه متفاوتی توصیف می‌شود. هر ذره موجی در یک میدان است. به عنوان مثال، نور را در نظر بگیرید. نور، هم‌زمان موجی در میدان الکترومغناطیسی و رودی متشکل از ذراتی به نام فوتون است. در حالت بوزون هیگز، میدان اول می‌آید. میدان هیگز برای نخستین بار در سال ۱۹۶۴ پیشنهاد شد. این میدان تمام کیهان را پر کرده است و به تمام ذرات بنیادی، جرم می‌دهد. بوزون هیگز، موجی در این میدان است. کشف این ذره، وجود میدان هیگز را تایید کرد.

میدان هیگز

کشف ذره بوزون هیگز یکی از بزرگ‌ترین و مهم‌ترین اتفاقات در علم فیزیک است. این ذره پس از کشف، ذره خدا نامیده شد. «لئون لدرمن» (Leon Lederman) یکی از برجسته‌ترین فیزیک‌دان‌های قرن بیستم و برنده جایزه نوبل فیزیک، این نام را برای بوزون هیگز برگزید. لدرمن این نام را برای جلب توجه مردم عادی به این ذره، انتخاب کرد و هیچ‌گاه فکر نمی‌کرد که برخی افراد کشف این ذره را به وجود خدا ربط می‌دهند. اما چرا کشف این ذره مهم بود و چرا برای فیزیک‌دان‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است؟

لدرمن
لئون لدرمن

درک فیزیک حاکم بر بوزون هیگز کمی سخت است، زیرا فیزیک ذرات بنیادی با فیزیک نیوتنی یا فیزیک کوانتوم متفاوت است. »دموکریت« (Democritus) فیلسوف یونانی بود و از او به عنوان پدر فیزیک ذرات بنیادی یاد می‌شود. دموکریت معتقد بود که تمام چیزهای اطراف ما مانند آب، مواد جامد و آتش، از نظر بنیادی با یکدیگر متفاوت هستند. بر طبق نظریه دموکریت، تمام مواد موجود در جهان از ذرات بنیادی بسیار کوچکی به نام اتم‌ها ساخته شده‌اند. امروزه می‌دانیم اتم‌ها، کوچک‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده ماده نیستند، بلکه از ذرات کوچک‌تری تشکیل شده‌اند. علم فیزیک از آغاز قرن نوزدهم تاکنون به دنبال یافتن ذرات بنیادی است. اتم از سه ذره به نام‌های الکترون، پروتون و نوترون، تشکل شده است. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا این ذرات، کوچک‌ترین ذرات بنیادی سازنده اتم و ماده هستند. خیر، پروتون و نوترون از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک، گلوئون، نوترینو و میون (موئون) تشکیل شده‌اند.

دلیل اصلی سخت بودن مفهوم بوزون هیگز آن است که جهان از ذرات تشکیل نشده است. همیشه می‌گفتیم ذرات، جهان را ساخته‌اند، اما در واقع این‌گونه نیست. فیزیک جدید، نظر متفاوتی در این مورد دارد. بر طبق نظریه‌های فیزیک جدید، جهان نه از ذرات، بلکه از میدان‌ها ساخته شده است. مکان ذره مشخص است، اما میدان در مکان مشخصی قرار ندارد و در همه جای جهان پخش می‌شود. میدان در واقع عددی در هر نقطه در فضا و زمان است. ذره مکان دارد، اما میدان نوسان و مقدار آن هر لحظه تغییر می‌کند.

به دمای هوا در اتاق فکر کنید. هر نقطه در اتاق، دما دارد. بنابراین دما، میدان است، اما میدان بنیادی نیست. نظریه جدید در مورد ساختار کیهان بیان می‌کند که میدان کوانتومی در هر نقطه در فضا و زمان، نوسان می‌کند. شاید این پرسش را شنیده باشید، نور یا الکترون‌ها، ذره هستند یا موج؟ پاسخ، موج است.هر آنچه به عنوان ذره از آن یاد می‌کنیم، در واقع همان چیزی است که به هنگام نگاه کردن به میدان‌ها، می‌بینیم. شاید از خود بپرسید که چه اهمیتی دارد که جهان به جای ذرات از میدان‌، ساخته شده است. هنگامی که به میدان نگاه می‌کنیم، ارتعاش و ذره را در آن می‌بینیم. کاملا منطقی به نظر می‌رسد که از فیزیک ذرات استفاده کنیم و بگوییم: الکترون را به عنوان ذره در اتم می‌بینیم، گرچه بر طبق فیزیک جدید می‌دانیم که ارتعاشی در میدان الکترونی است. بوزون هیگز رفتار متفاوتی نسبت به ذرات دیگر دارد. بوزون هیگز، ارتعاش در میدانی به نام میدان هیگز است. برخلاف ذرات دیگر مانند الکترون که ارتعاشی در میدان الکترونی یا فوتون که ارتعاشی در میدان الکترومغناطیسی است، ذره بوزون هیگز مهم نیست، بلکه میدان هیگز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

در روز چهارم جولای سال ۲۰۱۲، کشف ذره بوزون هیگز دانشمندان را هیجان‌زده نکرد، بلکه پی بردن به این موضوع که میدان هیگز در سراسر فضا پخش شده است، آن‌ها را به هیجان آورد. ما در میدان هیگز غرق شده‌ایم. کشف این میدان، گام بزرگی در فیزیک ذرات بنیادی بود. هر جایی که می‌رویم، هر کاری که انجام می‌دهیم، از میدان هیگز می‌گذریم. اما چه چیزی میدان هیگز را نسبت به میدان‌های دیگر، خاص و بااهمیت کرده است؟

میدان هیگز چیست ؟

مقدار میدان هیگز، حتی در فضای خالی صفر نیست. گفتیم میدان در هر نقطه از فضا، مقدار دارد. هنگامی که همه چیز را خاموش می‌کنیم و حتی الکترونی در اطراف وجود ندارد، مقدار میدان را می‌توان در هر نقطه برابر صفر قرار داد. مقدار تمام میدان‌هایی که می‌شناسیم در فضای خالی برابر صفر است، اما میدان هیگز یک استثنای منحصربه‌فرد است. این موضوع دلیل اصلی تفاوت میدان هیگز با دیگر میدان‌های موجود در کیهان است. این میدان حتی در فضای خالی وجود دارد و بر هر چیزی در اطرافش اثر می‌گذارد.

میدان هیگز
مقایسه شدت میدان هیگز و شدت میدان الکترون

میدان هیگز دو نقش بسیار مهم در فیزیک ذرات بنیادی، ایفا می‌کند:

نقش اول میدان هیگز در فیزیک ذرات بنیادی

این میدان بر نیروی هسته‌ای ضعیف حکومت می‌کند. همان‌طور که می‌دانیم چهار نیروی بنیادی در طبیعت وجود دارند:

    • نیروی گرانش
    • نیروهای الکتریسیته و مغناطیس یا الکترومغناطیس
    • دو نیروی هسته‌ای:
      • نیروی هسته‌ای ضعیف
      • نیروی هسته‌ای قوی

میدان هیگز بر چگونگی عملکرد نیروی هسته‌ای ضعیف نظارت می‌کند. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا این نظارت مهم است. نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی در زندگی روزمره، قابل درک هستند، زیرا این دو نیرو در محدوده وسیعی گسترش یافته‌اند و بلندبرد هستند.. در مقابل، دو نیروی هسته‌ای ضعیف و قوی در محدوده بسیار کوچکی داخل هسته اتم محبوس شده‌اند و از نوع نیروهای کوتاه‌برد هستند. این سوال برای مدت‌ها ذهن فیزیک‌دان‌ها را به خود مشغول کرده بود: چرا نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی، بلندبرد اما نیروهای هسته‌ای، کوتاه‌برد هستند؟

دلیل‌های زیادی برای کوتاه‌برد بودن نیروهای هسته‌ای وجود دارند. پاسخ برای نیروی هسته‌ای ضعیف در میدان هیگز نهفته است. خط‌های نیرو که از ذره‌ای بیرون و به سمت ذره دیگری حرکت می‌کنند، توسط میدان هیگز جذب می‌شوند. این میدان، دیدگاه فیزیک‌دانان در مورد قوانین حاکم بر طبیعت را دستخوش تغییر بزرگی کرده است. با این میدان به چگونگی برهم‌کنش ذرات بنیادی با یکدیگر، پی می‌بریم.

برهم کنش ضعیف

نقش دوم میدان هیگز در فیزیک ذرات بنیادی

دومین نقش مهم بوزون هیگز یا همان میدان هیگز، جرم‌دار کردن ذرات بنیادی است. درک این موضوع بسیار سخت خواهد بود. چرا برای دادن جرم به ذرات بنیادی به میدان هیگز نیاز داریم؟ چرا ذرات بنیادی بدون حضور میدان هیگز، جرم ندارند؟ نیوتن در حدود ۴۰۰ سال قبل، بدون داشتن کوچک‌ترین آگاهی در مورد ذره بوزون هیگز و میدان آن، جرم زمین را به‌دست آورد. او هیچ چیز در مورد فیزیک ذرات بنیادی و بوزون‌ها یا فرمیون‌ها نمی‌دانست.

فیزیک‌دان معروف، «پاول دیراک» (Paul Dirac)، در اواسط قرن بیستم، نخستین کسی بود که معادله حاکم بر الکترون را به‌دست آورد. او در این معادله جرمی معادل جرم الکترون قرار داد. بر طبق ادعای دیراک در آن زمان، الکترون ذره‌ای جرم‌دار بود. حتی دیراک هم چیزی در مورد میدان هیگز نمی‌دانست، بنابراین توضیحی برای نسبت دادن جرم به الکترون نداشت.

پاول دیراک
پاول دیراک

گفتیم نیروی هسته‌ای ضعیف بسیار پیچیده است. فیزیک‌دان‌های مدت طولانی در تلاش بودند نظریه مناسبی برای توضیح این نیرو بیابند. اکنون، با کشف بوزون هیگز و تایید وجود میدان هیگز، توضیح رفتار حاکم بر این نیرو ساده‌تر شده است. اگر ذره بوزون هیگز و میدان آن وجود نداشت، در دنیای بسیار متفاوتی زندگی می‌کردیم. در این دنیای متفاوت، به احتمال قوی الکترون جرم نداشت، در نتیجه اتم، حتی مولکول، علمی به نام شیمی، حتی زیست و شاید زندگی به معنای آنچه امروز مشاهده می‌کنیم، وجود نداشت.

امروزه مدل بسیار جامع و کاملی به نام مدل استاندارد، در فیزیک ذرات بنیادی وجود دارد. این نظریه تاکنون بسیار موفق بوده است. در این مدل، چهار نیروی موجود در کیهان، متفاوت و دارای ویژگی‌های مختلفی هستند. بوزون هیگز آخرین ذره این مدل است. در ادامه، در مورد این مدل با جرییات بیشتری صحبت خواهیم کرد. توجه به این نکته مهم است که فیزیک‌دان‌ها قبل از کشف ذره بوزون هیگز، می‌دانستند که ذره‌ دیگری باید در مدل استاندارد وجود داشته باشد.

از سال ۱۹۶۰ میلادی، فیزیک‌دان‌های ذرات بنیادی به این نتیجه رسیده بودند که شاید میدانی وجود داشته باشد که تمام فضا را پر کرده است. اکنون می‌دانیم نام این میدان، میدان هیگز است. در جولای سال ۲۰۱۲ و با کشف ذره بوزون هیگز، نظریه استاندارد کامل شد. اکنون می‌دانیم ماده‌ای که همه چیز از آن ساخته شده است، چگونه کار می‌کند. همه چیز از اتم، پروتون، نوترون، الکترون، کوارک و دیگر ذرات بنیادی ساخته شده است. وجود بوزون هیگز برای درک عملکرد آن‌ها در کنار یکدیگر لازم و ضروری است. شاید از خود بپرسید چگونه ۶۰ سال قبل فیزیک‌دان‌ها بدون کشف ذره بوزون هیگز به وجود آن و میدان هیگز، پی بردند. فیزیک‌دان‌های آن زمان در تلاش برای توضیح رفتار طبیعت بودند و به این نتیجه رسیدند که وجود ذره غایبی برای تکمیل این توضیح لازم خواهد بود.

تقارن چیست ؟

گفتیم چهار نیروی بنیادی در طبیعت وجود دارند و ویژگی‌های آن‌ها توسط مدل استاندارد توضیح داده می‌شود. اما سوال جالب آن‌ است که چرا چهار نیرو در کیهان وجود دارد و منشأ آن‌ها کجاست. پاسخ این سوال در مفهومی به نام تقارن، نهفته است. چیزی در جهان وجود دارد که می‌توان آن را چرخاند یا از مکانی به مکان دیگر منتقل کرد، بدون آن‌که ماهیت بنیادی آن را تغییر دهیم. در دهه ۵۰ میلادی نظریه تقارن مطرح شد و منشأ نیروها به آن ربط داده شد. تقارن‌های بسیار قدرتمندی به نام تقارن پیمانه‌ای (Gauge Symmetry) وجود دارند. دلیل کلیدی وجود نیروهای اصلی، وجود این تقارن است. نیرویی که به دلیل تقارن ایجاد می‌شود، همواره بلندبرد است. اما نیروهای هسته‌ای کوتاه‌برد هستند.

تا اینجا، قسمتی از مشکل حل شده است. منشأ نیروهای بلندبرد پیدا شد، اما در مورد نیروهای کوتاه‌برد، مانند نیروهای هسته‌ای چه می‌توان گفت. آیا تقارن در هسته اتم وجود ندارد؟ خیر، تقارن آنجا وجود دارد، اما شکسته می‌شود. در واقع، چیزی در طبیعت وجود دارد که تقارن را می‌گیرد و آن را می‌شکند. اگر این نظریه درست باشد، تقارنی داریم که نیرو را به وجود می‌‌آورد، اما این نیرو به ناحیه بسیار کوچکی محدود می‌شود. شاید بپرسید چگونه چنین تقارنی شکسته می‌شود. برای این کار به میدانی نیاز داریم که تمام فضا را پر کرده و مقدار آن در فضای خالی مخالف صفر است. به طور خلاصه، پاسخ همه این پرسش‌ها در میدان هیگز نهفته است.

  • تقارن، نیرو را به وجود می‌آورد.
  • بیشتر این نیروها بلندبرد هستند، برای آن‌که نیرویی کوتاه‌برد باشد، تقارن باید شکسته شود.
  • میدان هیگز تقارن را می‌شکند و نیروهای هسته‌ای را در محدوده بسیار کوچکی محبوس می‌کند.

میدان هیگز سال‌ها در حد نظریه باقی ماند. بنابراین، فیزیک‌دان‌ها دنبالی راهی برای اثبات آن بودند. برای رسیدن به این هدف، شتاب‌دهنده بسیار قدرتمندتری ساخته شد. رابطه معروف اینشتین را به یاد بیاورید:

$$E = mc^2$$

در این رابطه:

  • $$m$$ جرم ساکن ذره است.
  • $$E$$ انرژی ذره ساکن است.
  • $$c$$ سرعت نور است.

با استفاده از این رابطه می‌توان، انرژی ذره ساکن را به‌دست آورد. اگر انرژی قابل‌توجهی را در محدوده بسیار کوچکی از فضا محبوس کنیم، ذراتی با جرم بیشتر به وجود خواهند آمد. شتاب‌دهنده کار مشابهی را انجام می‌دهد. تحقیق در مورد وجود ذره بوزون هیگز در حدود سال ۱۹۷۰ میلادی آغاز شد. در این سال، نظریه میدان کوانتومی بسیار موفق بود. این نظریه در سال‌های ۱۹۳۰ تا ۱۹۴۰ میلادی مطرح شد، اما تا سال ۱۹۷۰ به طور جدی به آن پرداخته نشد.

شتاب دهنده ذرات بنیادی
شتاب‌دهنده ذرات بنیادی

نکته جالب آن است که هر شتاب‌دهنده‌ای در دنیا از سال ۱۹۷۰ میلادی در جستجوی بوزون هیگز بود. اما هیچ‌کدام از آن‌ها موفق به یافتن این ذره نشدند. سال‌ها بعد بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده ساخته شده به دست انسان به نام «هادرون‌» (Hadron) موفق به انجام این کار شد. این شتاب‌دهنده یکی از قدرتمندترین شتاب‌دهنده‌ها روی کره زمین است. این شتاب‌دهنده ۱۰۰ متر زیرِ زمین و بیرون شهر ژنو، در جایی بین مرز سوییس و فرانسه قرار دارد. همچنین، محیط آن در حدود ۲۷ کیلومتر است. هزینه زیادی در حدود ۹ میلیارد دلار برای ساخت این شتاب‌دهنده صرف شد.

هادرون

تاکنون با مفهوم بوزون هیگز و میدان هیگز آشنا شدیم. برای درک بهتر این مفاهیم آشنایی بیشتر با بوزون، خالی از لطف نیست.

بوزون و فرمیون چیست ؟

ذرات بنیادی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

  1. بوزون‌ها: بوزون هیگز یکی از معروف‌ترین مثال‌های بوزون‌ها است.
  2. فرمیون‌ها: الکترون نوعی فرمیون است.

برای آشنایی با ماهیت این ذرات، دانستن فیزیک کوانتوم الزامی است. پایه و اساس فیزیک کوانتوم، معادله موج است. این معادله، هر سیستم کوانتومی را به زبان ریاضی توصیف می‌کند. تابع موج ارتباط بسیار نزدیکی با توزیع احتمال سیستم مورد مطالعه دارد. فرض کنید سیستم کوانتومی از تک الکترون تشکیل شده است و این الکترون تنها می‌تواند در راستای محور افقی (سیستم یک‌بعدی) حرکت کند. تابع موج این سیستم یک‌بعدی چه اطلاعاتی به ما می‌دهد؟ احتمال قرار داشتن الکترون در هر نقطه روی محور افقی توسط تابع موج داده می‌شود. از آنجا که تابع موج ممکن است در برخی نقاط منفی باشد و توزیع احتمال منفی هیچ معنای فیزیکی ندارد، برای بیان احتمال حضور الکترون در سیستم موردنظر از مربع تابع موج استفاده می‌شود.

تابع احتمالِ سیستمی تک الکترونی در تصویر زیر نشان داده شده است. احتمال حضور الکترون در نقطه قرمزرنگ بسیار کم و نزدیک به صفر و احتمال حضور آن در نقطه زردرنگ بسیار زیاد است.

تابع توزیع احتمال

اکنون سیستم پیچیده‌تری متشکل از دو ذره ‌A و B را در نظر بگیرید. این‌که این دو ذره چه نام دارند مهم نیست، تنها شرط فرضیه آن است که مشابه حالت قبل، حرکت این دو ذره نیز به یک بعد (محور افقی) محدود شده است. نکته مثبت فیزیک کوانتوم آن است که برای هر سیستمی هر چقدر که پیچیده باشد، نوشتن تنها یک معادله موج کافی است.

در حالت تک الکترونی، تابع موج سیستم تنها به r (مکان الکترون روی محور افقی) بستگی دارد. این تابع برای سیستم دوذره‌ای، به $$r_1$$ (مکان ذره A) و $$r_2$$ مکان ذره ۲ (مکان ذره B) بستگی خواهد داشت.

سیستم دو ذره ای
سیستم دو ذره‌ای

تابع توزیع سیستم دو ذره‌ای A و B که به ترتیب در مکان‌های $$r_1$$ و $$r_2$$ هستند به صورت زیر نوشته می‌شود.

$$\psi ^2 (r_1, r_2)$$

حال اگر دو ذره A و B را با یکدیگر جابجا کنیم، تابع توزیع احتمال به صورت زیر نوشته خواهد شد:

$$\psi ^2 (r_2, r_1)$$

در این حالت، ذره A در مکان $$r_1$$ و ذره B در مکان $$r_2$$ قرار گرفته‌اند. این‌که تابع موج یا تابع احتمال به چه شکلی نوشته می‌شوند مهم نیست، نکته مهم یافتن احتمال حضور ذرات در مکان‌های داده شده است. اکنون چند فرض مطرح می‌کنیم. در سیستم مطرح شده گفتیم که دو ذره داریم، چه ذره‌هایی؟ مهم نیست. اما فرض می‌کنیم که این دو ذره در همه زمینه‌ها، مانند جرم و بار، مشابه یکدیگر هستند. بنابراین، تشخیص آن‌ها امکان‌پذیر نخواهد بود. نه‌تنها فرض می‌کنیم که این دو ذره یکسان هستند، بلکه نمی‌توانیم آن‌ها را از یکدیگر تشخیص دهیم. یکسان و غیر قابل‌تشخیص بودن با یکدیگر تفاوت دارند.

هنگامی که دو ذره یکسان هستند، تمام ویژگی‌های آن‌ها مشابه یکدیگر خواهد بود. اما هنوز می‌توانیم آن‌ها را از یکدیگر تفکیک کنیم و برچسب مشخصی برای هر یک از آن‌ها بزنیم. به بیان دیگر، هر یک از ذرات را می‌توان جداگانه در سیستم دنبال کرد. اگر سیستم را برای مدت زمان مشخصی به حال خود رها کنیم و برگردیم، ذره A هنوز ذره A و ذره B هنوز ذره B است. اما رفتار سیستم کوانتومی بسیار عجیب است.

مطلب پیشنهادی:
فیزیک کوانتوم چیست ؟ — از مفاهیم تا کاربردها به زبان ساده
در این مطلب با فیزیک کوانتوم به زبان ساده آشنا می‌شوید و موارد عجیب در فیزیک کوانتوم را فرا خواهید گرفت.

فرض کنید در سیستم کوانتومی یکی از ذرات A و ذره دیگر B نام‌گذاری شده‌اند. سیستم را برای مدت زمان مشخصی به حال خود رها می‌کنیم و بازمی‌گردیم. پس از بازگشت، نمی‌دانیم آیا ذره A در مکان $$r_1$$ و ذره B در مکان $$r_2$$ قرار گرفته‌اند یا خیر. در نتیجه، ذرات را نمی‌توانیم نام‌گذاری کنیم. از این‌رو، دو ذره غیر قابل‌تشخیص هستند. سوالی که باید جواب دهیم آن است که چگونه این فرضیه را به زبان ریاضی بیان کنیم. تابع توزیع این ذرات با تغییر مکان آن‌ها، تغییری نخواهد کرد. به بیان ساده‌تر، سیستم قبل و بعد از تغییر مکان ذرات، یکسان می‌ماند.

فرمول

$$\psi ^2 (r_1, r_2) = \psi ^2 (r_2, r_1)$$

از طرفین رابطه بالا، جذر می‌گیریم:

$$\psi (r_1, r_2) = \pm \psi (r_2, r_1)$$

دو رفتار برای تابع موج سیستم به هنگام تغییر مکان دو ذره، مشاهده خواهیم کرد:

$$\psi (r_1, r_2) = + \ \psi (r_2, r_1)$$

(I)

$$\psi (r_1, r_2) = - \ \psi (r_2, r_1)$$

(II)

در حالت اول، تابع موج قبل و بعد از تعویض ذرات با یکدیگر، تغییری نخواهد کرد. در حالت دوم، تابع موج قرینه می‌شود. بنابراین، ذرات یکسان و غیر قابل‌تشخیص به دو دسته کلی بوزون‌ها و فرمیون‌ها، تقسیم می‌شوند. اگر سیستم از دو بوزون تشکیل شده باشد، تابع موج پس از جابجایی آن‌ها یکسان می‌ماند. در مقابل، اگر سیستم از دو فرمیون تشکیل شده باشد، تابع موج پس از جابجایی آن‌ها، قرینه خواهد شد. بوزون هیگز، فوتون و گلوئون از معروف‌ترین ذرات بوزونی و الکترون و کوارک از معروف‌ترین ذرات فرمیونی هستند. به این نکته توجه داشته باشید که مطالب گفته شده نه‌تنها برای سیستم دو ذره‌ای، بلکه برای سیستم‌هایی متشکل از تعداد زیادی ذره نیز صحیح خواهند بود.

بوزون‌ها رفتاری به نام چگالش بوز-اینشتین از خود نشان می‌دهند. همچنین، رفتار فرمیون‌ها از اصلی به نام اصل طرد پائولی را ایجاد می‌کند.

مدل استاندارد چیست ؟

اگر از پیچیده‌ترین سیستم یعنی انسان شروع کنیم و به سلول، مولکول‌ها، اتم‌ها و ذرات بنیادی برسیم، در پایان به مدل استاندارد ذرات بنیادی خواهیم رسید. این مدل، تاکنون یکی از بهترین مدل‌ها برای توصیف بنیادی‌ترین کمیت‌ها در جهان بوده است. این مدل به چرایی وجود ماده پاسخ نمی‌دهد، اما می‌گوید چه چیزی وجود دارد و چگونه رفتار می‌کند. قبل از توضیح در مورد این مدل باید بدانیم که مدل استاندارد علی‌رغم موفقیت‌های بسیار در توضیح بسیاری از پدیده‌ها، کامل نیست.

تمام ذرات بنیادی که تاکنون کشف شده‌اند در تصویر زیر مشاهده می‌شوند. هر چیزی در جهان از این ذرات بنیادی ساخته شده است. تاکنون ۱۷ ذره بنیادی کشف شده‌اند. این ذرات به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

  • کوارک‌ها
  • لپتون‌ها
  • بوزون‌های پیمانه‌ای (Gauge Bosons)

کوارک‌ها و لپتون‌ها فرمیون و بوزون‌های پیمانه‌ای، بوزون هستند.

مدل استاندارد ذرات
مدل استاندارد ذرات (برای دیدن تصویر در اندازه بزرگ کلیک کنید.)

فرمیون‌ها، ماده فیزیکی را در جهان می‌سازند. در مقابل، بوزون‌ها در برهم‌کنش مواد فیزیکی با یکدیگر، دخالت می‌کنند. این ذرات به عنوان حامل‌های نیرو یا تبادل ذرات نیز شناخته می‌شوند. اما عاملی که فرمیون‌ها را از بوزون‌ها جدا می‌کند، اسپین نام دارد. اسپین فرمیون‌ها برابر $$\frac {1} {2}$$ و اسپین بوزون‌ها یک یا صفر برای ذره بوزون هیگز، است. مفهوم اسپین در فیزیک کوانتوم، شباهت زیادی به تکانه زاویه‌ای دارد، اما اسپین به طور ذاتی در ذرات بنیادی وجود دارد و به عنوان تکانه زاویه‌ای ذاتی نیز شناخته می‌شود. اسپین یا چرخش نام گمراه‌کننده‌ای است. این مفهوم، با آنچه در زندگی روزمره به عنوان چرخش توپ یا هر جسم دیگری می‌شناسیم، بسیار متفاوت است. وقتی در مورد اسپین ذرات بنیادی صحبت می‌کنیم، باید بدانیم که هیچ شباهت کلاسیکی برای این کمیت وجود ندارد. صحبت در مورد این کمیت به زبان ساده کمی سخت است، اما در ادامه تلاش می‌کنیم آن را به صورت مفهوم توضیح دهیم.

اسپین چیست ؟

در فیزیک کوانتوم، هر ذره یک تابع موج دارد. اسپین ذره به ما می‌گوید که آن تابع موج ذره به هنگام چرخش در فضای سه‌بعدی، چه رفتاری از خود نشان می‌دهد. هنگامی که ذره‌ای با اسپین یک می‌چرخد، ابتدا رخ یک، سپس رخ دو و دوباره رخ یک را می‌بینیم. بنابراین، هنگامی که ذره‌ با اسپین یک، یک دور کامل می‌چرخد، تابع موج آن تغییری نخواهد کرد. در مقابل، اگر ذره‌ای با اسپین $$\frac {1} {2}$$ بچرخد، رخ یک را پس از دو چرخش کامل، دوباره خواهیم دید. به این صورت که ابتدا رخ یک، سپس رخ دو، سپس رخ سه، دوباره رخ دو و در پایان رخ یک مشاهده می‌شوند. از این‌رو، تابع موج پس از دو چرخش کامل، مشابه حالت اول خواهد شد.

چگونگی عملکرد اسپین در اینجا برای ما مهم نیست. آنچه مهم است نتایج به‌دست آمده از وجود دو نوع اسپین است.

نتیجه اول

اسپین باید پایسته باشد. پایستگی اسپین، یکی از قوانین پایستگی فیزیک ذرات بنیادی است. قانون‌های زیادی در مورد چگونگی برهم‌کنش ذرات بنیادی با یکدیگر وجود دارند. این قوانین به عنوان قوانین پایستگی ذرات بنیادی شناخته می‌شوند. بر طبق این قوانین، ثابت‌هایی مانند اسپین در فیزیک ذرات بنیادی وجود دارند که به هنگام برهم‌کنش ذرات با یکدیگر تغییر نمی‌کنند. مقدار اسپین قبل از برهم‌کنش ذرات بنیادی با یکدیگر باید با مقدار آن پس از برهم‌کنش، برابر باشد. به عنوان مثال، برهم‌کنش الکترون و پادالکترون (پوزیترون‌‌) را در نظر بگیرید.

این دو ذره پس از برهم‌کنش با یکدیگر نابود می‌شوند و فوتون به وجود می‌آید. این واکنش از نظر فیزیکی امکان‌پذیر است، زیرا اسپین الکترون و پوزیترون برابر $$\frac {1} {2}$$ و جمع اسپین آن‌ها برابر یک است. اسپین فوتون تولید شده نیز برابر یک خواهد بود، بنابراین اسپین قبل و بعد از این برهم‌کنش برابر است و پایسته باقی می‌ماند. از فیزیک دبیرستان به یاد داریم که انرژی پایسته است. همچنین، در فیزیک دانشگاهی آموختیم که تکانه خطی و زاویه‌ای نیز پایسته هستند. این موارد نه‌تنها در فیزیک ذرات بنیادی، بلکه در فیزیک در حالت کلی نیز پایسته هستند.

اسپین الکترون

نتیجه دوم

نتیجه اول، پایستگی اسپین به هنگام برهم‌کنش ذرات با یکدیگر بود. در ادامه، در مورد نتیجه دوم صحبت می‌کنیم. گروهی از بوزون‌ها و گروهی از فرمیون‌ها را در نظر بگیرید. رفتار فرمیون‌ها به صورت دسته‌جمعی در یک گروه بسیار با رفتار بوزون‌های دسته‌جمعی در یک گروه، تفاوت دارد. هنگامی‌ که الکترو‌ن‌ها در یک گروه کنار یکدیگر قرار می‌گیرند از اصلی به نام اصل طرد پائولی پیروی می‌کنند. بر طبق این اصل، فرمیون‌ها نمی‌توانند حالت کوانتومی یکسانی داشته باشند. شکل اتم‌ها و چگونگی قرار گرفتن الکترون‌ها در آن‌ها به دلیل اصل طرد پائولی است. اگر اصل طرد پائولی وجود نداشت، رفتار و ویژگی‌های تمام عناصر در جدول تناوبی مشابه هیدروژن بود.

مطلب پیشنهادی:
اصل طرد پائولی چیست ؟ — از صفر تا صد
طبق اصل طرد پائولی هیچ دو الکترونی در جهان نمی‌توانند هم‌زمان حالت کوانتومی یکسانی را پر کنند. در این مطلب به این بیان این اصل می‌پردازیم.

برخلاف فرمیون‌ها، بوزون‌ها می‌توانند حالت‌های کوانتومی یکسانی داشته باشند. این رفتار سبب پیدایش بسیاری از پدیده‌های فیزیکی مانند ابرشاره، ابررسانا و لیزرها شده است. همچنین، تمام نیروهایی که می‌شناسیم از برهم‌کنش بوزون‌های مجازی با ذرات واقعی، به وجود آمده‌اند. ذکر این نکته مهم است که این قوانین تنها برای ذرات بنیادی به کار نمی‌روند. این قوانین برای گروهی از ذرات نیز به کار برده می‌شوند.

به عنوان مثال، هلیوم به عنوان یک بوزون ترکیبی شناخته می‌شود، زیرا دو الکترون دارد و جمع اسپین‌های آن‌ها برابر یک است. این بدان معنا است که اتم هلیوم شبیه بوزون رفتار می‌کند. اگر تعداد زیادی اتم هلیوم را در کنار یکدیگر قرار دهیم و دمای آن‌ها را تا جایی پایین بیاوریم که مایعی از اتم‌های هلیوم داشته باشیم، تمام آن‌ها حالت کوانتومی یکسانی را اشغال می‌کنند و ابرشاره شکل می‌گیرد. گرانروی ابرشاره‌ها برابر صفر است.

تا اینجا با دو نتیجه اصلی اسپین آشنا شدیم. به مدل استاندارد برمی‌گردیم. ذرات فرمیونی قرار گرفته در این مدل به دو بخش کلی تقسیم می‌شوند:

  • لپتون‌ها
  • کوارک‌ها

ابتدا، کوارک را توضیح می‌دهیم.

کوارک چیست ؟

کوارک هیچ‌گاه به صورت تکی وجود ندارد. کوارک‌ها همواره به صورت پیوندی و جفت با یکدیگر یافت می‌شوند. کوارک‌های جفت به سه دسته تقسیم می‌شوند:

  • کوارک بالا و پایین
  • کوارک افسون و شگفت
  • کوارک سر و ته

کوارک‌های بالا و پایین، پروتون و نوترون را می‌سازند. کوارک‌های همچنین می‌توانند در پیکر‌بندی دیگری به نام پایون به یکدیگر متصل شوند. این ذره از کوارک و پادکوارک تشکیل شده است. تمام کوارک‌ها مانند الکترون‌ها، بار الکتریکی دارند، اما مقدار بار الکتریکی آن‌ها متفاوت است. به عنوان مثال، بار الکتریکی کوارک بالا برابر $$\frac {2} {3}$$ و بار الکتریکی کوارک پایین برابر $$- \ \frac {1} {3}$$ است. این کوارک‌ها با قرار گرفتن در کنار یکدیگر، بار کلی را می‌دهند. به عنوان مثال، پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین ساخته شده است، بنابراین بار الکتریکی آن برابر $$+ \ 1$$ است. نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده و بار الکتریکی آن برابر صفر به‌دست می‌آید. ذکر این نکته مهم است که بار الکتریکی به هنگام برهم‌کنش ذرات بنیادی با یکدیگر، پایسته و ثابت باقی می‌ماند.

پایون
پایون

کوارک‌ با تمام نیروهای بنیادی طبیعت، یعنی نیروهای الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و قوی (میدان الکترومغناطیسی، میدان ضعیف و قوی)، برهم‌کنش می‌کند. کوارک‌ها تنها ذراتی هستند که نیروی قوی و حامل این نیرو یعنی گلوئون‌ها، را احساس می‌کنند. اگر دقت کرده باشید گاهی به جای نیروی الکترومغناطیسی و نیروی قوی از میدان الکترومغناطیسی و میدان قوی استفاده می‌شود. کلمه میدان از نظریه میدان کوانتومی می‌آید. نظریه میدان کوانتومی از قوانین بنیادی حاکم بر چگونگی برهم‌کنش ذرات بنیادی با یکدیگر، تشکیل شده است. براساس نظریه میدان کوانتومی، برای هر ذره بنیادی، میدانی مربوط به آن ذره وجود دارد.

در واقع، ذرات حالت‌های برانگیخته‌ کوانتای میدانشان هستند. بنابراین، این نیروها توسط میدان‌های خاصی حمل می‌شوند. هنگامی که می‌گوییم بوزون‌ها حامل‌های نیرو هستند، منظور حمل نیرو توسط میدان‌های مرتبط با آن‌ها است. در مطالب بالا در مورد میدان هیگز صحبت کردیم. باید بدانیم که این میدان، نیرو را به وجود نمی‌آورد، اما ذرات بنیادی مانند فوتون، بوزون‌های زد و دبلیو  (بوزون Z و بوزون W) و گلوئون، جرم خود را از برهم‌کنش با این میدان به‌دست می‌آورند.

نظریه میدان کوانتومی
نظریه میدان کوانتومی

کوارک‌های دیگر مانند افسون و شگفت یا سر و ته، شبیه کوارک‌های بالا و پایین هستند، اما جرم آن‌ها بیشتر است. همچنین، این کوارک‌ها ناپایدار هستند و در نخستین لحظات پس از بیگ‌بنگ توسط نیروی ضعیف به کوارک‌های بالا و پایین تبدیل شدند. اما این بدان معنی نیست که امروزه نمی‌توان این کوارک‌های سنگین‌تر را در جهان یافت. آن‌ها را می‌توان در امواج کیهانی با انرژی بالا مانند ابرنواختر یا ستاره‌های نوترونی، یافت. حتی می‌توان این کوارک‌های سنگین‌تر را در شتاب‌دهنده‌ها تولید کرد. با توجه به ویژگی‌های کوارک‌ها دو قانون دیگر را نیز می‌توان به قوانین پایستگی اضافه کرد:

  • عدد باریونی
  • بار رنگی

عدد باریونی چیست ؟

پروتون و نوترون، باریون هستند. در حالت کلی، به هر ذره‌ای که کوارک‌های تشکیل‌دهنده آن، فرد باشد، باریون گفته می‌شود. از آنجا که کوارک به صورت تکی وجود ندارد، ذرات باریونی حداقل از سه کوارک یا بیشتر تشکیل شده‌اند. عدد باریونی برای کوارک‌ها برابر $$\frac {1} {3}$$ و برای پادکوارک‌ها برابر $$- \ \frac {1} {3}$$ است. کوارک و پادکوارک با قرار گرفتن در کنار یکدیگر، به پروتون و نوترون، عدد باریونی یک و به پادپروتون و پادنوترون عدد باریونی ۱- را می‌دهند. شاید از خود بپرسید، پادذره یا ضدذره چیست. در ادامه، در این مورد صحبت می‌کنیم.

پادذره چیست ؟

تمام فرمیون‌ها، پادذره دارند. جرم ذره و پادذره متناظرش یکسان است، اما ویژگی‌های دیگر آن‌ها مانند بار، عدد باریونی و عددهای کوانتومی دیگر، معکوس یا قرینه یکدیگر هستند. تصویر زیر، چند مثال از ذره و پادذره را مشاهده می‌کنید.

پادذره

بار رنگی چیست ؟

بار رنگی یکی از ویژگی‌های مهم کوارک‌ها و گلوئون‌ها و قسمت مهمی در برهم‌کنش نیروی قوی است. به طور مفهومی، بار رنگی و بار الکتریکی مشابه یکدیگر هستند، اما سه نوع بار رنگی داریم:

  1. قرمز
  2. سبز
  3. آبی

هر کوارکی نمی‌تواند با پیوستن به کوارک دیگر، پروتون یا نوترون را تشکیل دهد. کنار هم قرار گرفتن کوارک‌ها از قانون مشخصی پیروی می‌کند. ذره تشکیل شده از کوارک‌ها باید از نظر رنگی خنثی باشد. این بدان معنا است که یک کوارک از هر رنگ (یک کوارک آبی، یک کوارک قرمز و یک کوارک سبز) به هنگام تشکیل پروتون یا نوترون در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. رنگ‌های آبی، سفید، قرمز رنگ‌های پایه هستند که با ترکیب شدن با یکدیگر، رنگ سفید را می‌سازند. سفید، رنگ خنثی است. باید بدانیم که رنگ‌های نسبت داده شده هیچ شباهتی به رنگ‌های اطرافمان، ندارند.

پادکوارک‌ها، پاد رنگ دارند. به عنوان مثال، کوارک سبز و کوارک پادسبز با قرار گرفتن در کنار یکدیگر پایون را تشکیل می‌دهند. پایون از نظر بار رنگی خنثی است، زیرا دو رنگ مخالف کنار هم قرار گرفته‌اند و یکدیگر را خنثی می‌کنند.

پادرنگ

گاهی به جای رنگ، از بردارهایی با جهت‌های مشخصی استفاده می‌شود. این بردارها نمی‌توانند بچرخند. از آن‌های می‌توان برای تولید ذره‌ای معتبر استفاده کرد. به بیان دیگر، بردارهایی که با قرار گرفتن در کنار یکدیگر مسیر بسته‌ای را تشکیل دهند، ذره‌ای مانند پروتون و نوترون ایجاد می‌کنند. گفتیم کوارک‌ها با استفاده از نیروی قوی با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند. گلوئون‌ها در اثر این برهم‌کنش به وجود می‌آیند.

لپتون چیست ؟

ذرات دیگری به نام لپتون‌ها نیز در مدل استاندارد وجود دارند. الکترون، یکی از معروف‌ترین لپتون‌ها است. میون و تاو شبیه الکترون هستند، اما جرم بیشتری نسبت به آن دارند. همچنین، مشابه کوارک‌های سنگین‌تر، این ذرات نیز ناپایدار هستند. تمام میون‌ها و تاوها که در بیگ‌بنگ به وجود آمدند، در کسری از ثانیه پس از بیگ‌بنگ توسط نیروی ضعیف به الکترون تبدیل شدند. الکترون‌ها، میون‌ها و تاوها با تمام نیروهای بنیادی جز نیروی قوی، برهم‌کنش می‌کنند و جرم خود را از میدان هیگز به‌دست می‌آورند.

نوترینوها گروه دیگری از لپتون‌ها هستند که جرم بسیار کوچکی دارند و حامل بار الکتریکی نیستند. این ذرات، تنها با نیروی قوی برهم‌کنش دارند. بنابراین، آشکارسازی نوترینوها بسیار سخت خواهد بود، زیرا به ندرت با ماده برهم‌کنش می‌کنند. سه نوع نوترینو وجود دارد:

  • نوترینوی الکترون
  • نوترینوی میون
  • نوترینوی تاو

هر یک از این نوترینوها، عدد کوانتومی منحصربه‌فردی به نام عدد لپتون، دارند. عدد لپتون نیز یکی دیگر از عددهای کوانتومی پایسته است. واپاشی بتا را در نظر بگیرید که در آن بوزون دبلیو به الکترون و پادنوترینوی الکترون واپاشی می‌شود. عدد لپتون الکترون ۱+ و عدد لپتون پادنوترینوی الکترون برابر ۱- است. این دو عدد یکدیگر را خنثی می‌کنند، بنابراین واکنش با عدد صفر آغاز می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که عددهای لپتون مستقل از یکدیگر هستند.

گفتیم آشکارسازی نوترینو به دلیل برهم‌کنش بسیار محدود آن با ماده، کار بسیار سختی است. واکنش‌های هسته‌ای به صورت زنجیره‌ای در خورشید رخ می‌دهند و نوترینوهای آزاد شده به طور مداوم به زمین فرستاده می‌شوند (در حدود ۴۰۰ میلیارد نوترینو در هر ثانیه). تا سال‌ها نوترینوها بدون جرم در نظر گرفته می‌شدند، اما اکنون می‌دانیم که جرم آن‌ها بسیار کوچک است. مقدار جرم نوترینو هنوز مشخص نیست اما می‌دانیم که از صفر بزرگ‌تر و مجموع جرم‌های سه نوع نوترینو از ۰/۳ الکترون‌ولت کمتر است.

جرم نوترینو

از آنجا که نوترینوها جرم دارند، بین عددهای لپتون مختلف می‌توانند نوسان کنند. به عنوان مثال، نوترینوی الکترون که در واپاشی بتا تولید می‌شود، عدد‌های لپتون مختلی دارد. ویژگی مهم دیگر نوترینوها، «کایرالیته» (Chirality) یا دست‌سانی است. نوترینوها، چپ‌دست یا راست‌دست هستند. این ویژگی در تمام ذرات بنیادی مشاهده شده است، اما برای نوترینو تنها حالت چپ‌دست و برای پادنوترینو، تنها حالت راست‌دست مشاهده شده است.

دست سانی

در مطالب بالا در مورد تقارن در فیزیک به طور خلاصه صحبت کردیم. فرض کنید،‌ جهان مقابل آینه‌ای بزرگ قرار می‌گیرد. آیا قوانین فیزیک در تصویر جهان در آینه، یکسان باقی خواهند ماند؟ اگر پاسخ به این پرسش بله باشد، جهان نسبت به تصویر خود در آینه، متقارن است. به این نوع تقارن، تقارن پاریته می‌گوییم. اکنون از خود خواهید پرسید که آیا جهان، تقارن پاریته دارد، بله، اما نوترینو از این قاعده مستثنی است. نوترینوی چپ‌دست در جهان اولیه به نوترینوی راست‌دست در تصویر آن در آینه تبدیل می‌شود. اما نوترینوی راست‌دست وجود ندارد، بنابراین دو جهان متقارن نیستند.

به دلیل مشابه، نوترینوها تقارن دیگری را نیز می‌شکنند. اگر به صورت آنی، تمام ذرات موجود در جهان را به پادذره‌های نظیر آن‌ها تبدیل کنید، آیا جهان مانند قبل باقی خواهد ماند؟ بیشتر بله، اما نوترینوها استثنا هستند. اگر نوترینوی چپ‌دست داشته باشید و آن را به پادذره تبدیل کنید، به پادنوترینوی چپ‌دست تبدیل می‌شود، که وجود ندارد.

بار دیگر به قوانینی پایستگی برمی‌گردیم. در بیشتر حالت‌ها در فیزیک، تقارن پاریته یا تصویر آینه‌ای برقرار است، اما نیروی ضعیف به علت تولید نوترینو از این قاعده مستثنی است. این حالت برای تقارن بار نیز صدق می‌کند. حال اگر از دو تقارن بار و پاریته استفاده کنیم، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ پایستگی این ترکیب توسط برهم‌کنش نیروهای ضعیف، حفظ می‌شود، زیرا این دو انتقال در کنار یکدیگر ما را به نوترینویی که وجود دارد می‌رساند. به این تقارن، تقارن بار-پاریته یا (Charge Parity Symmetry| CP Symmetry) گفته می‌شود. آیا این تقارن در مورد همه ذرات بنیادی صدق می‌کند؟ خیر.

تقارن دیگری به نام تقارن زمان معکوس وجود دارد، به این صورت که زمان به طور آنی به عقب حرکت می‌کند.

تقارن CPT

بار دیگر برهم‌کنش ذرات را در نظر بگیرید و تبدیل‌های زیر را به ترتیب اعمال کنید:

  • پاریته
  • بار
  • زمان

ترکیب این سه تبدیل در تمام برهم‌کنش‌های ذرات با یکدیگر، پایسته است. به این سه تبدیل در کنار یکدیگر تقارن CPT، گفته می‌شود.

تقارن CPT

بوزون چیست ؟

بوزون‌ها را به عنوان حامل نیرو می‌شناسیم. بوزون‌های دبلیو و زد، حامل نیرو برای نیروی ضعیف هستند. جرم آن‌ها بسیار زیاد است و در اثر برهم‌کنش با میدام هیگز می‌آید. بوزون زد، بار الکتریکی ندارد، بنابراین تنها با نیروی ضعیف برهم‌کنش می‌کند. اما بوزون دبلیو، بارهای مثبت و منفی دارد، از این‌رو با نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف، برهم‌کنش دارد. آخرین ذره مدل استاندارد، ذره بوزون هیگز است که در بالا در مورد آن صحبت کردیم. ذره بوزون هیگز از میدان هیگز می‌آید. ذرات به جز نوترینو، جرم خود را به دلیل برهم‌کنش با میدان هیگز به‌دست می‌آورند.

بوزون هیگز چگونه کشف شد ؟

وجود ذره‌ای به نام بوزون هیگز برای نخستین بارتوسط فیزیک‌دانی به نام «پیتر هیگز» (Peter Higgs) در سال ۱۹۶۴ پیش‌بینی شد. تا سال‌ها، اهمیت این پیش‌بینی برای بسیاری از دانشمندان، از جمله هیگز، از بین رفته بود. اما به تدریج مشخص شد که هیگز نه‌تنها در سیرک ذرات بنیادی نقش فرعی ندارد، بلکه نمایش اصلی از روی این ذره نوشته شده است. بعدهای مشخص شد که این ذره و میدان مرتبط با آن به تمام ذرات بنیادی جرم می‌دهند و در نتیجه، ساختار کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیاره‌ها را تعریف می‌کنند. تا سال‌ها، این پیش‌بینی در حد نظریه باقی ماند، تا آن‌که در روز چهارم جولای سال ۲۰۱۲ میلادی، آنچه باید اتفاق افتاد و وجود این ذره به طور تجربی تایید شد.

کشف ذره بوزون هیگز
لحظه کشف ذره بوزون هیگز

ذره بوزون هیگر در شتاب‌دهنده بسیار قدرتمندی به نام هادرون کشف شد. شاید از خود بپرسید چرا برای کشف این ذره نیاز به ساخت چنین شتاب‌دهنده قدرتمند با هزینه‌ای بسیار زیاد بود. این ذره در طبیعت یافت نمی‌شود، پایداری آن به قدری کوتاه است که اگر در جایی در طبیعت تولید شود، بلافاصله به ذرات دیگر تبدیل خواهد شد. بنابراین، تنها راهی که می‌توان به وجود این ذره و ویژگی‌های آن پی برد، ساختن آن است. برای ساخت این ذره به انرژی نیاز داریم. اما این انرژی از کجا می‌آید؟ بر طبق رابطه معروف اینشتین می‌دانیم که هر ذره‌ جرم‌داری، انرژی دارد.

انرژی انواع و شکل‌های مختلفی دارد. شکل‌های مختلف انرژی می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. به عنوان مثال، جسمی را به سمت بالا پرتاب می‌کنیم. در ارتفاع صفر و در لحظه آغاز حرکت، تمام انرژی آن از نوع انرژی جنبشی است. هرچه ارتفاع جسم از سطح زمین بیشتر شود، انرژی جنبشی کاهش و انرژی پتانسیل افزایش می‌یابد. در ارتفاع مشخصی، تمام انرژی جنبشی جسم به انرژی پتانسیل تبدیل شده است.

اکنون برخورد دو ذره با یکدیگر را در نظر بگیرید. دو نوع انرژی در برخورد دو ذره با یکدیگر مهم هستند:

  1. انرژی جنبشی
  2. جرم، بنا بر رابطه اینشتین می‌دانیم که جرم و انرژی معادل یکدیگر هستند.

بنابراین، در برخورد ذرات با یکدیگر، انرژی جنبشی می‌توان به جرم تبدیل شود. دو ذره بسیار سبک را در نظر بگیرید. آن‌ها را با انرژی جنبشی زیاد به سمت یکدیگر حرکت دهید. از برخورد این دو ذره با هم، ذره جدید تولید خواهد شد. برای انجام این کار به یک شتاب‌دهنده بسیار قوی نیاز داریم. کمی در مورد ساختار داخلی شتاب‌دهنده صحبت می‌کنیم.

شتاب‌دهنده از آهن‌رباهای زیادی تشکیل شده است. دو لوله خلأ داخل این آهن‌رباها وجود دارند. داخل این لوله‌های خلأ، دو پرتو پروتونی در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند. انرژی زیادی به این پروتون‌ها می‌دهیم. این پرتوها با انرژی زیادی در نقطه مشخصی درون شتاب‌دهنده به یکدیگر برخورد می‌کنند. قسمتی از انرژی پرتو اول و قسمتی از انرژی پرتو دوم، صرف تولید ذره‌ای جدید می‌شوند. در اینجا باید به یک نکته توجه داشته باشیم. از آنجا که پروتون‌ها از کوارک‌ها و گلوئون‌ها ساخته شده‌اند، برخورد نه بین پروتون با پروتون، بلکه بین سازنده‌های آن‌ها رخ می‌دهد. بنابراین، قسمتی از انرژی پروتون به هنگام برخورد استفاده می‌شود. نکته مهم آن است که بعد از برخورد این ذرات با یکدیگر، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

داخل شتاب دهنده

اتفاقات رخ داده به هنگام برخورد ذرات بنیادی با یکدیگر توسط فیزیک کوانتوم توضیح داده می‌شود. فیزیک‌دان‌ها با استفاده از معادلات بسیار پیچیده فیزیک کوانتوم، برخورد ذرات بنیادی با یکدیگر را توضیح می‌دهند و امکان تولید ذره بنیادی جدید را پیش‌بینی می‌کنند. اما هیچ تضمینی برای تولید ذره پیش‌بینی شده پس از برخورد پرتوهای پروتونی وجود ندارد.

تولید و آشکارسازی ذره بوزن هیگز

مرحله اول تولید ذره بوزون هیگز است. انرژی پروتون‌های برخوردکننده داخل شتاب‌دهنده در حدود ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از جرم بوزون هیگز است. این ذره شاید پس از میلیاردها برخورد، تولید شود. باید بدانیم که در یک ثانیه در حدود ۴۰ میلیون برخورد در شتاب‌دهنده هادرون رخ می‌دهد. در این تعداد برخورد در ثانیه، در حدود ۳۰ جفت پروتون به یکدیگر برخورد می‌کنند. در پایان، در هر ثانیه یک ذره بوزون هیگز تولید خواهد شد.

فرض کنید بوزون هیگز تولید شده است، سوالی که باید به آن پاسخ دهید آن است که از کجا می‌دانیم ذره تولید شده واقعا بوزون هیگز است. آشکارسازی این ذره چگونه انجام می‌شود؟ برای انجام این کار از آشکارسازهای بسیار پیشرفته‌ای استفاده شده است. این آشکارسازها می‌توانند ذراتی مانند الکترون‌ها، میون‌ها، فوتون‌ها و دیگر ذرات بنیادی را شناسایی کنند. آیا آن‌ها ذره بوزون هیگز را نیز شناسایی خواهند کرد؟ خیر، زیرا این ذره برای مدت زمان طولانی نمی‌تواند وجود داشته باشد. طول عمر این ذره در حدود $$10^{-22}$$ ثانیه است. بنابراین، همان لحظه‌ای که تولید می‌شود، بلافاصله به ذرات دیگر تبدیل خواهد شد. این ذره هیچ شانسی برای رسیدن به آشکارساز ندارد. در نتیجه، توسط آشکارساز شناسایی نمی‌شود، پس فیزیک‌دان‌ها از کجا به وجود این ذره پی بردند؟

پاسخ سوال بالا در چگونگی واپاشی بوزون هیگز و تبدیل آن به ذرات بنیادی دیگر نهفته است. مدهای مختلفی برای واپاشی وجود دارند. ذره بوزون هیگز می‌تواند به ذرات بنیادی مختلفی تبدیل شود، اما تبدیل آن به دو فوتون قابل‌توجه خواهد بود. این نکته را به یاد داشته باشید که بوزون هیگز نمی‌تواند به طور مستقیم به دو فوتون تبدیل شود. جزییات این مسئله نیازمند دانش عمیقی در مورد فیزیک ذرات بنیادی است که در اینجا به آن نمی‌پردازیم. نکته مهم وجود بوزون هیگز در ابتدا و دو فوتون در انتهای فرایند است. بنابراین، دو فوتون تولید پس از نابودی بوزون هیگز توسط آشکارساز، شناسایی خواهند شد.

اما مشکل دیگری نیز وجود دارد. فوتون‌های زیادی توسط آشکارساز شناسایی می‌شوند. راه‌های بسیار زیادی برای تولید فوتون به هنگام برخورد ذرات بنیادی با یکدیگر وجود دارند. از این‌رو، دیدن دو فوتون به طور هم‌زمان نشانه‌ای بر وجود اولیه بوزون هیگز نخواهد بود. برای درک این موضوع باید نگاه دقیق‌تری به واپاشی هیگز داشته باشیم.

فرض کنید ذره بوزون هیگز تولید شده و در مرکز شتاب‌دهنده قرار گرفته است. اگر بوزون هیگز تولید شده ساکن باشد، انرژی کل سیستم برابر است با:

$$E = mc^2$$

اگر این ذره واپاشیده شود، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ دو فوتون خواهیم داشت که در جهت‌های مخالف یکدیگر حرکت می‌کنند. در این حالت، انرژی سیستم به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$E = (m_1 c^2 + E_{k1}) + (m_2 c^2 + E_{k2})$$

در این رابطه:

  • $$m_1$$ و $$m_2$$ جرم فوتون‌های تولید شده پس از واپاشی ذره بوزون هیگز هستند.
  • $$E_{k1}$$ و $$E_{k2}$$ انرژی جنبشی فوتون‌های تولید شده پس از واپاشی ذره بوزون هیگز هستند.

اما جرم فوتون برابر صفر است، بنابراین عبارت‌های $$m_1 c^2$$ و $$m_2c^2$$ در عبارت نوشته شده برابر صفر خواهند بود. انرژی‌های جنبشی دو فوتون به دلیل پایستگی تکانه خطی، با یکدیگر برابر هستند.

$$E_{k1} = E_{k2}$$

از آنجا که انرژی کل سیستم تغییر نکرده است، داریم:

$$mc^2 = 2 E_{k1} \\ E_{k1} = \frac {1} {2} mc^2 \\ E_{k2} = \frac {1}{2} m c^2$$

بنابراین، در این فرایند جرم بوزون هیگز به انرژی دو فوتون تبدیل می‌شود. آشکارساز استفاده شده در شتاب‌دهنده ذرات بنیادی، این دو فوتون را آشکار می‌کند و انرژی آن‌ها را اندازه می‌گیرد. بنابراین، با دیدن دو فوتونی که انرژی مساوی برابر نصف جرم بوزون هیگز دارند و در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند، به این نتیجه می‌رسیم که ذره هیگز تولید شده است. اما مشکلی در اینجا وجود دارد. این موضوع، تنها برای حالتی درست است که بوزون هیگز تولید شده در حالت سکون و تکانه آن برابر صفر باشد. این حالت رخ نمی‌دهد، زیرا تکانه بوزون هیگز تولید شده در اثر برخورد ذرات دیگر با یکدیگر، هیچ‌گاه صفر نخواهد شد. در نتیجه، فوتون‌های ایجاد شده پس از واپاشی بوزون هیگر، در خلاف جهت یکدیگر حرکت نمی‌کنند و انرژی‌های متفاوتی دارند. بنابراین، جمع انرژی‌های آن‌ها با یکدیگر منطقی نخواهد بود.

خبر خوب این‌که این مساله خیلی مهم نیست. حتی در این حالت نیز با انتخاب راهی متفاوت می‌توان جرم بوزون هیگز را به‌دست آورد. برای یک لحظه فراموش کنید که طول عمر هیگز بسیار کوتاه است. غیر صفر بودن تکانه بوزن هیگز بدان معنا است که این ذره حرکت می‌کند. فرض کنید همراه هیگز و با سرعتی برابر سرعت حرکت آن، حرکت می‌کنید. برای ناظری که همراه هیگز حرکت می‌کند، این ذره ساکن به نظر می‌رسد. برای درک بهتر این موضوع، به مثال زیر توجه کنید.

فرض کنید در قطاری که با سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند نشسته‌اید. اگر قطار دیگری نیز با همین سرعت در کنار شما حرکت کند، از آنجا که سرعت نسبی دو قطار نسبت به یکدیگر برابر صفر است، حرکت قطار دوم را احساس نخواهید کرد. در مورد بوزون هیگز و ناظر فرضی نیز اتفاق مشابهی رخ می‌دهد. در نتیجه، مشابه حالتی که ذره بوزون هیگز را ساکن فرض کردیم، فوتون‌های تولید شده با انرژی یکسان در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند. جرم هیگز برابر جمع انرژی‌های دو فوتون است.

در آشکارساز ذرات بنیادی، تنها می‌توانیم انرژی و جهت حرکت فوتون‌ها را اندازه بگیریم. با استفاده از این محاسبات، حرکت ذره بوزون هیگز یا تکانه آن را به‌دست می‌آوریم. در ادامه، چارچوب مرجع مرکز جرم را محاسبه می‌کنیم. انرژی فوتون‌ها را در این چارچوب اندازه می‌گیریم. انرژی‌های به‌دست آمده را با یکدیگر جمع و در نهایت جرم بوزون هیگز را محاسبه می‌کنیم. در عمل، کاری که انجام می‌شود کمی متفاوت است. از آنجا که هیگز حرکت می‌کند، انرژی آن به صورت زیر به‌دست می‌آید:

$$E^2 =( mc^2) ^ 2+ (pc)^2$$

در رابطه بالا، $$p$$ تکانه ذره بوزون هیگز است. از رابطه فوق، جرم را به‌دست می‌آوریم:

$$mc^2 = \sqrt{ E^2 - (pc)^2}$$

اگر سیستم تنها از یک ذره تشکیل شده باشد، جرم آن با استفاده از رابطه بالا به‌دست می‌آید. اگر ذره موردنظر به ذرات دیگر واپاشی شود، جرم کل سیستم باز هم برابر جرم ذره اولیه خواهد بود. در این حالت، به جای انرژی یا تکانه تنها، باید جمع انرژی‌ها و تکانه‌های ذرات مختلف را قرار دهیم.

$$mc^2 = \sqrt{ (\sum E)^2 - |\sum \overline{p}c|^2}$$

اگر در چارچوب مرجع مرکز جرم ذره بوزون هیگز باشیم، جمع تکانه‌های فوتون‌ها برابر صفر و جرم ثابت سیستم برابر جمع انرژی‌های فوتون‌های تولید شده است. اما اگر در چارچوب متفاوتی باشیم، رابطه بالا به طور کامل استفاده خواهد شد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا با انجام این کار، تولید ذره بوزون هیگز اثبات می‌شود. خیر، زیرا:

  1. جرم بوزون هیگز را قبل از یافتن آن نمی‌دانیم.
  2. فوتون‌های بسیاری در شتاب‌دهنده ذرات بنیادی تولید می‌شوند. بنابراین، موضوع کمی پیچیده می‌شود.

آنالیز فوتون های ایجاد شده پس از واپاشی بوزون هیگز

گفتیم اگر ذره‌ای با جرم داده شده به جفت فوتون واپاشی شود، با اندازه‌گیری ویژگی‌های فوتون‌های تولید شده می‌توانیم جرم ذره اولیه را به‌دست آوریم. این موضوع در مورد واپاشی به هر ذره‌ای که بتوانیم به طور دقیق ویژگی‌های آن‌ها را تحلیل کنیم، صحیح خواهد بود. در ادامه، به فرضیه تولید دو فوتون پس از واپاشی بوزون هیگز پایبند می‌مانیم. حالتی را در نظر بگیرید که دو فوتون از واپاشی هیگز یا هر ذره دیگری، تولید نشده‌اند. شاید دو فوتون بی‌ربط باشند که جایی در شتاب‌دهنده و پس از برخورد ذرات بنیادی با یکدیگر تولید شده‌اند. در واقع، وقتی فوتونی آشکار می‌شود، هیچ چیز نمی‌توان در مورد گذشته آن گفت. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است جرم محاسبه شده چه معنایی می‌دهد. اگر دو فوتون به یکدیگر مربوط نباشند، جرم محاسبه شده، هیچ معنای فیزیکی نخواهد داشت.

دو فوتون مشاهده می‌شوند و جرم ثابت سیستم اندازه گرفته می‌شود. دو حالت ممکن است رخ دهد:

  1. فوتون‌ها از واپاشی ذره‌ای دیگر، مانند ذره بوزون هیگز، تولید شده‌اند. بنابراین جرم محاسبه شده برابر جرم ذره اولیه است.
  2. فوتون‌ها از هیچ واپاشی به وجود نیامده‌اند، بنابراین جرم محاسبه شده عدد تصادفی است.

تنها با دیدن یک جفت فوتون، نمی‌توانیم تفاوتی بین دو حالت بالا بگذاریم. اما اگر آزمایش را در دفعات متعدد تکرار کنیم، تفاوت بین عدد تصادفی و عدد ثابت ، مشخص خواهد شد. در ادامه، این موضوع را با بیان داستانی کوتاه، قابل درک می‌کنیم.

فرض کنید به قلب کوه‌های آلپ در سوییس رفته‌اید. در اعماق جنگل‌های سرسبز آلپ موجودی قابل‌توجه را خواهید یافت. به تصویر زیر دقت کنید. حفره داخل درخت به نظر حفره‌ای معمولی می‌رسد، اما در واقع ورودی شبکه‌ای از تونل‌های به هم پیوسته است که توسط خرگوشی سفید حفر شده‌اند.

حفره ای در درخت

این خرگوش، خرگوشی معمولی نبود، بلکه در سیرک زندگی می‌کرد، اما پس از اتمام کار سیرک، از آنجا خارج شد و به جنگل پناه آورد. یکی از علاقه‌مندی‌های این خرگوش بازی با تاس و آمدن عدد چهار بود. خرگوش داستان ما بسیار خجالتی است و هیچ‌کس پس از اتمام کار سیرک، او را در جنگل و خارج از حفره‌اش، ندیده است. تنها راهی که می‌توانیم از وجود خرگوش در حفره مطمئن شویم آن است که تاسی را به درون حفره بیاندزیم و پس از ساعت‌ها یا روزها برگردیم و نتیجه را نگاه کنیم. اگر خرگوش درون حفره وجود داشته باشد، نتیجه به طور قطع، عدد موردعلاقه او خواهد بود.

  • روز اول: تاس را به درون حفره می‌اندازیم و برای بررسی آن یک روز صبر می‌کنیم.
  • روز دوم: نتیجه را چک می‌کنیم، تاس پرتاب شده به داخل حفره عدد چهار را نشان می‌دهد. نتیجه‌گیری در مورد حضور خرگوش در حفره بسیار زود است. شاید عدد چهار پس از پرتاب تاس به داخل حفره آمده باشد. دوباره تاس را به داخل حفره می‌اندازیم و روز سوم آن را چک می‌کنیم.
  • روز سوم: عدد تاس، سه است. شاید خرگوش در حفره باشد ولی تاس را ندیده است.
  • روز چهارم: عدد تاس، دو است.
  • روز پنجم: باز هم عدد تاس، دو است.
  • روز ششم: تاس، عدد چهار را نشان می‌دهد.
  • روز هفتم: تاس، عدد یک را نشان می‌دهد.
  • روز هشتم: باز هم عدد یک رو است.
  • روز نهم: تاس، عدد پنج را نشان می‌دهد.
  • روز دهم: تاس، عدد سه را نشان می‌دهد.
  • روز یازدهم: تاس، عدد شش را نشان می‌دهد.
  • روز دوازدهم: تاس عدد دو را نشان می‌دهد.

روزهای بعد نیز عددهای مختلفی مشاهده می‌شود. شاید از خود بپرسید هدف از بیان این داستان و انداختن تاس چه بود. دنباله‌ای از اعداد داریم که برخی از آن‌ها چهار هستند. بنابراین، می‌توان گفت که خرگوش همیشه در محل پرتاب تاس حضور نداشته و دخالتی در پرتاب تاس نکرده است. برای درک بهتر این موضوع، نمودار میله‌ای زیر را مشاهده کنید.

پرتاب تاس

پس از ۳۰ روز آزمایش پرتاب تاس و یادداشت عددهای مشاهده شده، عدد ۳ نسبت به عددهای دیگر بیشتر مشاهده شده است. اگر این آزمایش را در مدت زمان بیشتری، به عنوان مثال، یک سال انجام دهیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

پرتاب ۲۹۴ بار تاس

به نمودار بالا دقت کنید. تعداد دفعاتی که تاس عدد ۳ را نشان داده است بیشتر از عددهای دیگر، به خصوص ۴، است. فرض کنید آزمایش را به مدت ده سال تکرار می‌کنیم. در این حالت تعداد پرتاب‌های تاس برابر ۳۰۰۰ پرتاب خواهد بود. نمودار میله‌ای پرتاب تاس، این‌بار به شکل زیر خواهد بود:

پرتاب ۳۰۰۰ بار تاس

از این داستان و پرتاب تاس‌ها به دو نتیجه می‌رسیم:

  1. داستان خرگوش تقریبا درست است.
  2. عدد موردعلاقه خرگوش چهار نیست، بلکه سه است.

نمودارهای بالا نشان می‌دهند که پس از تعداد مشخصی پرتاب تاس، هر عدد چند بار ظاهر شده است. اگر خرگوش وجود نداشت، انتظار می‌رفت هر ۶ عدد پس از تعداد زیادی پرتاب، به تعداد مساوی ظاهر شده باشند. اما اینجا تعداد دفعاتی که تاس عدد سه را نشان داده است به وضوح نسبت به عددهای دیگر بیشتر است. بنابراین، این‌گونه به نظر می‌رسد که نتیجه آزمایش دچار تغییر شده است و برخی اعداد با عدد ۳ جایگزین شده‌اند. بنابراین، خرگوش را بدون دیدن آن به طور مستقیم، مشاهده کرده‌ایم. عدد موردعلاقه او ۳ و به طور متوسط در هر ده پرتاب تاس، یک مرتبه ظاهر شده است.

اکنون به ذره بوزون هیگز برمی‌گردیم. در این حالت، به جای پرتاب تاس، ذرات بنیادی به یکدیگر برخورد می‌کنند. نتیجه برخورد این ذرات همانند نتیجه نهایی پرتاب تاس برای ما مهم است. اگر ذره بوزون هیگز پس از برخورد ذرات با یکدیگر تولید نشده باشد،‌ جرم ثابت، عددی تصادفی همانند عدد ظاهر شده پس از پرتاب تاس است (عدم حضور خرگوش و تغییر نتیجه تاس توسط او). حال اگر ذره بوزون هیگز تولید شده باشد، پس از مدت بسیار کوتاهی به دو فوتون واپاشیده می‌شود. جرم ثابت جفت فوتون تولید شده برابر جرم ذره بوزون هیگز خواهد بود. این حالت شبیه عدد موردعلاقه خرگوش است.

در داستان ادعا شد که عدد موردعلاقه خرگوش چهار است، اما پس از پرتاب‌ تاس به تعداد زیاد، مشخص شد که سه، عدد مورد علاقه او است. در مورد ذره بوزون هیگز، هیچ عددی مورد انتظار نیست، زیرا جرم آن را نمی‌دانیم. تنها گستره‌ای از اعداد را داریم و جرم ذره هیگز در این گستره قرار دارد. تعداد پرتاب‌های تاس را برحسب تعداد دفعاتی که هر عدد می‌آید در نمودارهای بالا رسم کردیم. اکنون نمودار مشابهی را برای حالت برخورد ذرات بنیادی با یکدیگر بر حسب جرم رسم می‌کنیم.

قبل از رسم نمودار برای برخورد ذرات با یکدیگر و محاسبه جرم فوتون‌های تولید شده، نمودار تعداد پرتاب‌های تاس را به یاد آورید. اگر خرگوش در پرتاب تاس دخالتی نمی‌کرد، هر عدد به تعداد مساوی ظاهر می‌شد، بنابراین احتمال ظاهر شدن هر یک از اعداد برابر بود. اما شرایط برای برخورد ذرات بنیادی با یکدیگر، کمی متفاوت است. فیزیک‌دان‌های CERN، داده‌های به‌دست آمده در سال‌های ۲۰۱۱ و ۲۰۱۲ را رسم کردند. تولید فوتون‌های کم‌انرژی راحت‌تر از فوتون‌های با انرژی زیاد است، بنابراین احتمال تولید فوتون‌های کم‌انرژی زیاد زیادتر از فوتون‌های با انرژی زیاد است. از این‌رو، برخلاف حالت پرتاب تاس، نمودار تخت و یکنواخت نیست. به نمودار زیر دقت کنید. پیکی در حدود ۱۲۵ مشاهده می‌شود. این پیک مشابه عدد سه در پرتاب تاس است.وجودپیک در۱۲۵ به دلیل وجود ذره بوزون هیگز است. کشف ذره بوزون هیگز

داستان خرگوش را به یاد آورید. هنگامی که تاس را ۳۰ بار پرتاب کردیم، هیچ پیک یا قله‌ای مشاهده نشد. در واقع، در ابتدا داده‌ها به قدری تصادفی بودند که به طور قطع نمی‌توانستیم آن‌ها را از داده غیرتصادفی جدا کنیم. تنها هنگامی که تعداد پرتاب تاس یا تعداد برخورد ذرات بنیادی با یکدیگر به اندازه کافی زیاد باشد، نوسان‌های آماری و تصادفی کوچک می‌شوند و داده‌های غیرتصادفی خود نشان می‌دهند. شاید از خود بپرسید در چه نقطه‌ای پیک ظاهر شده در نمودار، جدا از پیک‌های داده‌های تصافی خواهد بود. هیچ‌گاه با اطمینان نمی‌توان در مورد پیک ظاهر شده اظهارنظر کرد، اما مقدار احتمال را می‌توان برای پیک داده شده به‌دست آورد.

اکنون می‌دانیم ذره بوزون هیگز چیست و چگونه کشف شد. در ادامه، تعدادی از رایج‌ترین سوالاتی که در مورد این ذره پرسیده شده است را به همراه پاسخ بیان می‌کنیم.

سوالات متداول در مورد بوزون هیگز

هنگامی که این ذره در جولای سال ۲۰۱۲ کشف شد، پرسش‌های بسیاری در مورد آن در ذهن بیشتر افراد، شکل گرفت.

جهان در غیاب بوزون هیگز یا ذره‌ای مشابه به چه شکلی در می‌آمد ؟

جهان را نمی‌شناختیم. اگر بوزون هیگز یا ذره مشابهی وجود نداشت تا به اجزای اصلی سازنده ماده، جرم دهد، الکترون‌ها با سرعت نور به اطراف حرکت می‌کردند. در نتیجه، به منظور ساختن اتم، جذب پروتون‌ها یا دیگر هسته‌های احتمالی نمی‌شدند. عدم وجود اتم‌ها منجر به عدم وجود واکنش‌های شیمیایی، عدم وجود مولکول‌ها یا هر ماده دیگری در زندگی روزمره می‌شد.

فیزیک دان‌ ها چگونه بوزون هیگز را تولید کردند ؟

شتاب‌دهنده‌های ذرات پرانرژی مانند هادرون می‌توانند انرژی‌هایی با مقادیر بسیار زیاد، در محدود انرژی تولید شده بلافاصله پس از بیگ‌بنگ، تولید کنند. از برخورد ذرات بنیادی با این مقدار انرژی، ذرات دیگری مانند بوزون هیگز تولید می‌شوند. در شتاب‌دهنده «تواترون» (Tevatron) یا هادرون، در هر یک تریلیون برخورد، یک ذره بوزون هیگز تولید خواهد شد.

ارتباط بوزون هیگز و بیگ بنگ چیست ؟

در حدود ۱۳/۷ میلیارد سال قبل و پس از وقوع انفجار بزرگ، ذرات بدون جرم و انرژی تشعشعی به سراسر کیهان پخش شدند. بر طبق نظریه‌های مطرح شده توسط فیزیک‌دان‌های نظری، در کسری از ثانیه پس از بیگ‌بنگ، بخشی از انرژی تشعشعی به میدان هیگز تبدیل شد. هنگامی‌که دمای کیهان به تدریج کاهش یافت، ذرات جرم خود را از میدان هیگز به‌دست آوردند و با سرعت کمتری شروع به حرکت کردند.

رابطه ماده تاریک و ذره بوزون هیگز چیست ؟

از آنجا که تمام ذرات بنیادی جرم‌دار با بوزون هیگز برهم‌کنش می‌کنند، دور از انتظار نیست که ماده تاریک نیز رفتار مشابهی از خود نشان دهد. به مدل‌های فیزیکی جدید که در مورد برهم‌کنش ماده تاریک و ذره بوزون هیگز صحبت می‌کنند، مدل‌های پورتال هیگز گفته می‌شود. اگر جرم ذرات ماده تاریک کمتر از نصفِ جرم بوزون هیگز باشد، ذره هیگز می‌تواند به جفت ذره و ماده تاریک واپاشیده شود.

نکته های جالبی که در مورد بوزون هیگز نمی‌ دانید

شاید همه چیز را در مورد ذره بوزون هیگز ندانیم، اما دانستن ده نکته در مورد این ذره، خالی از لطف نیست:

  • مقاله معروف پیتر هیگز در مورد این ذره، در ابتدا رد شد. بنابراین، گاهی هر رد شدنی به معنای شکست نخواهد بود. در سال ۱۹۶۴، هیگز دو مقاله در مورد میدان هیگز نوشت و به مجله «Physical Letters» فرستاد. این مجله، یکی از دو مقاله را رد کرد. «نامبو» (Nambu) که فیزیک‌دان معروفی در آن زمان بود، از هیگز خواست که بخشی به مقاله اضافه کند و مفاهیم فیزیکی نظریه خود را توضیح دهد. هیگز با افزودن پاراگرافی به مقاله پیش‌بینی کرد که برانگیختگی میدان، مانند موجی در اقیانوس، ذره جدیدی تولید خواهد کرد.
پیتر هیگز
پیتر هیگز
  • مکانیزم هیگز تنها بخش کوچکی از جرم موجود در جهان را توضیح می‌دهد. بسیاری از مقالات علمی، هیگز را مسئول جرم هر ماده‌ای در کیهان می‌دانند. اما میدان هیگز تنها به ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها و الکترون‌ها جرم می‌دهد.
  • نام بوزون برگرفته از نام فیزیک‌دان و ریاضی‌دان هندی به نام «ساتیندرا نس بوز» (Satyendra Nath Bose) است.
  • نظریه استاندارد ذرات بنیادی حتی با کشف ذره بوزن هیگز کامل نیست.

جمع‌بندی

در این مطلب، در مورد ذره بوزون هیگز یا ذره خدا به زبان ساده صحبت کردیم و چگونگی کشف آن در سال ۲۰۱۲ را توضیح دادیم. همچنین، گفتیم میدان هیگز مسئول جرم‌دار کردن ذرات بنیادی مانند کوارک است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۲ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

2 نظر در “بوزون هیگز چیست؟ – به زبان ساده

  • آرین ملکشاهی — says: ۸ شهریور، ۱۴۰۱ در ۷:۲۳ ب٫ظ

    سلام وقت بخیر.
    خیلی ممنونم از مقاله خوبتون.
    ولی اوایل مقاله گفته شد که الکترون ذره است یا موج؟
    و درجواب نوشته شد موج.
    مگه اثبات نشده که الکترون داری ذات دوگانه موج ذره است پس چرا اینجا گفته که الکترون موجه؟

    1. با سلام،
      به این نکته دقت داشته باشید که الکترون در حالت کلی به عنوان ذره در نظر گرفته می‌شود و به آن جرم نسبت می‌دهند، اما در آزمایشی مانند آزمایش یانگ به رفتار موجی و دوگانه آن پی بردند. بنابراین، در برخی موارد مانند آزمایش یانگ یا پدیده تونل زنی، رفتار موجی این ذره مطرح می‌شود و در مواردی دیگر رفتار ذره‌ای آن.
      با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.