بوزون هیگز به زبان ساده؛ «ذره‌ خدا» که به جهان وزن داد

تصور کنید به یک مهمانی شلوغ دعوت شده‌اید که افراد مختلفی در آن حضور دارند. هنگام حرکت در میان جمعیت، در برخی نقاط به‌راحتی پیش می‌روید، اما در قسمت‌هایی که افراد بیشتری حضور دارند، حرکتتان کندتر و دشوارتر می‌شود، گویی که سنگین‌تر شده‌اید. حال این تصویر را به دنیای فیزیک می‌بریم: برخی از ذرات بنیادی آزادانه حرکت می‌کنند، درحالی‌که برخی دیگر گویی تحت‌تاثیر نیرویی نامرئی، سنگین‌تر شده‌اند و به‌سختی جابه‌جا می‌شوند.

این تفاوت از کجا می‌آید؟ پاسخ در مفهومی به‌نام «میدان هیگز» نهفته است که به‌دلیل ذره‌‌ای به‌نام «بوزون هیگز» ایجاد می‌شود. این میدان مانند فضایی نامرئی در سراسر جهان گسترده شده است و به برخی از ذرات مانند الکترون، جرم می‌بخشد؛ درحالی‌که برخی دیگر، مانند فوتون، بدون جرم باقی می‌مانند.

ایده‌ی وجود این میدان و بوزون هیگز برای نخستین‌بار در تابستان ۱۹۶۴ توسط پیتر هیگز، فرانسوا انگلرت و رابرت براوت مطرح شد. به‌طور مستقل، در پاییز همان سال، گروهی دیگر متشکل از جرالد گورالنیک، کارل هاگن و توماس کیبل نیز همین نظریه را ارائه دادند. این نظریه بر پایه‌ی شکستن تقارن بنا شده بود، که بدون آن، برهم‌کنش ضعیف (یکی از چهار نیروی بنیادین طبیعت که در پدیده‌هایی مثل رادیواکتیویته نقش دارد) قابل توضیح نبود.

تا قبل از کشف بوزن هیگز، فیزیکدانان نمی‌دانستند چرا بعضی از ذرات مانند فوتون، بدون جرم هستند، اما برخی دیگر مانند الکترون، جرم دارند یا ماده چگونه شکل می‌گیرد. اگر جرم وجود نداشت، ستارگان، کهکشان‌ها و حتی ما وجود نداشتیم.

پس از دهه‌ها پژوهش، هزینه‌ای چندین میلیارد دلاری و آزمایش‌های گسترده در برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC) در سرن، سرانجام در سال ۲۰۱۲، دانشمندان موفق به کشف بوزون هیگز شدند. اما این تازه آغاز ماجراست. آیا بوزون هیگز همان چیزی است که انتظار داشتیم؟ یا شاید این کشف، ما را به سوی دنیایی از ناشناخته‌های جدید هدایت می‌کند؟

بوزون هیگز یکی از اسرارآمیزترین ذرات بنیادی است که نقش کلیدی در شکل‌گیری جرم در جهان ایفا می‌کند. این ذره که در سال ۲۰۱۲ در آزمایشگاه سرن کشف شد، جرمی برابر با ۱۲۵ میلیارد الکترون‌ولت دارد؛ یعنی حدود ۱۳۰ برابر سنگین‌تر از پروتون.

این ذره، برخلاف اغلب ذرات بنیادی، فاقد بار الکتریکی است و اسپین آن (معادل کوانتومی تکانه زاویه‌ای) صفر است. در واقع، بوزون هیگز، تنها ذره‌ی بنیادی شناخته شده با اسپین صفر محسوب می‌شود. برای درک بهتر نقش این ذره‌ی منحصربه‌فرد، ابتدا باید با مفهوم بوزون‌ها آشنا شویم.

در دنیای فیزیک ذرات، نام‌های زیادی برای ذرات بنیادی وجود دارند که بیشتر آن‌ها به «ـون» ختم می‌شوند: الکترون، پروتون، هادرون، باریون و لپتون. اما در میان این همه نام، دو گروه از ذرات اهمیت ویژه‌ای دارند: فرمیون‌ها و بوزون‌ها.

برخلاف دیگر نام‌گذاری‌ها که معمولاً به بار الکتریکی، جرم یا نیرویی که ذره حس می‌کند، مربوط می‌شوند، تفاوت اساسی بین فرمیون‌ها و بوزون‌ها در ویژگی‌ای به نام اسپین نهفته است؛ مفهومی که هم آن‌ها را به هم مرتبط و هم از یکدیگر جدا می‌کند.

از اوایل قرن بیستم، فیزیکدانان دریافتند که اسپین (چرخش ذرات زیراتمی) دارای یک واحد طبیعی است. این واحد را با نمادی شبیه به حرف h با یک خط مورب روی آن نشان می‌دهند و به آن اِچ بار (ℏ) می‌گویند. نام رسمی‌تر آن ثابت پلانک کاهش‌یافته و مقدار تقریبی آن ۱٫۲ در ۱۰ به‌توان منفی ۳۴ ژول-ثانیه است. البته نیازی نیست این عدد را حفظ کنید. دانشمندان از آن به‌عنوان واحد اندازه‌گیری استفاده می‌کنند.

در مورد اسپین ذرات نیز همین منطق وجود دارد. اگر اسپین ذره‌ای معادل یک واحد ℏ باشد، می‌گوییم که اسپین آن ۱ است. اگر چهار برابر این مقدار باشد، می‌گوییم اسپین آن ۴ است. به‌این‌ترتیب، فیزیکدانان می‌توانند به‌سادگی مقدار اسپین هر ذره را بیان کنند، بدون اینکه درگیر مقدار واقعی ℏ شوند.

در فیزیک ذرات، فرمیون‌ها و بوزون‌ها، ذرات بنیادی را به دو گروه تقسیم می‌کنند که براساس خاصیت کوانتومی اسپین از یکدیگر متمایز می‌شوند. اسپینِ بوزون‌ها، مضرب صحیحی از ℏ است و مقدار آن می‌تواند ۰، ۱، ۲، ۳ و غیره باشد. به‌دلیل این ویژگی، بوزون‌ها از آمار بوز-اینشتین پیروی می‌کنند و می‌توانند در حالت‌های کوانتومی یکسانی قرار بگیرند.

از سوی دیگر، فرمیون‌ها، اسپین نیم‌صحیح و مقادیری مانند 1/2، 3/2، 5/2 و غیره دارند. این ویژگی، آن‌ها را به پیروی از اصل طرد پائولی وادار می‌کند، به‌گونه‌ای که دو فرمیون همزمان نمی‌توانند در یک حالت کوانتومی یکسان قرار داشته باشند.

آیا مقدار اسپین می‌تواند مقادیر دیگری مانند 1/3 یا 1/4 باشد؟ تاکنون هیچ ذره‌ای با اسپینی با این مقادیر مشاهده نشده است. در چارچوب مدل استاندارد فیزیک ذرات و آزمایش‌های انجام‌شده، اسپین ذرات، فقط می‌تواند مقدارهای صحیح یا نیم‌صحیح داشته باشد. اما ذهن کنجکاو فیزیکدانان به‌طور قطعی نمی‌تواند این موضوع را بپذیرد. شاید روزی، ذره‌ی جدیدی با قواعد خاصِ خودش کشف شود و درک ما را از جهان متحول کند. بااین‌حال، احتمال وقوع چنین رویدادی چندان بالا نیست. دلیل این پیش‌بینی چیست؟ بیایید کمی عمیق‌تر به این ماجرا بپردازیم.

در حالت نخست، تابع موج متقارن است، به این معنا که اگر جای دو ذره‌ی یکسان را با هم عوض کنیم، تابع موج هیچ تغییری نمی‌کند و معادله‌ی ریاضی آن دقیقاً همانند حالت اولیه باقی می‌ماند. به زبان ساده، اگر این تابع را حول مرکز خود بچرخانیم یا بازتاب دهیم، ظاهر آن کاملاً ثابت می‌ماند.

اما در حالت دوم، تابع موج پادمتقارن است. در اینجا، اگر جای دو ذره‌ی یکسان را عوض کنیم، علامتِ تابع موج تغییر می‌کند و منفی می‌شود. به بیان دیگر، اگر تابع موج را حول مرکز بچرخانیم، نتیجه‌ای معکوس خواهیم داشت.

این تمایز میان متقارن و پادمتقارن، فراتر از یک بازی ریاضیاتی است و تاثیرات ملموسی بر محاسبات فیزیکی دارد و نتایج را به شکلی قابل‌توجه تحت‌تاثیر قرار می‌دهد. برای درک جزئیات این تاثیرات، شاید لازم باشد به تحلیل‌های پیچیده‌تر اعتماد کنید، اما همین بس که بدانید این ویژگی‌ها در قلب اکتشافات فیزیک ذرات قرار دارند و بخشی از جذابیت بی‌پایان این علم‌ هستند.

در دنیای فیزیک ذرات، بوزون‌ها و فرمیون‌ها مانند دو تیپ شخصیتی کاملاً متفاوت رفتار می‌کنند. بوزون‌ها، که اسپین آن‌ها عدد صحیح است، تابع موج متقارن دارند، در حالی که فرمیون‌ها، با اسپین‌های نیمه‌صحیح، تابع موج پادمتقارن دارند. اما این تفاوت ریاضی چه معنایی در دنیای واقعی دارد؟

بوزون‌ها را می‌توان به توله‌سگ‌های بازیگوشِ دنیای زیراتمی تشبیه کرد، آن‌ها عاشق جمع هستند. هر تعداد بوزون که بخواهید، می‌توانند همزمان در یک مکان کنار هم باشند و هیچ محدودیتی برای حضورشان در یک مکان وجود ندارد. با این ویژگی، پدیده‌هایی مانند لیزر و چگالش بوز-اینشتین ممکن می‌شود.

اما فرمیون‌ها مانند گربه‌های مغرور و منزوی رفتار می‌کنند. هیچ دو فرمیون یکسانی نمی‌توانند در یک مکان و زمان واحد حضور داشته باشند. احتمالا در کلاس شیمی نام «اصل طرد پائولی» را شنیده‌اید؛ اصلی که توضیح می‌دهد چرا الکترون‌ها به جای آنکه همگی در یک مدار جمع شوند، در لایه‌های مختلف اطراف هسته قرار می‌گیرند. دلیل آن ساده است: هیچ دو الکترونِ یکسانی نمی‌توانند در یک مکان و وضعیت کوانتومی مشابهی قرار داشته باشند. این رفتار دقیقاً از فرمیون بودن الکترون‌ها ناشی می‌شود.

در دنیای فیزیک ذرات، تمام ذرات سازنده‌ی ماده، یعنی کوارک‌ها و لپتون‌ها، همگی فرمیون هستند. در مقابل، ذراتِ حامل نیرو، در دسته‌ی بوزون‌ها قرار می‌گیرند.

از نظر فنی، ذراتی که اسپین ۱/۲ دارند می‌توانند در دو جهت مختلف دوران کنند: ساعتگرد (۱/۲+) یا پادساعتگرد (۱/۲-). اما این جزئیات چندان مهم نیستند. نکته‌ی مهم آن است که در مدل استاندارد، هیچ ذره‌ی بنیادی‌ای با اسپین ۳/۲، ۵/۲ یا مقادیر دیگر وجود ندارد. تمام فرمیون‌ها فقط اسپین ۱/۲ دارند. در مقابل، در دنیای بوزون‌ها، تنوع بیشتری دیده می‌شود:

• بوزون هیگز با اسپین صفر، که در نوع خود منحصر‌به‌فرد است.
• فوتون (حامل نیروی الکترومغناطیسی)، گلئون (حامل نیروی هسته‌ای قوی) و بوزون‌های W و Z (حامل نیروی هسته‌ای ضعیف)، همگی دارای اسپین ۱ هستند.
• و اگر گراویتون، ذره‌ی فرضی که نیروی گرانش را حمل می‌کند، وجود داشته باشد، اسپین آن برابر ۲ است.

همان‌طور که در بخش قبل توضیح دادیم، بوزون‌ها دسته‌ای از ذرات بنیادی هستند که به‌عنوان حامل نیرو عمل می‌کنند. در برهم‌کنش دو ذره با یکدیگر، بوزون‌ها واسطه‌ی این تعامل هستند. به‌عنوان مثال، زمانی که دو الکترون با هم برهم‌کنش دارند، یک فوتون بین آن‌ها ردوبدل می‌شود.

بوزون هیگز تفاوتی اساسی با سایر بوزون‌ها دارد. در دنیای فیزیک کوانتوم، میدان‌های بنیادی در تمام فضا گسترده شده‌اند و مانند امواج رفتار می‌کنند. درواقع، هر بوزون چیزی جز موجی برانگیخته در میدان خودش نیست. به‌عنوان مثال، فوتون زمانی ظاهر می‌شود که میدان الکترومغناطیسی تحریک و هم به‌عنوان ذره و هم به‌عنوان موج ظاهر شود.

بوزون هیگز نیز از همین الگو پیروی می‌کند. هنگامی که میدان هیگز برانگیخته شود، این ذره‌ی اسرارآمیز متولد می‌شود. اما نقش هیگز بسیار فراتر از یک ذره‌ی معمولی است. میدان هیگز، همان چیزی است که به دیگر ذرات، جرم می‌بخشد. این فرایند که به مکانیسم براوت-انگلرت-هیگز (Brout-Englert-Higgs) معروف است، یکی از اساسی‌ترین مفاهیم در فیزیک مدرن محسوب می‌شود.

مقدار عددی که ترازو پس از ایستادن روی آن نشان می‌دهد، در واقع مقدار نیرویی است که جرم بدن به زمین وارد می‌کند. این موضوع، مفهومی ساده در فیزیک نیوتنی است: نیرو از حاصل‌ضربِ جرم در شتاب (F=ma) به‌دست می‌آید. در اینجا، شتابی که نیروی وزن را ایجاد می‌کند، همان جاذبه‌ی زمین است که جرم بدن را به سمت پایین می‌کشد.

مفهومِ وزن را به‌راحتی می‌توان درک کرد، اما جرم کمی پیچیده‌تر است. فرض کنید در فضای دوردست، جایی که هیچ جاذبه‌ای وجود ندارد، شناور هستید. در این حالت، شما دیگر وزنی نخواهید داشت، اما مقدار جرم دقیقاً برابر همان مقدارِ روی زمین است.

به احتمال زیاد از خود می‌پرسید جرم بدن ما از کجا می‌آید؟ پاسخ، درون اتم‌های بدن نهفته است. هر اتم، جرم مشخصی دارد که از انرژی آن نشات می‌گیرد.

طبق معادله‌ی معروف اینشتین، E=MC²، جرم و انرژی دو روی یک سکه‌اند و می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. تقریباً ۹۹درصد جرم یک اتم از انرژی پیوندی درون هسته‌ی آن تامین می‌شود. این انرژی از نیروی قوی هسته‌ای، یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت، سرچشمه می‌گیرد. این نیرو همان چیزی است که پروتون‌ها و نوترون‌ها را درون هسته‌ی اتم، با قدرتی فوق‌العاده کنار هم نگه می‌دارد و باعث پایداری ساختار اتم می‌شود. در واقع، جرم بیشترِ اتم، چیزی جز انرژیِ این نیروی پیوندی نیست.

حدود یک درصد از جرم بدن در جرم ذرات زیراتمیِ تشکیل‌دهنده‌ی اتم‌ها نهفته است. این ذرات شامل الکترون‌ها هستند که در اطراف هسته‌ی اتم یک ابر الکترونی می‌سازند و کوارک‌ها که اجزای سازنده‌ی پروتون‌ها و نوترون‌ها محسوب می‌شوند. اما سوال اصلی آن است که این ذرات زیراتمی چگونه به‌طور ذاتی جرم دارند؟ اگر طبق معادله‌ی معروف اینشتین، جرم همان انرژی است، چه مکانیزمی این انرژی را به ذرات بنیادی می‌دهد؟

اینجا همان جایی است که میدان هیگز وارد ماجرا می‌شود. این میدان نامرئی در سراسر فضا-زمان گسترده شده است و همچون دریایی نامرئی، ذرات بنیادی را در برمی‌گیرد. برهم‌کنش ذرات با این میدان، همان عاملی است که به آن‌ها جرم ذاتی می‌بخشد و باعث می‌شود برخی ذرات سنگین‌تر و برخی دیگر سبک‌تر باشند. اما این فرآیند چگونه کار می‌کند؟

بدون میدان هیگز، هیچ ذره‌ی بنیادی‌ای جرم نداشت، هیچ اتمی تشکیل نمی‌شد و درنهایت، هیچ کهکشانی، ستاره‌ای یا حتی انسانی وجود نداشت. در این بخش، قصد داریم مکانیزم میدان هیگز و نحوه‌ی ایجاد جرم را به‌صورت ساده و شهودی توضیح دهیم. فرقی نمی‌کند که به ریاضیات علاقه داشته باشید یا نه، هدف آن است که درک روشنی از این پدیده‌ی بنیادی فیزیکی پیدا کنید. پس همراه ما باشید تا به دنیای شگفت‌انگیز فیزیک ذرات سفر کنیم.

برای درک نحوه‌ی عملکرد میدان هیگز، ابتدا باید بفهمیم که بهترین مدل نظری ما درباره‌ی ذرات بنیادی، یعنی مدل استاندارد فیزیک ذرات، چه چیزی را توصیف می‌کند. طبق این نظریه، تمام ذرات بنیادیِ جهان، برانگیختگی‌هایی در میدان‌های کوانتومی گسترده در سراسر فضا-زمان هستند. به زبان ساده‌تر:

• یک برانگیختگی در میدان الکترومغناطیسی همان فوتون است.
• یک برانگیختگی در میدان الکترون، الکترون را ایجاد می‌کند.
• یک برانگیختگی در میدان کوارک‌ها، کوارک را پدید می‌آورد.

درنتیجه، هر ذره‌ی بنیادی در مدل استاندارد فیزیک ذرات، میدان خاص خودش را دارد. یعنی برای هر ذره‌ی بنیادی، یک میدان متناظر در فضا-زمان وجود دارد.

حتی زمانی که هیچ ذره‌ای یا برانگیختگی در فضا وجود ندارد، میدان‌های کوانتومی همچنان در نوسان هستند. طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، ذرات (ذرات مجازی)‌ به‌صورت پیوسته به‌وجود می‌آیند و از بین می‌روند.

این ذرات برای مدت‌ زمان بسیار کوتاهی وجود دارند، بنابراین نمی‌توانیم آن‌ها را مستقیماً اندازه‌گیری کنیم. آن‌ها هنگام به‌وجود آمدن، انرژی را از خلا قرض می‌گیرند و پس از مدت زمان بسیار کوتاهی، هنگام نابودی، به خلا بازمی‌گردانند، بدون اینکه هیچ ذره‌ی واقعی‌ای تشکیل شود. چرا؟ زیرا تمام این آشفتگی‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند، به‌طوری که مجموع نهایی آن‌ها صفر می‌شود.

تصور کنید در استخری پر از موج‌های کوچک ایستاده‌اید. این موج‌ها مدام بالا و پایین می‌شوند، اما اگر از دور نگاه کنید، سطح آب تقریباً ثابت به‌نظر می‌رسد. این همان چیزی است که در میدان‌های کوانتومی اتفاق می‌افتد؛ نوسانات پیوسته‌ای که وجود دارند، اما به‌دلیل خنثی کردن یکدیگر، هیچ ذره‌ی قابل مشاهده‌ای ایجاد نمی‌کنند.

حال اگر به میدانی انرژی به‌ اندازه‌ی کافی بدهیم، این نوسانات کوچک می‌توانند تقویت شوند و یک برانگیختگی واقعی ایجاد کنند؛ این همان چیزی است که ما به‌عنوان یک ذره‌ی واقعی می‌شناسیم. این انرژی معمولاً از میدان‌های دیگر منتقل می‌شود. به‌عنوان مثال، برخورد دو ذره‌ی پرانرژی به هم در برخورددهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) می‌تواند انرژی کافی را برای ایجاد ذرات جدید فراهم کند.

به بیان ساده‌تر، ذرات واقعی چیزی جز موج‌های شدید در میدان‌های کوانتومی نیستند. فقط زمانی که انرژی کافی به یک میدان داده شود، این موج‌ها به حدی می‌رسند که بتوانیم آن‌ها را به‌عنوان ذرات فیزیکی مشاهده کنیم. این دقیقاً همان فرآیندی است که در آزمایش‌های فیزیک ذرات برای کشف چیزهای جدید استفاده می‌شود.

ازآنجاکه این میدان‌ها کوانتیده (گسسته) هستند، انرژی آن‌ها فقط در مقادیر مشخصی تغییر می‌کند. به‌عبارت ساده‌تر، شما نمی‌توانید انرژی با هر مقدار دلخواهی به یک میدان بدهید و انتظار داشته باشید که یک ذره تولید شود؛ بلکه باید مقدار انرژی دقیقاً برابر با یکی از مقادیر مجاز آن میدان باشد.

به‌عنوان مثال، میدان الکترون فقط می‌تواند در مضرب‌های صحیحی از ۰٫۵۱۱ مگا الکترون‌ولت (MeV) برانگیخته شود، زیرا این مقدار دقیقاً برابر با جرم یک الکترون است. اگر به میدان الکترون، ۱٫۰۲۲ مگا الکترون‌ولت انرژی بدهید، این مقدار برابر با جرم دو الکترون است و می‌تواند دو الکترون ایجاد کند. اما اگر ۰٫۷ مگا الکترون‌ولت انرژی به میدان بدهید، این مقدار در مضارب صحیح ۰٫۵۱۱ نیست، پس هیچ الکترونی ایجاد نخواهد شد.

جهانی را تصور کنید که در آن هیچ جرمی وجود ندارد. در این جهان، الکترون‌ها مانند فوتون‌ها بدون هیچ مانعی با سرعت نور حرکت می‌کنند، گویی هیچ‌چیز نمی‌تواند آن‌ها را کند یا متوقف کند. اما در دنیای واقعی، الکترون به‌دلیل برهم‌کنش با میدان هیگز، جرم دارد.

همان‌طور که گفتیم، میدان هیگز مانند دریایی نامرئی در سراسر کیهان گسترده شده است. وقتی الکترون از این میدان عبور می‌کند، دقیقاً مثل فردی که در آب شنا می‌کند، کمی کند می‌شود. این کندی همان چیزی است که ما به‌عنوان جرم می‌شناسیم. هرچه یک ذره تعامل بیشتری با میدان هیگز داشته باشد، حرکتش دشوارتر و درنتیجه جرمش بیشتر خواهد بود.

بدون تعامل با میدان هیگز، نه‌تنها الکترون بلکه تمام ذرات بنیادی مدل استاندارد (به‌جز نوترینوها) بدون جرم می‌بودند و با سرعت نور حرکت می‌کردند. یعنی ساختارهایی مانند اتم، مولکول، سیاره‌ها و حتی خود ما هرگز شکل نمی‌گرفتند. اما جرم چگونه به ذرات داده می‌شود؟ برای درک این موضوع، باید با مفهومی به‌نام مقدار انتظار خلا (Vacuum Expectation Value) آشنا شویم.

فرض کنید میدان هیگز وجود نداشت. در این حالت، اگر یکی از میدان‌های بنیادی، مانند میدان الکترون را درون جعبه‌ای کاملاً خالی قرار دهیم و وزن کنیم، نتیجه چه خواهد بود؟ وزن جعبه برابر صفر است.

حتی با اینکه درون این میدان، الکترون‌های مجازی دائماً ظاهر و ناپدید می‌شوند، این میدان همچنان بدون جرم خواهد بود. همین اتفاق برای تمام میدان‌های مدل استاندارد فیزیک ذرات نیز رخ می‌دهد؛ در فضای خالی، هیچ‌کدام از آن‌ها ذاتاً جرم ندارند و تنها نوسانات کوانتومی در آن‌ها وجود دارند.

جریان برای میدان هیگز متفاوت است. حالا فرض کنید همان جعبه‌ی خالی را این بار با میدان هیگزِ درون آن وزن کنیم. این بار چه اتفاقی می‌افتد؟ جعبه وزن خواهد داشت. برخلاف سایر میدان‌های بنیادی که در حالت عادی جرم ندارند، میدان هیگز حتی در فضای خالی هم جرم دارد. به این ویژگی، انرژی خلا گفته می‌گوییم.

در اصطلاح فنی‌تر، به مقدار غیرصفرِ میدان هیگز در حالت پایه (پایین‌ترین سطح انرژی)، مقدار مورد انتظار خلا می‌گویند که مقدار آن دقیقاً ۲۴۶ گیگا الکترون‌ولت (GeV) است. این ویژگی منحصربه‌فردِ میدان هیگز، کلید اصلی مفهوم جرم است. پس اگر میدان هیگز نبود، هیچ‌کدام از ذرات بنیادی جرم نداشتند و همه با سرعت نور حرکت می‌کردند. این ویژگی خاص، همان چیزی است که به بسیاری از ذرات بنیادی، جرم می‌بخشد و جهان را از یک دنیای بی‌وزن و بی‌ساختار، به جهانی پر از ستاره‌ها، سیارات، و زندگی تبدیل می‌کند.

۲۴۶ گیگا الکترون‌ولت، تنها یک عدد نیست. میدان‌های کوانتومی می‌توانند با یکدیگر برهم‌کنش داشته باشند. یعنی هر ذره‌ای که با میدان هیگز برهم‌کنش کند، عملاً با مقدار انرژی‌ای برابر ۲۴۶ گیگا الکترون‌ولت برهم‌کنش دارد.

اینجاست که جادوی نظریه‌ی اینشتین وارد بازی می‌شود. طبق معادله‌ی معروف E=mc²، انرژی و جرم دو روی یک سکه‌اند و به یکدیگر تبدیل می‌شوند. بنابراین، انرژی‌ای که یک ذره از میدان هیگز دریافت می‌کند، عملاً همان چیزی است که ما آن را جرم می‌نامیم.

به‌زبان ساده‌تر، وقتی یک ذره بنیادی مانند الکترون با میدان هیگز تعامل دارد، این تعامل باعث می‌شود که الکترون به‌جای حرکت با سرعت نور (مثل یک فوتون)، جرم پیدا کند. این همان چیزی است که به آن جرم ذاتی می‌گوییم.

اگر میدان هیگز وجود نداشت، الکترون هیچ جرمی نداشت و با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کرد. اما چون میدان هیگز در همه جای جهان حضور دارد و مقدارش غیرصفر است، الکترون‌ها همواره در حال برهم‌کنش با آن هستند و به‌همین‌دلیل جرم دارند.

الکترون، برخلاف فوتون، نمی‌تواند با سرعت نور حرکت کند، زیرا به‌طور مداوم با میدان هیگز در تعامل است. این تعامل باعث می‌شود که الکترون هنگام حرکت در فضا، مقاومتی نامرئی را احساس کند، درست مانند جسمی که در یک مایع چسبناک حرکت می‌کند.

همان‌طور که از فیزیک دبیرستان می‌دانیم، با اعمال نیرو بر جسم، سرعت آن تغییر می‌کند. حال فرض کنید نیرویی با مقدار مشخص بر الکترون وارد می‌کنیم، میدان هیگز در برابر تغییر سرعتِ الکترون مقاومت نشان می‌دهد. این همان چیزی است که ما به آن جرم لَختی می‌گوییم: هرچه این مقاومت بیشتر باشد، تغییر سرعت سخت‌تر خواهد بود.

جرم سکون الکترون دقیقاً ۰٫۵۱۱ مگا الکترون‌ولت است. این مقدار تصادفی نیست و به شدت برهم‌کنش الکترون با میدان هیگز بستگی دارد. این برهم‌کنش با یک ثابت جفت‌شدگی مشخص می‌شود: هرچه مقدار این ثابت بیشتر باشد، ذره سنگین‌تر خواهد بود.

به بیان ساده، میدان هیگز جرم خود را با سایر ذرات به اشتراک می‌گذارد. جرم ذرات بنیادی از پیش تعیین‌شده نیست بلکه از میزان جفت‌شدگی آن‌ها با میدان هیگز ناشی می‌شود. به‌عنوان مثال، کوارک بالا (up) به‌دلیل برهم‌کنش ضعیف‌تر با میدان هیگز، جرم بسیار کمتری نسبت به کوارک سر (top) دارد.

میدان هیگز را مانند سسی غلیظ تصور کنید. اگر قاشقی را در هوا حرکت دهید، تقریباً هیچ مقاومتی احساس نمی‌کنید، اما اگر همان قاشق را داخل سس چسبناک فرو ببرید، متوجه می‌شوید که حرکت آن سخت‌تر شده است. ذراتی که جرم دارند، درست مانند این قاشق در میدان هیگز گیر می‌افتند.

در مدل استاندارد فیزیک ذرات، الکترون‌ها، کوارک‌ها و بوزون‌های W و Z به‌دلیل برهم‌کنش با میدان هیگز، جرم دارند. اما، فوتون‌ها و گلئون‌ها (ذراتی که نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای قوی را منتقل می‌کنند) اصلاً با این میدان درگیر نمی‌شوند، به‌همین‌دلیل جرم ندارند و می‌توانند با سرعت نور حرکت کنند.

چرا برخی از ذرات با میدان هیگز تعامل دارند و برخی دیگر نه؟ راستش را بخواهید، هنوز پاسخ مشخصی برای این پرسش وجود ندارد. جهان طوری تنظیم شده است که برخی از ذرات، مانند الکترون‌ها و کوارک‌ها، با میدان هیگز تعامل دارند و جرم به دست می‌آورند، در حالی که برخی دیگر، مثل فوتون‌ها، اصلاً با آن تعامل ندارند و بدون جرم باقی می‌مانند. اما این فرآیند به مفهومی عمیق‌تر به‌نام شکستن تقارن (Symmetry Breaking) مرتبط است.

تمام ذراتِ حامل نیرو، مانند فوتون‌ها، باید بدون جرم باشند و همیشه با سرعت نور حرکت کنند. اما ذراتی مانند بوزون‌های W و Z، برخلاف فوتون، جرم دارند. چرا؟ به‌دلیل برهم‌کنش با میدان هیگز. در ابتدا، ذرات در وضعیت متقارن بدون جرم قرار داشتند. اما پس از ظاهر شدن میدان هیگز در جهان، این تقارن شکست.

میدان هیگز، پس از خروج جهان از حالتِ متقارن، شروع به دادن جرم به برخی از ذرات کرد. چرا این اتفاق افتاد و چرا فقط بعضی از ذرات تحت‌تاثیر آن قرار گرفتند؟ هنوز دقیقاً معلوم نیست، اما این همان چیزی است که به شکل‌گیری ساختارهای پیچیده در جهان، کمک کرد.

در مدل استاندارد، نوترینوها هم مانند فوتون‌ها باید بدون جرم باشند. اما براساس اندازه‌گیری‌های انجام شده مقدار بسیار کمی جرم دارند. چرا؟ این هم معمای بزرگ دیگری است. شاید آن‌ها هم به‌نوعی با میدان هیگز تعامل دارند، اما چگونگی این تعامل هنوز مشخص نیست. شاید در آینده، با کشف‌های جدید، این راز را نیز حل کنیم.

میدان هیگز تنها مسئول یک درصد از جرم کل ماده‌ی قابل مشاهده در جهان است، پس ۹۹ درصد بقیه از کجا می‌آید؟ پاسخ در نیروی هسته‌ای قوی نهفته است، نیرویی که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در هسته‌ی اتم نگه می‌دارد. این نیرو، مقدار عظیمی از انرژی را درون هسته ذخیره می‌کند و طبق معادله‌ی معروف اینشتین، این انرژی به جرم تبدیل می‌شود. بنابراین، بیشتر جرم ماده‌ای که می‌بینیم، نتیجه‌ی انرژی پیوندهای هسته‌ای است، نه میدان هیگز.

پس چرا میدان هیگز اهمیت زیادی دارد؟ برای پاسخ به این پرسش، مثال ساده‌ای را با یکدیگر بررسی می‌کنیم. در اتم هیدروژن، شعاع مداری الکترون، معکوس جرم آن است. اگر میدان هیگز وجود نداشت، الکترون‌ها بدون جرم بودند و درنتیجه، شعاع مدارشان بی‌نهایت می‌شد. این یعنی هیچ اتمی تشکیل نمی‌شد و جهان ما شکلی کاملاً متفاوت داشت.

همچنین، جرم ذرات در پدیده‌هایی مانند واپاشی بتا (Beta Decay) نیز نقش حیاتی دارد. در این فرآیند، یک نوترون به پروتون تبدیل می‌شود، که برای تشکیل هسته‌ی اتم‌ها ضروری است. اما اگر میدان هیگز وجود نداشت، احتمالاً هیچ پروتونی هم وجود نداشت. پس، همین یک درصد ناچیز از جرم، مسئول پدیداری ۱۰۰ درصد جهانی است که در آن زندگی می‌کنیم.

در چند دهه‌ی اخیر، دانشمندان با استفاده از سه شتاب‌دهنده‌ی بزرگ تلاش کرده‌اند تا بوزون هیگز را کشف کنند: LEP، Tevatron و LHC. هر یک از این شتاب‌دهنده‌ها در دوره‌ی خاصی فعالیت داشته و با روش‌های مختلف به بررسی این ذره‌ی بنیادی پرداخته‌اند.

• شتاب‌دهنده‌ی LEP بین سال‌های ۱۹۸۹ تا ۲۰۰۰: شتاب‌دهنده‌ی LEP یا Large Electron–Positron Collider که در سرن (CERN) قرار داشت، برخوردهای الکترون و پوزیترون را بررسی می‌کرد. انرژی برخوردها از ۹۱٫۲ گیگا الکترون‌ولت (GeV) در سال ۱۹۸۹ شروع شد و تا سال ۲۰۰۰ به ۲۰۸ گیگا الکترون‌ولت افزایش یافت.
• شتاب‌دهنده‌ی Tevatron بین سال‌های ۱۹۸۶ تا ۲۰۱۱: شتاب‌دهنده‌ی Tevatron در آزمایشگاه فرمی (Fermilab) آمریکا، برخوردهای پروتون و پادپروتون را مطالعه می‌کرد. انرژی برخوردها از ۱۸۰۰ گیگا الکترون‌ولت در سال ۱۹۸۶ آغاز شد و از سال ۲۰۰۱ تا زمان توقف فعالیتش در ۲۰۱۱، به ۱۹۶۰ گیگا الکترون‌ولت رسید.
• شتاب‌دهنده‌ی LHC از سال ۲۰۱۰ تاکنون: LHC، بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌ی جهان، در سال ۲۰۱۰ در سرن آغاز به کار کرد و برخوردهای پروتون-پروتون را مورد مطالعه قرار داد. این برخوردها ابتدا در انرژی ۷۰۰۰ گیگا الکترون‌ولت انجام شدند، سپس انرژی آن‌ها در سال ۲۰۱۲ به ۸۰۰۰ گیگا الکترون‌ولت و از ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۸ به ۱۳۰۰۰ گیگا الکترون‌ولت افزایش یافت. این شتاب‌دهنده برای رسیدن به ۱۴۰۰۰ گیگا الکترون‌ولت طراحی شده است و احتمال افزایش بیشتر انرژی آن در آینده وجود دارد.

اعلام کشف بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ نتیجه‌ی برخوردهای اولیه در شتاب‌دهنده‌ی LHC با انرژی ۷۰۰۰ تا ۸۰۰۰ گیگاالکترون‌ولت بود. اما هر یک از سه شتاب‌دهنده‌ی LEP، Tevatron و LHC، روش متفاوتی برای جستجوی این ذره داشتند که به چند عامل کلیدی بستگی داشت.

• تولید بوزون هیگز: بوزون هیگز به‌طور طبیعی در جهان وجود ندارد، بنابراین باید آن را تولید کنیم. این فرآیند با استفاده از معادله‌ی اینشتین (E=mc²)، یعنی تبدیل انرژی پرتوهای شتاب‌دهنده به جرم، انجام می‌شود. نوع و انرژی این پرتوها در هر شتاب‌دهنده متفاوت بود و همین باعث تفاوت در روش‌های تولید بوزون هیگز شد.
• چگونگی واپاشی بوزون هیگز: بوزون هیگز به‌دلیل ارتباط مستقیمش با میدان هیگز، به ذرات سنگین‌تر واپاشی می‌کند. اکنون می‌دانیم که جرم آن حدود ۱۲۵ گیگا الکترون‌ولت است و می‌تواند به جفت کوارک‌های پایین (bottom quarks) تجزیه شود. اما در فیزیک کوانتوم، رفتارهای غیرمنتظره‌ای رخ می‌دهد، مانند واپاشی بوزون هیگز به بوزون‌های W و Z، حتی اگر انرژی کافی برای آن‌ها وجود نداشته باشد.
• شناسایی واپاشی بوزون هیگز: واپاشی بوزون هیگز ممکن است مثل برخوردهای عادی به‌نظر برسد. بنابراین، فیزیک‌دانان باید با دقت بسیار زیاد داده‌ها را بررسی می‌کردند تا مطمئن شوند واقعاً با هیگز طرف هستند.

در فیزیک ذرات، برخوردهای پرانرژی همیشه با انبوهی از ذرات جدید همراه‌اند؛ طوری‌که گاهی سیگنال موردنظر، مانند صدای نجوا در یک کنسرت راک، به‌سختی قابل‌شنیدن است. در جستجوی بوزون هیگز، یکی از چالش‌های اصلی همین بود:‌ پیدا کردن یک الگوی واپاشی مشخص در میان هزاران رخداد مشابه.

قبل از کشف هیگز، دانشمندان نمی‌دانستند جرم این ذره دقیقاً چه مقدار است. براساس نظریه‌ها و داده‌های دقیق پیشین، جرم آن در بازه‌ای بین ۹۰ تا ۱۸۵ گیگا الکترون‌ولت تخمین زده می‌شد. البته همیشه احتمال آن‌که ذره‌ی هیگز اصلاً وجود نداشته باشد هم مطرح بود.

شتاب‌دهنده‌ی LEP

در سال ۲۰۰۰، دانشمندان در شتاب‌دهنده‌ی LEP انرژی پرتو را افزایش دادند تا بتوانند هم‌زمان یک بوزون Z و یک بوزون هیگز تولید کنند. هر دو ذره ناپایدارند و سریعاً به ذرات شناخته‌شده‌ای مانند الکترون، میون، کوارک و غیره واپاشی می‌کنند. به‌عنوان مثال، بوزون Z می‌توانست به یک جفت میون/پادمیون و هیگز به یک جفت کوارک پایین/پادکوارک پایین واپاشی کند،.

درنهایت، با وجود چند نشانه‌ی هیجان‌انگیز در داده‌ها، پژوهشگران هیچ شواهد قاطعانه‌ای برای وجود هیگز نیافتند و وجود آن را برای جرم‌های کمتر از ۱۱۴٫۴ گیگا الکترون‌ولت رد کردند.

شتاب‌دهنده‌ی Tevatron

در شتاب‌دهنده‌ی Tevatron، انرژی برخوردها به اندازه‌ای بالا بود که در برطبق پیش‌بینی‌های نظری می‌توانست بوزون هیگز را به‌صورت مستقیم تولید کند. اگر جرم بوزون هیگز کمتر از ۱۶۰ گیگا الکترون‌ولت می‌بود، انتظار می‌رفت که این ذره به‌طور ترجیحی به یک جفت کوارک/پادکوارکِ پایین (bottom) واپاشی کند. در جرم‌های بالاتر از ۱۶۰ گیگا الکترون‌ولت، واپاشی به جفت‌های بوزون W ترجیح داده می‌شود.

اما چالش بزرگ در Tevatron آن بود که تولید کوارک‌های پایین به روش‌های معمول بسیار رایج است و همین باعث می‌شد که سیگنال هیگز در میان داده‌ها گم شود. برای مقابله با این مشکل، فیزیک‌دانان تصمیم گرفتند به‌دنبال برخوردهایی بگردند که در آن‌ها بوزون هیگز همراه با یک بوزون W یا Z تولید شده باشد. چون تولید همزمان دو ذره‌ی نادر، احتمالاً نشانه‌ای از وقوع یک پدیده‌ی خاص مانند تولید بوزون هیگز است.

جالب است که این رویکرد، مشابه چیزی بود که پیش‌تر در LEP نیز دنبال شده بود. در هر دو شتاب‌دهنده، به‌جای مشاهده‌ی مستقیم بوزون هیگز، محصولات واپاشی آن بررسی می‌شد. با این روش، دانشمندان توانستند وجود بوزون هیگز را در جرم‌هایی نزدیک به ۱۶۰ گیگا الکترون‌ولت و کمی پایین‌تر رد کنند، اما داده‌ها کافی نبود تا همه‌ی بازه‌های جرمی را پوشش دهند.

اگر Tevatron زمان بیشتری برای جمع‌آوری داده داشت، احتمالاً می‌توانست بوزون هیگز را کشف کند. اما با آغاز به کار LHC و قدرت انرژی بسیار بالاتر آن، شتاب‌دهنده‌ی جدید همه چیز را در دست گرفت.

شتاب‌دهنده‌ی LHC

برخلاف شتاب‌دهنده‌ی Tevatron که در آن پروتون و پادپروتون با یکدیگر برخورد می‌کردند، در LHC فقط پروتون‌ها با یکدیگر برخورد می‌کنند. بااین‌حال، آشکارسازهای LHC نسبت به نسخه‌های قبلی در Tevatron و LEP بسیار پیشرفته‌ هستند و دقیق‌تر عمل می‌کنند. این موضوع به دانشمندان این امکان را داد تا فروپاشی‌های نادر بوزون هیگز بررسی کنند.

یکی از نمونه‌های فوق‌العاده تمیز، زمانی است که بوزون هیگز به دو بوزون Z تبدیل می‌شود و هر کدام از آن‌ها به الکترون یا میون فرو می‌پاشند. این حالت فقط در ۰٫۰۱۳٪ موارد اتفاق می‌افتد، اما چون مشابه آن در فیزیک معمولی خیلی نادر است، تشخیص آن بسیار دقیق خواهد بود.

مثال دیگر، فروپاشی بوزون هیگز به دو فوتون است که در ۰٫۲۲۹ درصد موارد رخ می‌دهد. این هم یکی از مسیرهای نادری‌ است که به‌دلیل دقت بالا در اندازه‌گیری‌، برای شناسایی بوزون هیگز بسیار ارزشمند است.

در LHC دو آزمایش بزرگ به نام‌های ATLAS و CMS به دنبال شواهدی از بوزون هیگز بودند. این آزمایش‌ها به بررسی نحوه‌ی واپاشی بوزون هیگز به جفت‌های بوزون Z، بوزون W و فوتون‌ها پرداختند. هر دو گروه، با جمع‌آوری حجم عظیمی از داده‌ها، به دنبال یافتن نشانه‌ای از این ذره بودند.

داده‌های به‌دست‌آمده روی نمودار نشان داده شده در تصویر زیر رسم شده‌اند. مناطق آبی و سبز نشان می‌دهند که در صورت عدم وجود بوزون هیگز، چه چیزی انتظار می‌رفت. نقاط سیاه داده‌های واقعی هستند و خط قرمز، حضور بوزون هیگز را نشان می دهد. در ابتدا، هیچ نشانه‌ای دیده نمی‌شد، اما با افزایش داده‌ها، قله‌ای کوچک در جرم ۱۲۵ گیگا الکترون‌ولت آشکار شد، دقیقاً جایی که پیش‌بینی شده بود.

پس از یک دهه تلاش و آزمایش با سه شتاب‌دهنده‌ی مختلف، سرانجام در ۴ ژوئیه‌ی ۲۰۱۲، دو آزمایش ATLAS و CMS به‌طور هم‌زمان کشف بوزون هیگز را اعلام کردند. جالب‌تر اینکه نتایج هر دو آزمایش کاملاً با هم هم‌خوانی داشتند.

با این حال، اعلام کشف این ذره، پایان کار نبود. درابتدا، دانشمندان فقط وجود یک ذره‌ی جدید را تایید کردند. سال‌ها بررسی بیشتر لازم بود تا مشخص شود این همان بوزون هیگزی است که در دهه‌ی ۱۹۶۰ پیش‌بینی شده بود. مهم‌ترین آزمایش، تطابق واپاشی‌های هیگز با پیش‌بینی‌های نظری بود و هر دو آزمایش LHC این پیش‌بینی‌ها را تایید کردند.

کشف بوزون هیگز نه‌تنها یکی از بزرگ‌ترین موفقیت‌های علمی قرن بود، بلکه مهر تاییدی بر اعتبار مدل استاندارد فیزیک ذرات زد؛ مدلی که ساختار بنیادین جهان را توضیح می‌دهد. اما این پایان مسیر نیست. پرسش‌های بی‌پاسخ بسیاری باقی مانده‌اند: چرا برخی ذرات با میدان هیگز تعامل دارند و برخی نه؟ منشا جرم نوترینوها چیست؟ آیا ذره‌ی هیگز تنها بازیگر این میدان است؟

جهان هستی هنوز رازهای بسیاری در دل دارد و دانشمندان، با چشمانی مشتاق، آماده‌اند تا در شتاب‌دهنده‌های آینده، پرده از چهره‌ی آن‌ها بردارند.