رفتن به محتوای اصلی
Koohestun
توضیح کوهستاننظریه میدان کوانتومیمقاله تشریحی· 4 دقیقه مطالعه· در علم

چگونه یک میدان پس‌زمینه ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولتی از فروپاشی جهان جلوگیری می‌کند

ذرات بنیادی ذاتاً جرمی ندارند؛ بلکه جرم خود را از طریق اصطکاک با یک میدان انرژی دائمی که سراسر کیهان را فرا گرفته است، به دست می‌آورند. شدت این برهم‌کنش، همه‌چیز را از اندازه اتم‌ها گرفته تا وجود ستارگان تعیین می‌کند.

به قلم فرشید جمشیدی

فیزیک‌دانان مدل استاندارد 50%نظریه‌پردازان فراتر از مدل استاندارد 25%فیزیک‌دانان تجربی 25%
فیزیک‌دانان مدل استاندارد
تمرکز بر موفقیت تثبیت‌شده مقدار چشم‌داشتی خلأ ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولتی در پیش‌بینی بی‌نقص تولید جرم فرمیون‌ها و بوزون‌های شناخته‌شده.
نظریه‌پردازان فراتر از مدل استاندارد
استدلال می‌کنند که ثابت‌های جفت‌شدگی توضیح‌داده‌نشده و جرم غیرطبیعی و سبک ۱۲۵ گیگاالکترون‌ولتی هیگز، به فیزیک کشف‌نشده‌ای مانند ابرتقارن یا برهم‌کنش‌های ماده تاریک اشاره دارد.
فیزیک‌دانان تجربی
اولویت دادن به اندازه‌گیری‌های دقیق خودجفت‌شدگی هیگز و مسیرهای واپاشی نادر با استفاده از برخورددهنده‌های نسل بعدی برای آزمایش مرزهای نظری.

دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده

  • کیهان‌شناسانی که نقش میدان هیگز را در طول دوره تورم کیهانی در جهان اولیه مطالعه می‌کنند.

یک الکترون دقیقاً ۹٫۱۰۹ در ۱۰ به توان منفی ۳۱ کیلوگرم وزن دارد—جرمی چنان ناچیز که برای برابری با یک اونس، به ۱۰ به توان ۲۹ عدد از آن‌ها نیاز است. با این حال، اگر این مقدار بسیار کوچک به صفر می‌رسید، الکترون‌ها تا سرعت نور شتاب می‌گرفتند، اتم‌ها فوراً متلاشی می‌شدند و شیمی پیچیده از بین می‌رفت. جهان فیزیکی کاملاً به ذراتی وابسته است که دارای جرم‌های مشخص و پایداری باشند.[1]

در بیشتر طول قرن بیستم، فیزیک‌دانان جرم را به‌عنوان یک ویژگی ذاتی ماده در نظر می‌گرفتند، درست مانند بار الکتریکی. یک ذره به سادگی همان وزنی را داشت که داشت. این فرض با توسعه مدل استاندارد فیزیک ذرات فرو ریخت؛ مدلی که نشان داد معادلات بنیادی کیهان تنها در صورتی کار می‌کنند که تمام ذرات بنیادی ذاتاً بدون جرم باشند.[4]

راه‌حل این پارادوکس، یک گرادیان انرژی به وسعت کیهان است که به عنوان میدان هیگز شناخته می‌شود. ذرات بنیادی به جای اینکه در درون خود جرم داشته باشند، آن را از طریق برهم‌کنش با این پس‌زمینه همه‌جا حاضر به دست می‌آورند. هرچه یک ذره با شدت بیشتری در برابر این میدان اصطکاک ایجاد کند، جرم بیشتری را به دنیای بیرون نشان می‌دهد.[2][3]

آنچه میدان هیگز را در میان تمام میدان‌های بنیادی شناخته‌شده منحصربه‌فرد می‌کند، حالت پایه آن است. یک میدان الکترومغناطیسی در یک خلأ کاملاً خالی به صفر می‌رسد. اما میدان هیگز این‌گونه نیست. از طریق مکانیزمی به نام شکست خودبه‌خودی تقارن، پایین‌ترین حالت انرژی ممکن در جهان، میدان هیگز را در مقدار غیرصفر ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولت (GeV) در حالت پایه نگه می‌دارد.[5]

مت استراسلر، فیزیک‌دان نظری، این پدیده را با اشاره به اینکه میدان هیگز در همه‌جای کیهان «به‌طور میانگین غیرصفر» است، توصیف می‌کند. این میدان به عنوان یک محیط نامرئی و دائمی عمل می‌کند که نمی‌توان آن را خاموش کرد یا در برابر آن سپر قرار داد.[5]

جرم هر فرمیون بنیادی—مانند یک کوارک یا یک الکترون—کاملاً توسط یک ضریب ریاضی به نام ثابت جفت‌شدگی آن تعیین می‌شود، که دیکته می‌کند این ذره با چه شدتی به این پس‌زمینه ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولتی متصل می‌شود.[1][6]

جرم یک ذره کاملاً توسط قدرت جفت‌شدگی آن با میدان پس‌زمینه ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولتی هیگز تعیین می‌شود.

کرانه‌های این طیف جفت‌شدگی بسیار گسترده است. کوارک سر (Top quark)، سنگین‌ترین ذره بنیادی شناخته‌شده، با قدرتی نزدیک به ۱٫۰ با میدان هیگز جفت می‌شود. در نتیجه، جرم عظیم ۱۷۲٫۷۶ گیگاالکترون‌ولتی از خود نشان می‌دهد که باعث می‌شود یک کوارک سر به تنهایی به اندازه یک اتم کامل طلا سنگین باشد.[3][6]

کوارک سر (Top quark)، سنگین‌ترین ذره بنیادی شناخته‌شده، با قدرتی نزدیک به ۱٫۰ با میدان هیگز جفت می‌شود.

در سوی دیگر این طیف، الکترون با قدرتی بسیار ضعیف و در حدود ۰٫۰۰۰۰۰۳ با این میدان جفت می‌شود. این برهم‌کنش ضعیف منجر به جرم ناچیز ۰٫۵۱۱ مگاالکترون‌ولتی (MeV) آن می‌شود. تفاوت ۳۰۰ هزار برابری وزن بین یک کوارک سر و یک الکترون به دلیل اندازه یا ساختار داخلی آن‌ها نیست—هر دوی آن‌ها ذرات نقطه‌ای هستند—بلکه صرفاً نتیجه ضرایب جفت‌شدگی آن‌هاست.[1][6]

ذراتی که به هیچ وجه با میدان هیگز برهم‌کنش ندارند، کاملاً بدون جرم باقی می‌مانند. فوتون‌ها، حاملان نیروی الکترومغناطیسی، و گلوئون‌ها، حاملان نیروی هسته‌ای قوی، دارای ثابت جفت‌شدگی دقیقاً صفر هستند. آن‌ها بدون هیچ مانعی از سوی پس‌زمینه ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولتی، دائماً با سرعت نور حرکت می‌کنند.[2]

وجود این میدان در سال ۲۰۱۲ از یک ضرورت ریاضی به یک واقعیت فیزیکی تبدیل شد، زمانی که برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سرن، پروتون‌ها را با انرژی ۸ تراالکترون‌ولت (TeV) به یکدیگر کوبید. انرژی عظیم این برخوردها باعث ایجاد موج در میدان پس‌زمینه شد و یک برانگیختگی موضعی تولید کرد.[4]

این برانگیختگی همان بوزون هیگز است. همان‌طور که محققان سرن توضیح می‌دهند: «بوزون هیگز تجلی مرئی میدان هیگز است، چیزی شبیه به یک موج در سطح دریا.» جرم این ذره ۱۲۵٫۱ گیگاالکترون‌ولت اندازه‌گیری شد که کاملاً با پیش‌بینی‌های مورد نیاز مکانیزم شکست تقارن مطابقت داشت.[2]

طیف جرمی ذرات بنیادی چندین مرتبه بزرگی را در بر می‌گیرد که کاملاً توسط برهم‌کنش آن‌ها با میدان هیگز دیکته می‌شود.

با وجود این موفقیت، مجموعه شواهد پیرامون میدان هیگز حاوی حفره‌های نظری آشکاری است. مدل استاندارد به خوبی توضیح می‌دهد که چگونه مکانیزم جفت‌شدگی باعث تولید جرم می‌شود، اما هیچ توضیحی برای اینکه چرا ثابت‌های جفت‌شدگی مقادیر خاص خود را دارند، ارائه نمی‌دهد. فیزیک‌دانان این موضوع را معمای طعم می‌نامند: هیچ دلیل ریاضی شناخته‌شده‌ای وجود ندارد که چرا جفت‌شدگی کوارک سر ۱٫۰ است در حالی که برای الکترون کسری از یک درصد است.[1][4]

علاوه بر این، جرم ۱۲۵٫۱ گیگاالکترون‌ولتی خود بوزون هیگز یک مشکل سلسله‌مراتبی جدی ایجاد می‌کند. مکانیک کوانتومی دیکته می‌کند که جرم هیگز باید توسط نوسانات کوانتومی به سمت مقیاس پلانک رانده شود—یعنی تریلیون‌ها بار سنگین‌تر از آنچه مشاهده شده است. این واقعیت که این ذره سبک باقی می‌ماند، نشان می‌دهد که فیزیک ناشناخته‌ای به طور فعال در حال خنثی کردن این نوسانات است.[3][4]

شکست خودبه‌خودی تقارن: پایین‌ترین حالت انرژی جهان زمانی رخ می‌دهد که میدان هیگز به جای صفر، در ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولت قرار گیرد.

نقطه عطف قابل‌تایید بعدی در درک این میدان، با ارتقای برخورددهنده هادرونی بزرگ با درخشندگی بالا (HL-LHC) فرا می‌رسد که قرار است جمع‌آوری داده‌ها را در سال ۲۰۲۹ آغاز کند. با افزایش ده‌برابری نرخ برخورد، آزمایشگران قصد دارند خودجفت‌شدگی هیگز—اینکه میدان چگونه با خودش برهم‌کنش می‌کند—را اندازه‌گیری کنند و تعیین کنند که آیا این پس‌زمینه ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولتی مخفیانه به ماده تاریک نامرئی که بر کیهان تسلط دارد، جرم می‌دهد یا خیر.[2][4]

نکات کلیدی

  • ذرات بنیادی ذاتاً بدون جرم هستند؛ آن‌ها جرم خود را از طریق برهم‌کنش با میدان هیگز به دست می‌آورند.
  • برخلاف سایر میدان‌ها، میدان هیگز در خلأ به صفر نمی‌رسد، بلکه در حالت پایه ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولت (GeV) باقی می‌ماند.
  • جرم یک ذره توسط ثابت جفت‌شدگی آن تعیین می‌شود—یعنی اینکه با چه شدتی در برابر این میدان پس‌زمینه اصطکاک ایجاد می‌کند.
  • کشف بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ در سرن (CERN)، وجود فیزیکی این میدان را تایید کرد.
  • فیزیک هنوز نمی‌تواند توضیح دهد که چرا ذرات مختلف دارای ثابت‌های جفت‌شدگی بسیار متفاوتی هستند.
246 GeV
مقدار چشم‌داشتی خلأ میدان هیگز
125.1 GeV
جرم بوزون هیگز
172.76 GeV
جرم کوارک سر (Top quark)
0.511 MeV
جرم الکترون

آنچه نمی‌دانیم

  • چرا ثابت‌های جفت‌شدگی مقادیر خاص و ظاهراً تصادفی خود را دارند (معمای طعم).
  • چرا جرم بوزون هیگز ۱۲۵ گیگاالکترون‌ولت است و به دلیل نوسانات کوانتومی به مقیاس پلانک رانده نمی‌شود.
  • آیا میدان هیگز با ذرات ماده تاریک برهم‌کنش دارد یا خیر.

اصطلاحات کلیدی

مقدار چشم‌داشتی خلأ (VEV)
میانگین مقدار یک میدان در فضای کاملاً خالی؛ برای میدان هیگز، این مقدار به جای صفر در ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولت قرار دارد.
ثابت جفت‌شدگی
یک عدد ریاضی که تعیین می‌کند یک ذره خاص با چه شدتی با یک میدان بنیادی برهم‌کنش دارد.
فرمیون
دسته‌ای از ذرات بنیادی که ماده را تشکیل می‌دهند، از جمله کوارک‌ها و الکترون‌ها.
شکست خودبه‌خودی تقارن
یک فرآیند فیزیکی که در آن یک سیستم به طور طبیعی در یک حالت نامتقارن و با انرژی پایین‌تر قرار می‌گیرد، که این همان روشی است که میدان هیگز مقدار پایه غیرصفر خود را به دست می‌آورد.

منابع

پوشش منابع

6 منبع

3 دیدگاه شناسایی‌شده

فیزیک‌دانان مدل استاندارد 50%نظریه‌پردازان فراتر از مدل استاندارد 25%فیزیک‌دانان تجربی 25%
  1. [1]Quanta Magazineنظریه‌پردازان فراتر از مدل استاندارد

    How the Higgs Field (Actually) Gives Mass to Elementary Particles

    مطالعه در Quanta Magazine
  2. [2]CERNفیزیک‌دانان مدل استاندارد

    The Higgs boson

    مطالعه در CERN
  3. [3]Fermilabفیزیک‌دانان مدل استاندارد

    interact with the Higgs field

    مطالعه در Fermilab
  4. [4]Symmetry Magazineفیزیک‌دانان تجربی

    What the Higgs boson tells us about the universe

    مطالعه در Symmetry Magazine
  5. [5]Of Particular Significanceنظریه‌پردازان فراتر از مدل استاندارد

    2. Why the Higgs Field is Non-Zero on Average

    مطالعه در Of Particular Significance
  6. [6]تیم سردبیری کوهستان

    تحلیل تیم سردبیری کوهستان

    مطالعه در تیم سردبیری کوهستان

نظرات

همیشه در جریان باشید

هر زاویه. هر روز.

دریافت علم اخبار همراه با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، مستقیم در صندوق ورودی شما.