کشف پرده‌ی دیگری از مکانیسم ذره خدا: کدام ذرات، جرمشان را مدیون هیگز هستند؟

بوزون هیگز ، ذره‌ای است که در عین ناچیز بودن از نظر اندازه، تاثیر بسیار بزرگی بر فیزیک گذاشت. این ذره‌ی مهم که زمزمه‌های شک‌برانگیز وجود آن در دهه‌ی ۱۹۶۰ آغاز شد، سرانجام در سال ۲۰۱۲ و پس از ۴۰ سال، در دام غول‌پیکرترین دست‌سازه‌ی بشر، یعنی LHC افتاده و وجود آن اثبات شد. اهمیت هیگز به دلیل نقش مهم آن در دادن جرم به ذرات است. به طور دقیق‌تر این ذره، بروز کوانتیزه‌ی میدانی (میدان هیگز) است که از طریق برهمکنشش با سایر ذرات، جرم را تولید می‌کند. نام جنجالی «ذره خدا»، الهام گرفته از کتاب مشهور دو نوبلیست فیزیک، لدرمن و ترسی در سال ۱۹۹۳ است که به دلیل منع چاپ نام «لعنت خدا»، انتخاب شد. اکنون دانشمندان پرده‌‌ی تازه‌ای از مکانیسم عملکرد این ذره را کشف کرده‌اند که نتیجه‌ی آن در مجله معتبر Physical Review Letters منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

میدان هیگز، مانند اقیانوس بی‌پایانی است که تمام ذرات در آن شنا می‌کنند. برخی ذرات، مانند اسفنج بوده و با حرکت خود، جرم را در خود انباشته می‌کنند، در حالیکه سایر ذرات، به چالاکی ماهی‌های کوچک بوده و به سرعت حرکت می‌کنند. نظریه‌ی هیگز، توضیح ساده‌ و زیبایی است که نشان می‌دهد چرا برخی ذرات، سنگین هستند و برخی ذرات، سبک. هنوز تمام پیش بینی‌های نظریه‌ی هیگز آزمایش نشده‌اند و به همین دلیل، دانشمندان در آزمایش CMS، بوزون هیگز را مرکز توجه خود قرار داده و تلاش می‌کنند نشان دهند این ذره چه جایگاهی در اکوسیستم حساس ذرات دارد. آنها می‌گویند:

ما می‌دانیم هیگزها با ذرات حامل نیروی سنگین مانند بوزون W برهمکنش می‌کنند، زیرا ما در واقع به همین روش، آنها را کشف کردیم. اکنون می‌خواهیم ارتباط آنها را با فرمیون‌ها درک کنیم.

فرمیون‌ها، ذراتی هستند که از طریق برهمکنش با یکدیگر، ساختار درون اتم را شکل می‌دهند. این در حالیست که بوزون‌ها، ظهور فیزیکی نیروها بوده و وظایفی مانند چسباندن فرمیون‌ها به یکدیگر را بر عهده دارند. دانشمندان در سال ۲۰۱۴ مقاله‌ای درباره‌ی آزمایش ‌CMS در مجله‌ی معتبر Nature منتشر کردند که نشان می‌داد بوزون هیگز با فرمیون‌ها ارتباط دارد. این نتیجه از طریق اندازه‌گیری سرعت واپاشی بوزون هیگز به لپتون‌های تاو (tau leptons عموزاده‌ی سنگین‌تر الکترون‌ها) بدست آمد. پس از آن، آزمایشهای CMS و ATLAS شواهدی مبنی بر واپاشی بوزون هیگز به کوارک‌های ته (bottom quarks) پیدا کردند. اکنون دانشمندان در پی کشف رابطه‌ی بوزون هیگز با کوارک بالا (top quark) هستند. آنها می‌گویند:

رابطه‌ی بین هیگز و کوارک بالا، بسیار جالب است، زیرا کوارک بالا، سنگین‌ترین ذره‌ی‌ بنیادی است که تاکنون کشف شده است، پس بوزون هیگز به عنوان ذره‌ی «جرم‌دهنده» (giver of mass) باید علاقه‌ی زیادی به کوارک بالا داشته باشد!

از آنجایی که کوارک بالا، بسیار سنگین‌تر از بوزون هیگز است، غیرممکن است بوزون هیگز به یک جفت کوارک بالا، واپاشی کند. خوشبختانه راه دیگری برای درک ارتباط بوزون هیگز و کوارک‌های بالا وجود دارد: جستجوی مورد نادری از تولید همزمان کوارک‌های بالا و یک بوزون هیگز . دانشمندان می‌گویند:

تولید بوزون هیگز ، نادر است، اما تولید همزمان هیگز و کوارک‌های بالا، نادرترین پدیده‌ای است که در LHC رخ می‌دهد، حدود یک درصد از رویدادهایی که بوزون هیگز در آنها درگیر است.

دانشمندان در مقاله‌ی تازه‌ی خود، مشاهده‌ی از نظر آماری فراوان تولید همزمان بوزون هیگز و کوارک‌های بالا را گزارش کرده‌اند. نتیجه‌ی آزمایش CMS برای این فرآیند که از نظر مدل استاندارد، بسیار نادر است، با درجه‌ی اهمیت ۵.۲ سیگما بدست ٖآمد که نخستین مشاهده‌ی فراتر از ۵ سیگما (آستانه‌ی موردنیاز فیزیکدانان) است. نتیجه‌ی مشابهی برای آزمایش ATLAS بدست ٖآمده که مقاله‌ی آن نیز در دست انتشار است. دانشمندان می‌گویند:

یک کوارک بالا تقریبا همیشه به یک کوارک ته و یک بوزون W واپاشی می‌کند. از طرفی، بوزون هیگز ، طیف متنوعی از حالت‌های واپاشی دارد: واپاشی‌ به جفت‌ کوارک‌های ته، بوزون‌های W، لپتون‌های تاو، فوتون‌ها و چندین نوع دیگر. این طیف متنوع باعث می‌شود علامت‌های زیاد و متنوعی در رویدادهای درگیر با دو کوارک بالا و بوزون هیگز بدست آید. ما تمام این علامت‌ها را دنبال کرده و نتایج را برای تولید تحلیل نهایی ترکیب کردیم. کشف رابطه‌ی بوزون هیگز با کوارک بالا، قطعا پنجره‌ای به سوی فیزیک جدید می‌گشاید. کشف رابطه‌ی هیگز و کوارک بالا، در مورد رفتار هیگز و چگونگی برهمکنش آن با سایر ذراتی که حتی آنها را کشف نکرده‌ایم، مانند ماده‌ تاریک، چیزهای زیادی به ما خواهد گفت.