از ایتان بپرسید: آیا می توانید بوزون هیگز را عمیقاً توضیح دهید؟

یکی از بزرگان ماموریت در تمام علوم این است که در سطحی بنیادی، کشف کنیم که جهان در واقع از چه چیزی ساخته شده است. اگر هر مقدار ماده و انرژی را که وجود دارد – یا حتی می تواند وجود داشته باشد – را بردارید و آن را به کوچکترین قطعات ممکن برش دهید تا زمانی که فقط چیزی وجود داشته باشد که قابل برش نباشد، با ذرات بنیادی و بنیادی که جهان ما را تشکیل می دهند، باقی می مانند. در فیزیک، این ما را ابتدا به سطح اتم، سپس به هسته‌ها و الکترون‌های اتم، سپس به پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها و در نهایت به مدل استاندارد مدرن ذرات بنیادی می‌برد: همراه با کوارک‌ها، لپتون‌های باردار، نوترینوها، همتایان ضدماده‌شان، گلوئون‌ها، فوتون‌ها، ذرات W-و-Z، و یک بوسون منحصر به فرد.

از بین همه این ذرات، بوزون هیگز جدیدترین کشف شده است: فقط در شتاب دهنده های ذرات مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن در سال 2012 یافت می شود. اما تاریخچه بوزون هیگز چیست؟ چه چیزی آن را منحصر به فرد می کند، از کجا آمده است و چگونه با هر چیز دیگری که می دانیم مطابقت دارد؟ این چیزی است که Vu H Nguyen می خواهد بداند و می پرسد:

آیا می توانید بوزون هیگز را عمیقاً توضیح دهید؟ [It is] درک آن برای من سخت است، اما فکر می کنم این در فیزیک ذرات بسیار مهم است. شاید بتوانید به روشی ساده تر توضیح دهید؟»

وقتی به ماده فکر می کنیم، معمولاً به «بنیادی» به روشی که در بالا توضیح دادیم فکر می کنیم: خرد کردن آن به کوچکترین اجزای تشکیل دهنده غیرقابل تقسیم آن. اما داستان چیزهای بیشتری دارد، و بوزون هیگز از ما می خواهد که برای درک آن عمیق تر از هر ذره شناخته شده دیگری برویم. داستان اینجاست.

اینجا در کیهان ما بیشتر با ذراتی که امروزه رایج و پایدار هستند آشنا هستیم: اتم ها و ذرات زیراتمی که از آنها تشکیل شده اند. اتم ها از الکترون هایی ساخته شده اند که به دور هسته اتم می چرخند که به نوبه خود از پروتون ها و نوترون ها ساخته شده اند که خود از کوارک ها و گلوئون ها ساخته شده اند.

با این حال، اگر می‌خواهید ببینید چه نوع کوارک‌هایی در داخل وجود دارند، باید ذرات را با هم برخورد کنید. شما باید به اندازه کافی با آنها برخورد کنید تا درون اتم حفاری کنید، هسته اتم را بشکنید، تک تک پروتون ها و نوترون ها را جدا کنید، و آنها را مستقیماً به ذرات بنیادی جداگانه بشکنید.

پادزهر رسانه های اجتماعی

چهار بار در سال، مجله چاپی Big Think به درب منزل شما می رسد. ایده های بزرگ از بزرگترین متفکران جهان. بدون نیاز به غذا

وقتی این کار را انجام می دهید، چیز شگفت انگیزی را کشف می کنید. نه تنها متوجه می‌شوید که این ساختارهای ترکیبی داخل اتم از چه ساخته شده‌اند، بلکه توانایی ایجاد ذرات کاملاً جدید، از جمله ذرات سنگین، ناپایدار و کوتاه مدت را نیز به دست می‌آورید. از طریق قدرت برخورد دهنده‌ها، ما نه تنها الکترون‌ها و کوارک‌های بالا و پایین را تولید می‌کنیم که پروتون‌ها و نوترون‌ها را می‌سازند، بلکه:

• میون‌ها و تاو، پسرعموهای سنگین‌تر الکترون‌ها،
• پوزیترون ها، آنتی میون ها و آنتی تاوس، همتایان ضد ماده این لپتون های باردار،
• کوارک های عجیب، جذاب، پایین و بالا،
• همتایان ضد ماده هر شش نوع کوارک (آنتی کوارک)،
• فوتون ها، گلوئون ها و بوزون های W-و-Z که بوزون های گیج هستند،
• و همچنین بوزون هیگز.

اینها، همراه با نوترینوها و پادنوترینوها (که نمی توان مستقیماً در برخورددهنده ها مشاهده کرد، اما می توان آنها را با روش های دیگر مشاهده کرد)، تمام ذرات بنیادی شناخته شده و کل مدل استاندارد ذرات بنیادی را تشکیل می دهند.

این نمودار از ذرات مدل استاندارد فرمیون‌ها را در ردیف بالا، بوزون‌های گیج در ردیف وسط و هیگز را در ردیف پایین نشان می‌دهد. خطوط اتصالات را نشان می دهند و می توانید ببینید که کدام ذرات فرمیونی توسط خطوط آبی به کدام یک از نیروها متصل می شوند. هر چیزی با جفت جرم هیگز. تنها ذرات بدون جرم (و بنابراین نیستند) فوتون و گلوئون هستند. گراویتون نظری، که در اینجا نشان داده نشده است، با همه چیز با انرژی مرتبط است: همه ذرات و پادذرات. اگر ذرات جدیدی در آنجا وجود داشته باشد، اتصال آنها می تواند حضور آنها را به طور غیرمستقیم از طریق اندازه گیری های دقیق نشان دهد که خواص مشاهده شده ذرات را با ویژگی های پیش بینی شده توسط مدل استاندارد مقایسه می کند.

ما می‌توانیم انواع ویژگی‌های این ذرات را از آزمایش‌های آشکارساز برخورددهنده خود اندازه‌گیری کنیم. به طور خاص، ما می‌توانیم با ایجاد تعداد کافی از آنها و ساخت آشکارسازهایی در اطراف نقاط برخوردی که این ذرات در آن اتفاق می‌افتند – ایجاد شده از انرژی از طریق E = mc انیشتین، تا زمانی که تمام خواص کوانتومی لازم مانند انرژی، تکانه، تکانه زاویه‌ای، بار الکتریکی و غیره محفوظ بماند – انواع ویژگی‌های مرتبط با آنها را اندازه‌گیری کنیم. ما می توانیم تعیین کنیم:

• میزهایشان در حال استراحت،
• بارهای الکتریکی آنها،
• لحظه زاویه ای خود (یعنی چرخش آنها)،
• زندگی متوسط آنها،
• سوپرشارژ ضعیف و ایزوسپین ضعیف آنها،
• محصولات پوسیدگی احتمالی آنها (همه راه های مختلف که در آنها ناپایدار می تواند پوسیدگی کند)،
• و ضرایب انشعاب آنها (میزان پوسیدگی آنها در مسیرهای مختلف)

رئیس در میان آنها مدل استاندارد فقط در مورد ذرات موجود نیست، بلکه در مورد روابط و خواص کلیدی آنها نیز می باشد. کوارک ها و لپتون ها آنچه را که ما معمولاً به عنوان “ماده” می شناسیم تشکیل می دهند (در حالی که آنتی کوارک ها و آنتی لپتون ها “ضد ماده” را تشکیل می دهند)، اما بوزون های گیج تعیین می کنند که چگونه با یکدیگر برهمکنش دارند. ما معمولاً در مورد این به عنوان چهار نیروی اساسی صحبت می کنیم، زیرا ذرات و پادذرات از طریق گرانش (که نمی دانیم طبیعت کوانتومی است؛ خارج از مدل استاندارد است)، الکترومغناطیس (با واسطه فوتون)، نیروی هسته ای ضعیف (با واسطه بوزون های W-و-Z) و نیروی هسته ای قوی (با واسطه گلوئون ها) برهم کنش می کنند.

البته هنوز اسرار ما وجود دارد که مدل استاندارد نمی تواند آنها را توضیح دهد: گرانش، مقادیر باقی مانده ذرات، فراوانی ماده در مقابل پادماده در جهان، و وجود ماده تاریک و انرژی تاریک در میان آنها. اما آنچه که مدل استاندارد به ما می دهد، توصیفی فوق العاده قدرتمند از واقعیت است.

بقیه توده‌های ذرات بنیادی در کیهان تعیین می‌کنند که چه زمانی و تحت چه شرایطی می‌توانند ایجاد شوند و همچنین به مدت زمانی که پس از ایجاد شدن در طی انفجار بزرگ داغ می‌توانند زنده بمانند، ارتباط دارند. هرچه یک ذره جرم بیشتری داشته باشد، زمان کمتری می تواند به طور خود به خود در جهان اولیه ایجاد کند و عمر آن کوتاه تر خواهد بود. اگرچه ما می توانیم جرم ذرات را با جفت کردن آنها به هیگز توضیح دهیم، اما هیچ راهی برای پیش بینی موفقیت آمیز مقادیر آنها نداریم. آنها باید به صورت تجربی اندازه گیری شوند تا مشخص شوند.

بنابراین بوزون هیگز از کجا می آید؟

برای پاسخ به آن، ما نمی‌توانیم امروز از اینجا در کیهان خود شروع کنیم، و حتی نمی‌توانیم با «برآمدگی‌های کوچک» که در شتاب‌دهنده‌های ذرات خود در اینجا روی زمین ایجاد می‌کنیم، شروع کنیم. در عوض، ما باید تمام راه را به بیگ بنگ داغ برگردیم، جایی که انرژی‌های بالاتر و دمای بالاتر از هر چیزی که می‌توانیم در اینجا روی زمین ایجاد کنیم به دست آمد.

در آن زمان هنوز کوارک‌ها و لپتون‌ها (و آنتی‌کوارک‌ها و آنتی‌لپتون‌ها) را که امروز داریم و همچنین گلوئون‌ها داشتیم. همه آنها هنوز برای وجود نیاز به انرژی داشتند، اما بقیه توده های امروزی را نداشتند. (شاید شما عبارت “هیگز به جهان جرم می دهد” را شنیده باشید، اما این به میدان هیگز اشاره دارد که در مقابل “خاموش” است، نه بوزون هیگز!) با این حال، ذرات درست مانند امروز وجود داشتند. خیلی همینطور بود

بوزون های دیگر اما بسیار بسیار متفاوت به نظر می رسیدند. ما اصلاً فوتون، بوزون W-و-Z و بوزون هیگز را در مراحل اولیه انفجار بزرگ داغ نداشتیم. در عوض، ما چهار بوزون بدون جرم داشتیم: W₁، U₂، U₃میدان هیگز نیز در آنجا بود، اما در وضعیت بسیار متفاوتی با آنچه امروز وجود دارد. در حالی که امروزه میدان هیگز در حالت به اصطلاح “تقارن شکسته” قرار دارد، مانند توپی که به دره ای روی لبه کلاه غلتیده است، در ابتدا میدان هیگز در حالت “تقارن بازسازی شده” قرار داشت: مانند بالای کلاه، که در آن همه جهات برابر به نظر می رسند.

وقتی یک بطری شراب به طور کامل یا جزئی پر شود، یک قطره روغن یا یک توپ پینگ پنگ روی سطح شراب داخل بطری شناور می شود. در هر مکان، سطح شراب، و بنابراین آنچه در بالای آن شناور است، در همان سطح باقی خواهد ماند. این مربوط به حالت تقارن بازیابی شده است که در آن همه مکان‌ها و موقعیت‌ها به مقادیر معادل برای هر زمینه‌ای که این قیاس در آن اعمال می‌شود، منجر می‌شود. هنگامی که سطح شراب قسمت بالای ته بطری را نشان می دهد، تقارن دیگر بازیابی نمی شود، بلکه در عوض شکسته می شود.

این بدان معناست که در انرژی‌های بالا مرتبط با مراحل اولیه بیگ بنگ داغ، همان طیف فرمیون‌های مدل استاندارد (کوارک‌ها و لپتون‌ها، آنتی‌کوارک‌ها و آنتی‌لپتون‌ها) وجود دارد که امروزه، البته بدون توده‌های ساکن، اما طیف متفاوتی از نیروها را داریم که توسط آن‌ها برهم‌کنش می‌کنند.

آنها از طریق:

• جاذبه (که در مدل استاندارد گنجانده نشده است)،
• نیروی هسته ای قوی (که در آن زمان با واسطه گلوئون ها، مانند امروز)،
• از نیروی الکتریکی ضعیف (که با واسطه این W₁، U₂، U₃و بوزون های B، به جای بوزون ها و فوتون های W-و-Z امروزی، که واسطه نیروهای ضعیف هسته ای و الکترومغناطیسی هستند.
• و از طریق میدان هیگز، که دارای چهار درجه آزادی است، همانطور که نیروی الکتریکی ضعیف دارای چهار بوزون است).

طبق مدل استاندارد، میدان هیگز یک میدان برداری یا یک میدان اسپینور (مانند سایر بوزون ها و فرمیون ها) نیست، بلکه یک میدان اسکالر است. (در زبان فنی، ساختار این میدان را یک دوتایی پیچیده SU(2) می نامیم.) در این مرحله، هنوز یک میدان هیگز و یک برهمکنش هیگز وجود دارد، اما بوزون هیگز وجود ندارد. علاوه بر این، ذرات مدل استاندارد هنوز جرم سکون به دست نیاورده اند.

بوزون های بدون جرم W و B، به جای W+، W-، Z و فوتون، بوزون های الکتروضعیف بودند که قبل از شکسته شدن تقارن الکتروضعیف در جهان اولیه به عنوان حامل نیرو وجود داشتند. هنگامی که تقارن ضعیف الکتریسیته بازیابی شد، فقط میدان هیگز پیوسته وجود داشت، اما هیچ بوزون هیگز (یا سایر بوزون های هیگز) وجود نداشت.

و سپس یک انتقال بحرانی رخ می دهد: جهان با انرژی معادل 250 گیگا ولت سرد می شود، که حدود یک پیکوثانیه (0.000000000001 ثانیه) پس از شروع انفجار بزرگ اتفاق می افتد. این به عنوان یک انتقال فاز الکتروضعیف شناخته می شود: جایی که مکانیسم هیگز به طور خود به خود نیروی الکتریکی ضعیف را به نیروهای هسته ای الکترومغناطیسی و ضعیف تقسیم می کند.

گاهی اوقات عبارات “شکستن تقارن ضعیف الکتریسیته” و “شکستن تقارن هیگز” را می شنوید که انگار چیزهای جداگانه ای هستند. آنها نیستند. آنها یکسان هستند: مکانیسم هیگز چیزی است که باعث شکسته شدن تقارن ضعیف الکتریکی می شود، و این زمانی اتفاق می افتد که انرژی جهان به قدری کاهش می یابد که دیگر از نظر انرژی در “اوج” پتانسیل کلاهک مانند مطلوب نیست. هنگامی که از بالا سقوط می کنید و به لبه پایین می آیید، همه چیز در آنجا اتفاق می افتد و در نهایت منشاء بوزون هیگز است.

اما قبل از اینکه به آنجا برسیم، باید درک کنید که قضیه‌ای در فیزیک وجود دارد که به قضیه گلدستون معروف است، که بیان می‌کند هر زمان که یک تقارن پیوسته دارید که به طور خود به خود شکسته می‌شود، یک ذره اسکالر بدون جرم جدید از آن به دست می‌آورید: ذره‌ای به نام بوزون نامبو-گلدستون.

یک نمودار توضیحی که نحوه عملکرد شکست تقارن را نشان می دهد. در سطح انرژی به اندازه کافی بالا، یک توپ در مرکز (پایین ترین نقطه) قرار می گیرد و نتیجه دارای تقارن است. در سطوح انرژی پایین تر، مرکز ناپایدار می شود، توپ به نقطه پایین تر می غلتد – اما در موقعیت (خودسرانه) قرار می گیرد و نتیجه این است که تقارن شکسته می شود – موقعیت حاصل متقارن نیست.

از آنجایی که میدان هیگز ساختار خاصی دارد – ساختار یک دوتایی SU(2) پیچیده – این بدان معنی است که چهار درجه آزادی با آن وجود دارد و بنابراین، در حالت پیوسته، چهار تقارن پیوسته با آن وجود دارد. وقتی تقارن شکسته می شود، طبق قضیه گلدستون، چهار ذره اسکالر بدون جرم بدست می آوریم.

اما دست نگه دارید! آیا بوزون هیگز جرم ندارد؟

به همین دلیل است که درک نحوه عملکرد مکانیسم هیگز بسیار مهم است. وقتی تقارن این چهار درجه آزادی پیوسته شکسته شود، چهار ذره هیگز که به لحاظ نظری بی جرم هستند ظاهر می شوند:

• دارای بار مثبت، H⁺،
• دارای بار منفی، H^–،
• و دو خنثی الکتریکی که معمولاً H⁰ و ساعت.

اما اینها ذرات بدون جرم مجزا نیستند. آنها در میان بقیه جهان وجود دارند. و اینجا در این جهان ما این بوزون های الکتروضعیف را نیز داشتیم: W₁، U₂، U₃و بوزون های B.

اکنون یک اطلاعات دیگر وجود دارد که باید جمع آوری کنیم. در جهان کوانتومی ما، اگر دو ذره کوانتومی مجزا دارای اعداد کوانتومی یکسانی باشند، توابع موج آنها ناگزیر با هم همپوشانی و مخلوط می‌کنند. با ورود جدید اچ⁺، اچ^–، اچ⁰ و ساعت ذرات، دبلیو₁، U₂، U₃و بوزون های B اکنون چیزی برای مخلوط کردن با آن دارند.

وقتی تقارن ضعیف الکترومغناطیسی شکسته شد، W+ جرم خود را از یک ترکیب W1 و W2 دریافت می کند که هیگز با بار مثبت را می خورد، W- از ترکیب دیگر W1-W2 که هیگز با بار منفی را می خورد، و Z0 از ترکیب B و W3 که هیگز خنثی را می خورد. هیگز خنثی دیگر به بوزون هیگز تبدیل می شود که در اوایل این دهه در LHC کشف و کشف شد. فوتون، ترکیب دیگر W3 و بوزون B، بدون جرم باقی می ماند.

دبلیو₁ و U₂ ذرات قبلاً دارای اعداد کوانتومی یکسانی هستند، بنابراین آنها قبلاً با هم مخلوط می شوند. (V₃ و بوزون های B نیز با هم مخلوط می شوند و این در یک لحظه مهم خواهد بود.) ترکیبی از W₁ و U₂ سپس با بوزون هیگز با بار مثبت، H ترکیب می شود⁺و W-بوزون با بار مثبت W را ایجاد می کند⁺. ترکیب دیگر W₁ و U₂ با بوزون هیگز با بار منفی ترکیب می شود، H^–، برای ساختن بوزون W با بار منفی، W^–. این ترکیبات، مانند تقارن سنج، اکنون حجیم می شوند.

دو ترکیب W نیز وجود خواهد داشت₃ و بوزون های B، به طور مشابه. یکی از این ترکیبات با یکی از ذرات خنثی مرتبط با هیگز ترکیب می شود: H⁰. این ترکیب به یک بوزون ضعیف خنثی تبدیل می شود: Z⁰. ترکیب دیگر W₃ و B، با این حال، با چیزی ترکیب نمی شود، جذب نمی کند، یا نمی خورد. بدون جرم باقی می ماند و این همان چیزی است که فوتون می شود. (اگر می‌پرسید، “هی، آیا این بدان معناست که قبل از شکست تقارن ضعیف، جهان هیچ فوتونی در خود نداشت؟” پاسخ مثبت است!!)

این فقط یک درجه آزادی باقی می گذارد، ساعت، بدون هیچ چیز برای ترکیب یا مخلوط کردن. این به بوزون عظیم هیگز تبدیل می شود.

هنگامی که تقارن بازیابی می شود (توپ زرد، بالا)، همه چیز متقارن است و حالت ترجیحی وجود ندارد. هنگامی که تقارن در انرژی های پایین تر (توپ آبی، پایین) شکسته می شود، همان آزادی، در جهات یکسان، دیگر وجود ندارد. در مورد تقارن ضعیف الکتریکی (یا هیگز)، هنگامی که شکسته می‌شود، فرآیندی خود به خودی رخ می‌دهد که به ذرات موجود در جهان جرم می‌دهد.

اما چرا عظیم می شود؟ در بالا به پتانسیل کلاه مانند مرتبط با میدان هیگز نگاه کنید. سه تا از این درجات آزادی میدان، چیزی را نشان می‌دهند که جهت میدان میدان نامیده می‌شود: اجزای میدان که در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف عقربه‌های ساعت حول «لبه» این کلاهک در دره می‌چرخند. (از نظر فنی، آنها با جریان های مثبت، منفی و خنثی در آن جهت ازیموتال مطابقت دارند.) این همان چیزی است که با سه بوزون گیج الکتروضعیف اصلی ترکیب می شود تا بوزون های W- و -Z را بسازد، با آخرین بوزون گیج الکتروضعیف غیر ترکیبی، فوتون بدون جرم را می سازد.

با این حال، این آخرین درجه آزادی – که با ساعت – در عوض در جهت شعاعی حرکت می کند: مسیری که تلاش می کند تا به سمت مرکز کلاهک بالا و پایین حرکت کند یا از آن دور شود. بر خلاف جهت “دور” (زیموت) که مسطح و بدون منحنی است، جهت شعاعی به شدت منحنی است. اگر این جزء میدان را به عنوان یک توپ در نظر بگیرید، در کناره های این کلاه به بالا و پایین می پیچد و در نتیجه نوسان می کند. این نوسانات نحوه بدست آوردن جرم این مؤلفه میدان و از این رو بوزون هیگز، ذره مرتبط با ساعت، عظیم است.

هنگامی که تقارن ضعیف الکترومغناطیسی شکسته می‌شود، مکانیسم هیگز میدان هیگز متقارن قبلی را به حالت شکسته تبدیل می‌کند و نیروی ایزوسپین (الکترو ضعیف) و نیروی پرشارژ را به نیروهای ضعیف هسته‌ای و الکترومغناطیسی مدرن تبدیل می‌کند، در حالی که یک بوزون هیگز عظیم ایجاد می‌کند. بوزون‌های W1، W2، W3 و B در ابتدا بدون جرم، به بوزون‌های W+، W- و Z0 به اضافه فوتون بدون جرم تبدیل می‌شوند.

جفت شدن به میدان هیگز چیزی است که به ذرات حجیم مدل استاندارد جرم سکون غیر صفر می دهد، اما این خود جفت شدن یا برهم کنش بوزون هیگز با میدان هیگز است که به بوزون هیگز جرم می دهد. اکنون که بوزون هیگز کشف شده است و ما مطمئن هستیم که مکانیسم هیگز توضیح صحیح و معتبری برای چگونگی به دست آوردن ساختار فعلی مدل استاندارد است، دیگر جامع و کامل نیست که بگوییم “چهار نیروی اساسی” وجود دارد همانطور که اغلب گفته ایم.

در عوض، نیروی هیگز نیز وجود دارد. اندازه گیری این نیرو به اندازه فشار یا کشش بین دو ذره آسان نیست، اما مطمئنا وجود دارد و نقشی ایفا می کند: ضعیف تر از نیروهای هسته ای و الکترومغناطیسی قوی، قوی تر از گرانش، و شاید در جایی بیشتر از نظر قدر با نیروی هسته ای ضعیف قابل مقایسه باشد.

اما این نیرو جدا از خود بوزون هیگز است. نکات کلیدی که باید در مورد بوزون هیگز به خاطر بسپارید این است که:

• از یک اسکالر چهار جزئی پیوسته شروع می شود،
• هنگامی که تقارن شکسته می شود، این چهار جزء یا چهار درجه آزادی منجر به چهار بوزون اسکالر می شود.
• سه مورد از اینها با بخش الکتروضعیف ترکیب می شوند و بوزون های عظیم W-و-Z را می دهند، جایی که ترکیب الکتروضعیف باقی مانده فوتون را می دهد.
• و سپس آخرین درجه از این چهار درجه آزادی به صورت شعاعی نوسان می کند و ذره اسکالر عظیمی را به نام بوزون هیگز ایجاد می کند.

این به همان سادگی است که من می دانم چگونه آن را بدون ساده سازی بیش از حد به روش اشتباه درست کنم. امیدوارم به شما کمک کند تا بوزون هیگز را کمی بهتر بشناسید! (و برای اطلاعات بیشتر و دیدگاه بیشتر، می توانم کتاب عالی مت استراسلر 2024 را توصیه کنم، امواج در یک دریای غیرممکن: چگونه زندگی روزمره از اقیانوس کیهانی پدیدار می شود.)

سوالات خود را از اتان بپرسید تا با gmail dot com شروع کنید!