چگونه یک میدان پس‌زمینه ۲۴۶ گیگاالکترون‌ولتی از فروپاشی جهان جلوگیری می‌کند

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]

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]

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]

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]

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]