ارتقای LHC می‌تواند آشکار کند که آیا بوزون هیگز «استاندارد» است

اجرای جدید در برخورد دهنده هادرونی بزرگ در سال 2015 می‌تواند فرصتی برای نظریه‌های جدید باشد.

اگر شبیه به هیگز به نظر می‌رسد و شبیه به آن عمل می‌کند، بنابراین احتمالاً یک بوزون هیگز استاندارد است. این دریافتی از آخرین اندازه‌گیری‌های انجام شده در برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سرن است. جایی که فیزیک‌دان‌ها ذره جدیدی که در سال 2012 کشف شد را به دقت توصیف کرده‌اند. تاکنون هر آزمونی که در شتاب‌دهنده ژنو انجام شده است، تایید می‌کند که این ذره جدید بسیار شبیه به بوزون هیگز است که در مدل استاندارد فیزیک ذرات توصیف شده است. این نتایج به طرز چشم‌گیری نظریه هیگز که در سال 1964 توسط رابرت براوت ( Robert Brout)، فرانسوا انگلرت (François Englert)و پیتر هیگز(Peter Higgs) مطرح شد را تایید می‌کند و منجر به اهدای جایزه نوبل سال پیش به انگلرت و هیگز شد (براوت در سال 2011 فوت شد و مشمول این جایزه نشد).

محل قرارگیری آشکارساز CMSدر برخورددهنده هادرونی بزرگ

پژوهش‌گران، مشتاق هستند انحراف‌هایی از این ایده را بیابند که می‌تواند باعث شود لایه عمیق‌تر از فیزیک نمایان شود. برای مثال، اگر بوزون هیگز به ذرات سبک‌تر با آهنگ اندکی متفاوت با پیشگویی‌ها واپاشی کند می‌تواند نشانی از وجود ذرات جدید نامتعارف باشد که در این واپاشی‌ها مداخله می‌کنند. در حالی‌که جدیدترین نتایج، نشانی از چنین مداخله‌ای را نشان نمی‌دهند، فاز بعدی LHC که قرار است با انرژی‌های بالاتر در اوایل سال 2015 آغاز شود، می‌تواند سوال های جدیدی را مطرح کند. در آن انرژی‌ها، بوزون هیگز ممکن است فرصتی برای نظریه جدید از فیزیک ایجاد کند که به صورت کامل‌تر جهان را توصیف می‌کند. پائول پادلی (Paul Padley) پژوهش‌گر از دانشگاه رایس که روی آزمایش سیم‌لوله میوئونی فشرده (CMS) در LHC کار می‌کند، می‌گوید «با کشف بوزون هیگز به جستجوها پایان ندادیم بلکه در حقیقت راستای کاملاً جدیدی از پژوهش را در پیش گرفتیم.» نظر او بر این است که «کار ما در دهه‌های آینده بررسی این موضوع با جزئیات بیشتر است».

هنگامی‌که فیزیک‌پیشه‌ها برای اولین بار هیگز را در LHC دیدند آن را از طریق واپاشی‌اش به دیگر بوزون‌ها به ویژه بوزون‌های پیمانه‌ای شناسایی کردند. بوزون‌های پیمانه‌ای، ذرات حامل نیرو همچون فوتون (حامل نیروی الکترومغناطیسی) و بوزون‌های W و Z (حامل‌های نیروی ضعیف) هستند. اکنون پژوهش‌گران CMS در نیچر [1] گزارش کرده‌اند که اثراتی از واپاشی هیگز به فرمیون‌ها (دسته‌ای از ذرات شامل الکترون‌ها و کوارک‌ها که اتم را می‌سازند) را مشاهده کرده‌اند (اینجا را ببینید). مدل استاندارد چنین واپاشی‌هایی را نیز پیش‌بینی می‌کند، اما این‌ها یک نتیجه مسلم و حتمی نبودند.

تصور می‌شود بوزون هیگز به یک میدان هیگز نامرئی مربوط باشد که در کل فضا وجود دارد. ذرات در حین حرکت در این میدان و برهم کنش با آن جرم‌دار می‌شوند. این یافته اصلی که ذرات هیگز به دیگر بوزون‌ها واپاشی می‌کنند، تایید کرد که میدان هیگز می‌تواند با بوزون‌ها برهم‌کنش کند. اکنون جدیدترین نتایج نشان می‌دهند که این میدان با فرمیون‌ها نیز می‌تواند برهمکنش کند. یافته‌ها، این ایده را پشتیبانی می‌کنند که یک بوزون منفرد هیگز در مدل استاندارد، جرم‌دار شدن ذرات را توضیح می‌دهد. اما برخی از فرضیه‌ها پیشنهاد می‌کنند که انواع چندگانه‌ای از بوزون‌های هیگز و بنابراین میدان‌های هیگز وجود دارند که هر نوع مسئول جرم بخشیدن به انواع خاصی از ذرات است. ایرس فریتس (Ayres Freitas) از دانشگاه پیترزبورگ می‌گوید «این نتیجه جدید، دیگر بوزون‌های هیگز را از رده خارج نمی‌کند اما تایید بیشتری بر درستی مدل استاندارد در حال حاضر است.» او می‌افزاید «اما این امکان وجود دارد که دو بوزون هیگز وجود داشته باشند و آن‌ها به طور اساسی این وظیفه را میان خودشان تقسیم کنند و هر یک بخشی از جرم را به ذرات بدهند.»

به کمک داده‌های بیشتری که از اجرای بعدی LHC گرفته می‌شود فیزیک‌پیشه‌ها می‌توانند این امکان را رد یا تایید کنند. اکنون عدم اطمینان روی میزان واپاشی بوزون هیگز به فرمیون‌ها و شدت جفت شدگی و برهم کنش میدان هیگز با آن‌ها مبهم است. فریتس می‌گوید «این می‌تواند موردی باشد که جفت‌شدگی ذره‌ای که در حال حاضر کشف شده است بزرگ‌تر و یا کوچک‌تر از آنچه باشد که مدل استاندارد پیشگویی می‌کند و این انحراف با وجود یک بوزون هیگز دوم توجیه شود.» و اگر بوزون‌های هیگز اضافی وجود داشته باشند LHC ممکن است قادر باشد هنگام شروع به کار با انرژی‌های بالاتر در سال آینده آن‌ها را تولید کند.

پس از آن‌که برخورد دهنده در سال 2008 شروع به کار کرد بیشینه انرژی آن 8 ترا الکترون ‌ولت (Tev) بود. هنگامی‌که LHC به وقفه کنونی‌اش خاتمه دهد و بار دیگر در بهار 2015 شروع به کار کند می‌تواند به انرژی Tev13 برسد. این افزایش انرژی ناشی از بهبود آهنربای ابررسانا است که حلقه با طول 27 کیلومتری شتابدهنده در زیر زمین را پوشش می‌دهد. آهنرباهای قوی‌تر می‌توانند پروتون‌های تزریق شده به حلقه را تا سرعت بیشتری نسبت به قبل شتاب دهند و اطمینان دهند انفجار ایجاد شده در اثر برخورد آن‌ها انرژی بالاتری خواهد داشت. LHC بهبود یافته‌ی جدید قادر خواهد بود پروتون‌های برخورد کننده را نزدیک‌تر به یکدیگر نگه دارد و یک باریکه‌ی فشرده‌تر ایجاد کند و به قول فیزیک ‌پیشه‌ها به آن «شدت» بیشتری دهد که منجر به برخوردهای رو در روی بیشتری می‌شود. روی هم رفته، فیزیک پیشه‌ها انتظار دارند در اجرای بعدی LHC تعداد بوزون‌های هیگز در مقایسه با محدودیت پیشین 300 برابر شوند. فریتس بر این نظر است که « این افزایش آهنگ تولید، معادل با اندازه‌گیری‌های با دقت بالاتر از ویژگی‌های بوزون هیگز خواهد بود.» برای مثال داده‌های جدید، محاسبات شدت برهم‌کنش میدان هیگز با ذرات مختلف شامل بوزون‌ها و فرمیون‌ها را دو یا سه برابر بهبود می‌بخشد. او می‌گوید «این قطعاً فرصتی خواهد بود برای دیدن آنچه تاکنون مشاهده نشده است اما نمی‌دانیم طبیعت چه چیزی را برای ما آماده کرده است.»

یک امکان دیگر برای نظریه عمیق‌تر از فیزیکِ فرای مدل استاندارد، ابر تقارن است که بیان می‌کند برای هر ذره بنیادی شناخته شده یک ذره شریک 'ابر متقارن' وجود دارد. تاکنون نشانی از چنین ذراتی مشاهده نشده است اما LHC بهبود یافته به اندازه کافی قدرتمند خواهد بود که ذرات ابر متقارن را تولید کند. و حتی اگر چنین امری محقق نشود LHC قادر خواهد بود با روش‌های هوشمندانه‌تر وجود آن‌ها را اثبات کند. این ذرات می‌توانند همچون ارواح کوانتومی نمایان شوند و از نیستی سریع تولید و ناپدید شوند اما برای مثال بوزون هیگز به ذرات که بیشتر متعارف هستند، واپاشی می‌کند. اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر از آهنگ‌های واپاشی هیگز میتواند انعکاس این مطلب باشد که آیا چنین امری رخ می‌دهد یا خیر. پادلی می‌گوید «گاهی اوقات، پیشرفت با کشف یک واقعه بزرگ جدید رخ نمی‌دهد بلکه با دقت در این ‌که ویژگی‌های آنچه مشاهده می‌کنید در سازگاری کامل با آنچه انتظار دارید نیست، محقق می‌شود.»

مدل استاندارد برای ماده تاریک توضیحی ندارد. تصور می‌شود ماده تاریک از ذرات نامرئی که با ذرات عادی برهم‌کنش نمی‌کنند ساخته شده است و بخش بزرگی از ماده در جهان را می‌سازد. ریچارد کاوناگ ( Richard Cavanaugh) محقق CMS از آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فرمی و دانشگاه ایلی نویز در شیکاگو می‌گوید «بوزون هیگز با ذراتی برهم‌کنش می‌کند که جرم داشته باشند بنابراین یک امکان مجزای دیگر هم هست که هیگز بتواند با ذرات ماده تاریک برهم‌کنش کند.» اگر هیگز به ذرات ماده تاریک واپاشی کند برای مثال، آن‌ها از LHC می‌گریزند بدون اینکه هیچ آشکارسازی انجام شود. با این حال، عدم حضور آن‌ها و نبود کافی دیگر محصولات واپاشی خود یک نشانه است.

سرانجام، هیچ کس نمی‌داند LHC در سال‌های آینده چه اطلاعاتی را به ما می‌دهد اما وجود امکان‌‌های هیجان‌انگیز باعث شده است همه دانشمندان با هیجان چشم انتظار باشند. کاوناگ می‌گوید «این یکی از هیجان‌انگیز ترین دوران برای یک فیزیک‌پیشه است.» او می‌گوید «من صبح‌ها با احساس لرز و هیجان بیدار می‌شوم به دلیل حساسیت موقعیتی که ما در آن هستیم.»

psi.ir