ها هو هنا أخيرًا! "الجسيم الإلهي" - تفسير شائع لبوزون هيغز

مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2013 إلى فرانسوا إنجليرت وبيتر هيجز، مكتشفي بوزون براوت-إنجليرت-هيجز الذي كسر التماثل في الطبيعة وزود الجسيمات الأخرى بالكتلة.

مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2013 بشكل مشترك إلى فرانسوا إنجلرت وبيتر هيجز لصياغة النظرية التي تصف الآلية التي تحصل بها الجسيمات على كتلتها. وفي عام 1964، نشر الباحثان نظريتهما لأول مرة بشكل منفصل (توصل إنجلرت إلى هذه النتيجة بالاشتراك مع زميله روبرت براوت الذي توفي العام الماضي ولم يتمكن من الفوز بجائزة نوبل).

وفي عام 2012، تم تأكيد نظرية الثلاثة بعد اكتشاف جسيم هيغز في مختبر CERN في سويسرا.

وتعد الآلية التي مُنحت الجائزة على أساسها جزءًا أساسيًا من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الذي يصف كيفية بناء العالم. وفقا للنموذج القياسي، كل الأشياء في الكون، من الزهور والناس إلى النجوم والكواكب، تتكون من عدد صغير من وحدات البناء: جزيئات المادة. يتم التحكم في هذه الجزيئات بواسطة قوى تتوسط بمساعدة جزيئات القوة التي تضمن عمل كل شيء بشكل صحيح. ويعتمد النموذج القياسي بأكمله أيضًا على وجود نوع خاص من الجسيمات: جسيم هيجز. ويرتبط هذا الجسيم بحقل غير مرئي يملأ كل الفضاء، وحتى عندما يبدو كوننا فارغًا، فإن هذا الحقل موجود.

المزيد عن هذا الموضوع على موقع العلوم

• بعد 49 عامًا من التنبؤ: بيتر هيجز وفرانسوا إنجلر يفوزان بجائزة نوبل في الفيزياء عن بوزون هيجز * مقابلة حصرية مع البروفيسور إيلام جروس
• البروفيسور فرانسوا إنجلر، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء، هو أيضًا باحث في كلية تل أبيب للفيزياء
• البروفيسور عيلام جروس: من الممكن إزالة الشكوك المتعلقة باكتشاف جسيم هيغز

 

يكمل بوزون هيغز (H) النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الذي يصف اللبنات الأساسية للكون. لولا وجود هذا المجال لكانت الإلكترونات والكواركات عديمة الكتلة، مثل الفوتونات وجسيمات الضوء ومثلها تماما، وحسب تنبؤات نظرية أينشتاين فإنها ستتحرك في الفضاء بسرعة الضوء، دون إمكانية حبسه داخل الذرات أو الجزيئات. وفي هذه الحالة لن يكون هناك شيء مما نعرفه.

كان الباحثان فرانسوا إنجلرت وروبرت براوت عالمين شابين عندما قاما في عام 1964 بشكل منفصل بصياغة النظرية التي أنقذت النموذج القياسي من الانهيار التام. وبعد ما يقرب من نصف قرن، في يوم الأربعاء الرابع من يوليو/تموز 2012، كانا كلاهما من بين الحاضرين في المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات في مسرع الجسيمات سارن في جنيف، عندما تم الإعلان عن اكتشاف بوزون هيغز الذي أكد أخيرًا النظرية. .

النموذج الذي خلق النظام

إن فكرة إمكانية وصف الكون بأكمله باستخدام عدد صغير من وحدات البناء هي فكرة قديمة. في وقت مبكر من عام 400 قبل الميلاد، افترض المفكر ديموقريطوس أن كل شيء يتكون من ذرات (átomos في اليونانية "غير قابل للتجزئة"). اليوم نعلم أن الذرات يمكن تقسيمها. وتتكون من الإلكترونات التي تدور حول نواة الذرة التي تتكون نفسها من النيوترونات والبروتونات. وهي، بدورها، تتكون من جسيمات أصغر تسمى الكواركات (المزيد عنها في ويكيبيديا). في الواقع، الإلكترونات والكواركات فقط هي التي لا يمكن تقسيمها وفقًا للنموذج القياسي. تتكون النواة الذرية من نوعين من الكواركات: كوارك علوي وكوارك سفلي (أعلى وأسفل، على التوالي). لذا، هناك حاجة إلى ثلاثة جسيمات أولية لوجود المادة: الإلكترونات، والكواركات من النوع العلوي، والكواركات من النوع السفلي. ومع ذلك، خلال الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، تم اكتشاف جسيمات جديدة بشكل غير متوقع سواء في الإشعاع الكوني في الفضاء أو في مسرعات الجسيمات التي تم بناؤها منذ زمن طويل، بحيث كان لا بد للنموذج القياسي من تضمينها في إطاره.

وبصرف النظر عن جسيمات المادة، هناك أيضًا جسيمات قوة لكل من القوى الأربع في الطبيعة: الجاذبية، والكهرومغناطيسية، والقوة القوية، والقوة الضعيفة. أول قوتين في القائمة هما الأكثر شهرة - فهما يسببان التنافر أو الجذب ويمكننا أن نرى آثارهما بأعيننا. تؤثر القوة النووية القوية على الكواركات وتجمع البروتونات والنيوترونات معًا في النواة الذرية، بينما القوة النووية الضعيفة مسؤولة عن التحلل الإشعاعي، وهو مطلوب، على سبيل المثال، للعمليات النووية التي تحدث في قلب الشمس. يوحد النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات اللبنات الأساسية للطبيعة مع ثلاث من القوى الأربع المعروفة (القوة الرابعة، الجاذبية، لا تزال خارج هذا النموذج حتى الآن). لقد كان التفاعل الدقيق بين هذه القوى لغزا لفترة طويلة. على سبيل المثال، كيف يمكن للقطعة المعدنية المنجذبة إلى المغناطيس أن "تعرف" أنها موجودة بالفعل بجوارها؟ وكيف "يشعر" القمر بجاذبية الأرض؟
الحقول غير المرئية تملأ المساحة

التفسير الذي قدمه الفيزيائيون يقول أن الفضاء مليء بالعديد من المجالات غير المرئية. فمجال الجاذبية والمجال الكهرومغناطيسي ومجال الكوارك وكل المجالات الأخرى تملأ الفضاء، أو بمعنى آخر الأبعاد الأربعة للزمكان، وهو الفضاء المجرد الذي تحكمه النظرية. يتضمن النموذج القياسي نظرية المجال الكمي التي تكون فيها الحقول والجسيمات هي اللبنات الأساسية للكون.

في فيزياء الكم، يتم التعامل مع كل شيء على أنه مجموعة من الاهتزازات داخل المجالات الكمومية. يتم نقل هذه الاهتزازات عبر المجال في حزم صغيرة ومنفصلة تسمى "الكمات"، والتي تظهر لنا على شكل جزيئات. هناك نوعان من المجالات: مجالات المادة مع جسيمات المادة ومجالات القوة مع جسيمات القوة - العوامل الوسيطة التي تحمل القوة عليها. كما أن جسيم هيغز هو أيضًا اهتزاز لمجاله - ويسمى أحيانًا مجال هيغز.

وبدون هذا المجال فإن النموذج القياسي سينهار مثل بيت من ورق، حيث أن نظرية المجال الكمي تتضمن قيمًا لا نهائية مطلوبة لضبط النفس والتناظرات التي لا يمكن رؤيتها. لم يتم قبول النظرية إلا بعد دراسات فرانسوا إنجلرت وروبرت براوت وبيتر هيجز ومن ثم باحثين آخرين، الذين أظهروا أن تناظر النموذج القياسي يمكن كسره دون تدمير النظرية بأكملها.
وذلك في ضوء حقيقة أن النموذج القياسي لن يكون صحيحًا إلا إذا كانت الجسيمات ليس لها كتلة. أما بالنسبة للقوة الكهرومغناطيسية التي تستخدم فوتوناتها عديمة الكتلة كحاملات للقوة، فلا توجد مثل هذه المشكلة. من ناحية أخرى، تتوسط القوة الضعيفة ثلاثة جسيمات ضخمة: جسيمان مشحونان كهربائيًا من النوع W وجسيم واحد من النوع Z. وهم لا يتفقون مع الفرضية المتعلقة بطبيعة الفوتونات عديمة الكتلة - كيف يمكن ذلك القوة الكهروضعيفة التي توحد القوة الكهرومغناطيسية مع القوة الضعيفة موجودة؟ أصبحت صلاحية النموذج القياسي مهددة. وهنا دخل الباحثون الثلاثة إنجلرت وبروت وهيجز إلى الصورة بآليتهم البارعة التي تكتسب فيها الجسيمات كتلة لنفسها وبالتالي حفظ النموذج القياسي.

حقل يشبه "الشبح" - حقل هيجز

إن مجال هيغز لا يشبه أي مجال آخر في الفيزياء. جميع المجالات الأخرى ذات قوة متغيرة وتصل قوتها إلى الصفر عند أدنى مستوى طاقة لها. ليست هذه هي الطريقة التي يتصرف بها مجال هيجز - حتى لو تم إفراغ الفضاء تمامًا من محتوياته، فسيظل هناك حقل شبيه بالشبح يرفض أن ينطفئ: مجال هيجز. نحن لا نلاحظ ذلك؛ إن حقل هيغز هو بمثابة الهواء بالنسبة لنا، مثل الماء بالنسبة لصيد الأسماك. ومع ذلك، في غيابها لن نكون موجودين على الإطلاق، لأن الجزيئات لا تحصل على كتلة لنفسها إلا بعد التفاعل معها. الجسيمات التي لا تتفاعل معه لا تكتسب كتلة لنفسها، فالجسيمات التي تتفاعل معه بشكل ضعيف تصبح خفيفة الوزن، وتلك التي تتفاعل معه بقوة تصبح جسيمات ثقيلة. على سبيل المثال، تلعب الإلكترونات التي تكتسب تكافؤها من هذا المجال دورًا حاسمًا في عملية الخلق نفسها وفي ربط الذرات والجزيئات معًا. إذا اختفى مجال هيغز فجأة، فسوف تنهار كل المادة لأن الإلكترونات التي ستفقد تكافؤها على الفور ستنتشر في كل مكان بسرعة الضوء.

إذًا ما الذي يجعل مجال هيغز مميزًا؟ إنه يكسر التماثل الداخلي للعالم. في الطبيعة، يعد التماثل سمة مشتركة - فالوجوه تأخذ شكلها وتتغير بشكل متكرر، والزهور لها أنواع مختلفة من التماثلات الهندسية. لقد تمكن الفيزيائيون من اكتشاف أنواع أخرى من التناظر يمكنها وصف عالمنا، على الرغم من أن هذه الأنواع موجودة على مستوى أعمق. أحد هذه التناظرات، وهو بسيط نسبيًا، ينص على أنه لا يهم بالنسبة للنتائج التي تم الحصول عليها ما إذا كانت التجربة قد أجريت في مختبر في ستوكهولم أو في باريس. وبالمثل، لا يهم متى أجريت التجربة بالضبط. تشير نظرية النسبية لأينشتاين إلى التماثلات في المكان والزمان، وأصبحت النموذج الذي تقوم عليه النظريات الأخرى، مثل النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. معادلات هذا النموذج متماثلة؛ على غرار الحالة التي تبدو فيها الكرة كما هي من أي زاوية ننظر إليها، تظل معادلات النموذج القياسي دون تغيير حتى لو تغير اتجاه الرؤية الذي يحددها.

كما أنتجت مبادئ التناظر نتائج أخرى غير متوقعة إلى حد ما. في وقت مبكر من عام 1918، تمكنت عالمة الرياضيات الألمانية إيمي نويثر من إثبات أن قوانين الحفاظ على الفيزياء، على سبيل المثال قانون الحفاظ على الطاقة والحفاظ على الشحنة الكهربائية، تنشأ من التناظر.

في الوقت نفسه، يملي التماثل عددا من المتطلبات التي يجب الوفاء بها. يجب أن تكون الكرة مستديرة تمامًا؛ أصغر نتوء سوف يكسر التماثل الكروي. المعادلات لها متطلبات أخرى. وإحدى معادلات التناظر في النموذج القياسي تمنع الجسيمات من اكتساب كتلة. ومع ذلك، نحن نعلم أن هذا غير صحيح في عالمنا الحقيقي، لذلك يجب أن تحصل الجسيمات على كتلتها من مصدر آخر. وهنا يأتي دور الآلية التي مُنحت جائزة نوبل على أساسها، مما يوفر طريقة يكون فيها التناظر موجودًا وغير مرئي للعين العادية.

التماثل مخفي عن الأنظار ولكنه لا يزال موجودًا

من الواضح أن كوننا ولد بشكل متماثل، ففي لحظة الانفجار الأعظم كانت جميع الجسيمات عديمة الكتلة وكانت جميع القوى متحدة في قوة بدائية واحدة. لم يعد هذا النظام الأصلي موجودًا - فقد تم إخفاء تناسق هذا الوضع عنا. حدث معين وقع بالفعل بعد 11-10 ثانية من لحظة الانفجار الأعظم. لقد فقد حقل هيغز توازنه الأصلي. كيف حدث هذا؟

بدأ كل شيء بشكل متماثل. يمكن وصف هذه الحالة على أنها كرة في وسط وعاء دائري، في أدنى حالاتها من الطاقة. وبعد دفعها، تبدأ الكرة في التدحرج، لكنها تعود بعد فترة إلى النقطة الأدنى والأكثر استقرارًا التي جاءت منها.

ومع ذلك، إذا ظهر نتوء في وسط الوعاء، والذي يمنحه الآن شكل القبعة المكسيكية، فإن الموضع في وسط الوعاء سيظل متماثلًا، لكنه سيصبح غير مستقر. سوف تتدحرج الكرة للأسفل في أي اتجاه. لا تزال القبعة متناظرة، ولكن بمجرد أن تتدحرج الكرة إلى الأسفل، فإن موقعها بعيدًا عن مركز القبعة "يخفي" هذا التناظر. وبالمثل، كسر حقل هيغز تماثله و"وجد" مستوى طاقة مستقرًا عند نقطة بعيدة عن نقطة أصله المتماثلة. يُعرف كسر التناظر التلقائي هذا أيضًا باسم "الانتقال الطوري لمجال هيغز". إنها مثل النقطة التي يتجمد فيها الماء ويتحول إلى جليد.

ولكي يحدث مثل هذا التحول المرحلي، كانت هناك حاجة إلى أربعة جسيمات، ولكن نجا جسيم واحد منها فقط، وهو جسيم هيغز. واختفت الجسيمات الثلاثة الأخرى بعد أن نقلت خاصية الكتلة إلى وسطاء القوة الضعيفة (جسيمان مشحونان كهربائيا من النوع W وجسيم واحد من النوع Z). بهذه الطريقة تم الحفاظ على تماثل القوة الكهروضعيفة في النموذج القياسي - بقي التماثل بين الجسيمات الثقيلة الثلاثة للقوة الضعيفة والفوتون عديم الكتلة للقوة الكهرومغناطيسية، والآن فقط أصبح مخفيًا عن الأنظار.

معدات خطيرة للفيزياء الجادة

ربما لم يعتقد الفائزون بجائزة نوبل أنهم سيحصلون على تأكيد لنظريتهم في حياتهم. يتطلب التأكيد جهدًا هائلاً من جانب الفيزيائيين من جميع أنحاء العالم. لفترة طويلة، تنافس مختبران مع بعضهما البعض في محاولة اكتشاف جسيم هيغز: مختبر فيرمي بالقرب من شيكاغو بالولايات المتحدة الأمريكية، ومختبر CERN الواقع على الحدود الفرنسية السويسرية. ومع ذلك، عندما تم إغلاق معجل الجسيمات في فيرميلاب قبل بضع سنوات، أصبح سارن المكان الوحيد في العالم حيث استمرت عملية البحث عن بوزون هيغز.

تأسست سيرين في عام 1954 في محاولة لتعزيز البحوث الأوروبية بين مختلف الدول الأوروبية بعد الحرب العالمية الثانية. وتضم حاليًا عشرين دولة، وتتيح للباحثين من مئات الدول المختلفة حول العالم التعاون مع بعضهم البعض في المشاريع البحثية.
الإنجاز الأكثر إثارة للإعجاب لساران، LHC (مصادم الهادرونات الكبير)، وهو أكبر مسرع للجسيمات في العالم، ربما يكون الآلة الأكثر تعقيدًا التي صنعتها البشرية على الإطلاق. ستقوم مجموعتان بحثيتان تضمان حوالي ثلاثة آلاف باحث بالبحث عن أصغر الجسيمات الموجودة بمساعدة كاشفين ضخمين - ATLAS وCMS. وتقع أجهزة الكشف على عمق حوالي مائة متر تحت الأرض، وهي قادرة على قياس 40 مليون تصادم جسيمات في الثانية، تحدث في نفق دائري يبلغ طوله 27 كيلومترًا.

كل عشر ساعات، يتم حقن البروتونات في المسرع، شعاع واحد في كل اتجاه. يتم ضغط مائة ألف مليار بروتون معًا في شعاع واحد رفيع جدًا - وهي ليست مهمة سهلة على الإطلاق، خاصة في ضوء حقيقة أن البروتونات المشحونة بشحنة كهربائية موجبة تميل إلى تنافر بعضها البعض. وتتحرك هذه البروتونات بسرعة تعادل 99.99999% من سرعة الضوء وتتصادم عند تخزين طاقة فيها بمقدار 4 تيرا فولت وإجمالي 8 تيرا فولت (1 تيرا فولت = ألف مليار إلكتروفولت). صحيح أن الطاقة التي تبلغ 1 تيرا فولت ليست بهذه الضخامة، وهي تعادل إلى حد ما الطاقة المخزنة في البعوضة الطائرة، ولكن عندما يتم ضغط الطاقة داخل بروتون واحد، ويتحرك لديك 500 تريليون من هذه البروتونات وبسرعة هائلة داخل المسرع، فإن الطاقة المخزنة في هذا الشعاع تساوي طاقة قطار متحرك بأقصى سرعة. وفي عام 2015 ستتضاعف هذه الكمية من الطاقة قيمتها.

 

لغز داخل لغز

تتم أحيانًا مقارنة التجارب في مجال الجسيمات بضرب ساعتين سويسريتين ضد بعضهما البعض للتحقق من كيفية تركيبهما. ومع ذلك، فإن العملية أكثر صعوبة من ذلك بكثير، حيث أن الجسيمات التي يبحث عنها الباحثون جديدة تمامًا، فقد تم إنشاؤها نتيجة للطاقة الهائلة التي تم إطلاقها لحظة الاصطدام. وفقا لصيغة أينشتاين الشهيرة E=mc2 [الطاقة تساوي الكتلة في مربع سرعة الضوء]، الكتلة هي شكل من أشكال الطاقة. والسحر الكامن في هذه المعادلة هو ما يسمح، حتى للجسيمات عديمة الكتلة، أحيانًا بتكوين شيء جديد تمامًا في لحظة الاصطدام؛ كما في حالة اصطدام فوتونين فينتج عنهما إلكترون وجسيمه المضاد، البوزيترون، أو عندما ينشأ جسيم هيجز بعد اصطدام اثنين من الجلونات، مع توفر كمية كافية من الطاقة.

تشبه البروتونات أكياسًا صغيرة مملوءة بجسيمات أخرى، مثل الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات. معظمهم يتقاطعون مع بعضهم البعض دون إثارة أي ضجة. في المتوسط، في كل مرة تصطدم مجموعتان من الجسيمات ببعضهما البعض، فإن عشرين منها فقط تكون تصادمات وجهاً لوجه. ولا يستحق النظر إلا في تصادم واحد من بين المليار. ويبدو أن هذا العدد منخفض نسبيا، ولكن يجب أن نتذكر أن كل تصادم من هذا القبيل يؤدي إلى انفجار حوالي ألف جسيم. عند طاقة تبلغ 125 جيجا إلكترون فولت، يتبين أن جسيم هيغز أثقل بمئة مرة من كتلة البروتون، وهذا أحد أسباب صعوبة تكوينه.

إلا أن التجارب في هذا المجال لم تكتمل بعد. ويأمل العلماء في سيرن تحقيق المزيد من الاكتشافات المتقدمة في السنوات المقبلة. ورغم أن اكتشاف بوزون هيغز يعد إنجازا هائلا - فهو القطعة المفقودة في لغز النموذج القياسي - إلا أن النموذج القياسي نفسه ليس القطعة الأخيرة في أحجية الكون.

أحد أسباب ذلك هو حقيقة أن النموذج القياسي يتعامل مع بعض الجسيمات، وهي النيوترينوات، على أنها جسيمات عديمة الكتلة، وتظهر الدراسات الحديثة أنها قد تكون ذات كتلة محدودة. والسبب الآخر هو أن النموذج يشير إلى المادة المرئية فقط، وهو ما يعادل خمس المادة الموجودة في الكون فقط. والباقي هو ما يعرف بـ "المادة السوداء" التي لا تزال طبيعتها غير معروفة. وهذه المادة غير معروفة لنا، لكن تأثيرها موجود، ومن المحتمل أنها المسؤولة عن إبقاء المجرات مع بعضها البعض ومنعها من الانفصال عن بعضها البعض.

وفي جميع النواحي الأخرى، لا تتفاعل المادة السوداء مع المادة المرئية. من المسلم به أن جسيم هيجز خاص؛ ربما سيسمح لنا بالتواصل مع الظلام الغامض. ويأمل العلماء في التقاط المادة المظلمة، ولو لجزء من اللحظة، بينما يواصلون البحث عن جسيمات غير معروفة في مسرع الجسيمات LHC لعقود قادمة.

للحصول على الشرح المتعمق على موقع جائزة نوبل

البروفيسور فرانسوا إنجلر، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء، هو أيضًا باحث في كلية تل أبيب للفيزياء	235
بعد 49 عامًا من التنبؤ: بيتر هيجز وفرانسوا إنجلر يفوزان بجائزة نوبل في الفيزياء عن بوزون هيجز * مقابلة حصرية مع البروفيسور إيلام جروس