برای دهه‌ها فیزیکدانان به دنبال بوزون هیگز بودند. در سال ۲۰۱۲ دانشمندان درنهایت این ذره ناپایدار را کشف کردند و حالا با مشاهده از هم پاشیدن آن، به بینش‌های مهمی دست یافتند.
در دو مطالعه اخیر، فیزیکدانان نشان دادند که حسگرهای موجود در برخورددهندهٔ هادرونی بزرگ (LHC) در CERN توانستند بوزون‌های هیگزی را مشاهده کنند که به جفت ذرات کوچکی به نام کوارک‌های ته فرومی‌پاشند. این یافته مورد جدیدی را به تئوری فیزیک ذرات می‌افزاید، که قبلا این فروپاشی را پیش‌بینی کرده‌بود. این مطالعات همچنین به نوبه خود دستاوردهای تجربی بودند که حصول آن دهه‌ها زمان برده‌بود.
Andreas Hoecker جانشین سخنگوی شرکت ATLAS بود که مدیریت یکی از حسگرها را برعهده دارد، در این باره می‌گوید:
ما واقعا باور نداشتیم که بتوانیم آن را مشاهده کنیم. بسیاری از افراد، به خصوص آن‌هایی که به مدت زیاد در این آزمایش حضور داشتند، با دیدن نتایج بسیار هیجان‌زده شدند.
بوزون هیگز چیست؟
بوزون هیگز ذره‌ای کلیدی در مدل استاندارد جهانی است، تئوری که ذرات بنیادی شناخته‌شده و راه‌های تعاملات آن‌ها را توصیف می‌کند. می‌دانیم که مدل استاندارد ناقص است؛ ماده تاریک را شامل نمی‌شود، ماده ناپایداری که ۸۵% جرم جهان را تشکیل می‌دهد، یا توصیفی از جاذبه در سطح کوانتومی ندارد. با این حال، در توصیف جهانی که بیشتر از ذرات ساده تشکیل شده، بسیار موفق عمل کرده‌است.
در دهه ۶۰، فیزیکدانان از جمله François Englert و Peter Higgs بروزرسانی را در مدل استاندارد جهانی انجام دادند که توضیح می‌دهد چگونه برخی ذرات، مثل بسته‌های نوری که به اسم فوتون شناخته می‌شوند، جرم ندارند. آن‌ها این تئوری را مطرح کردند که یک میدان انرژی به دو صورت متفاوت بر ذرات جهان تاثیر می‌گذارد. برخی ذرات مثل فوتون‌ها، از میدان هیگز به سرعت عبور می‌کنند، مثل اینکه از یک فضای تهی عبور می‌کنند. بقیه درمیدان گرفتار می‌شوند و به آهستگی عبور می‌کنند. این کاهش سرعت همان چیزی است که به آن ذرات جرم می‌دهد.
در فیزیک ذرات، میدان‌ها با ذرات مرتبطند:فرض کنید اگر سنگی را در برکه‌ای از میدان الکترومغناطیسی بیندازید، از آن طرف فوتون بیرون می‌آید. به همین طریق، بوزون هیگز نماینگر یک بسته برانگیخته از میدان هیگز است.
بعد از دهه‌ها جست‌وجو، محققان LHC در سال ۲۰۱۲ اعلام کردند ذره جدیدی را کشف کردند که احتمالا باید بوزون هیگز باشد، کشفی که برای Englert و Higgs جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۳ را به ارمغان آورد. از آن زمان به بعد، فیزیکدانان رفتار این ذره را با مدل استاندارد جهانی بررسی می‌کنند تا ببینند آیا این ذره مثل بوزون هیگزی که در تئوری وجود دارد، رفتار می‌کند یا نه. تا به امروز جواب مثبت بوده‌است.
کوارک‌ها چه نقشی در این کشف دارند؟
برخلاف الکترون‌ها که به مدت میلیاردها سال دوام آورده‌اند، طول عمر یک بوزون هیگز به طور شگفت‌انگیزی خیلی کوتاه است، تقریبا کمتر از ۱/۱۰۲۱ ثانیه. بعد از این مدت، بوزون هیگز به اجزای دیگری فرو می‌پاشد. برای مثال، محققان در ۲۰۱۴ اعلام کردند که ATLAS و CMS، دو حسگر LHC، مشاهده کردند که بوزون هیگز به جفت‌های گاما-فوتون فرو پاشیده‌است.
علاوه بر آن، مدل استاندارد پیش‌بینی کرده‌است که هیگز می‌تواند به ذراتی به نام کوارک فرومی‌پاشد. کوارک‌ها ۶ نوع هستند: بالا (u), پایین (d), افسون (c),شگفت (s), سر (t)، و ته (b). آن‌ها پایه تشکیل‌دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها و سایر ذرات بزرگ‌تر هستند.
فروپاشی بوزون هیگز باید از یک سری اصول پیروی کند. برای مثال چون بوزون هیگز بار الکتریکی ندارد، محصولات فروپاشی آن باید در مجموع بار الکتریکی صفر داشته‌باشند. وقتی هیگز به ذرات کوارک می‌شکند چون بار الکتریکی دارند به صورت جفت ظاهر می‌شوند: یک کوارک و یک آنتی‌کوارک، دره‌ای که دقیقا شبیه کوارک است ولی فقط بار الکتریکی مخالف آن دارد. در این صورت، بارهای جفت حاصل یکدیگر را خنثی می‌کند.
همچنین جرم بوزون هیگز محصولات تولیدی محتمل را محدود می‌کند. چون کوارک‌های ته ۳۰ بار سبک‌تر از هیگز هستند و ذره هیگز می‌تواند یک جفت از آن‌ها را هنگام فروپاشی تولید کند. مدل استاندارد می‌گوید که وقتی یک ذره بوزون هیگز فرو می‌پاشد در ۵۸% موارد به جفت کوارک-آنتی‌کوارک تبدیل می‌شود. این تخمین تست مهمی برای مدل استاندارد بود: اگر محققان هیچ‌وقت فروپاشی بوزون هیگز به کوارک ته را نمی‌دیدند، در آن صورت عمیق‌ترین تئوری‌های ما درباره کارکرد جهان دچار آشفتگی می‌شد.
اخیرا، محققان از حسگرهای ATLAS و CMS مستقلا استفاده کردند و فروپاشی بوزون هیگز به کوارک‌های ته را مشاهده کردند، که نشان‌دهنده تطابق تئوری با عمل بود.
چگونه محققان فروپاشی را شناسایی کردند؟
در دهه‌های ۸۰ و ۹۰ هنگامی که محققان به فکر توسعه اولین LHC افتادند، فیزیکدانان متوجه شدند شناسایی یک فروپاشی ته هیگز چقدر سخت خواهد بود.LHC جفت‌های پروتونی را با سرعت نور به هم برخورد می‌دهد و آبشار بزرگی از درات را به وجود می‌آورد که در درون یک حسگر بزرگ محبوس شده‌اند. مواد باقیمانده اجزای متفاوتی را در بر داشت، و بسیاری از آن‌ها شبیه فروپاشی ته هیگز بود. فیزیکدانان باید به دقت برخورد را بازسازی می‌کردند تا آن را با استفاده از ذرات شناسایی‌شده حاصل از فروپاشی آشکار کنند؛ بیشتر شبیه این است که با رد تایر ماشین‌ها چگونگی تصادف را حدس بزنیم.
بعد از سال‌ها جمع‌آوری اطلاعات، تیم‌های ATLAS و CMS با استفاده از شبیه‌سازی‌ها و الگوریتم‌های رایانه‌ای قادر به انجام هرکاری بودند به غیر از فروپاشی بوزون هیگز. در سال ۲۰۱۷ فیزیکدانان اطلاعات کافی جمع‌آوری کردند تا شواهدی برای فروپاشی باشد.
چرا این مقوله اهمیت دارد؟
اولا، مطالعات قطعیت بیشتری برای توضیح ما در مورد چگونگی جرم‌دار شدن ماده فراهم می‌کند. این اهمیت زیادی در درک ما از جهان هستی دارد. به خاطر نقش کلیدی بوزون هیگز در مدل استاندارد جهانی، کوچکترین اختلافات بین تئوری و مشاهدات می‌تواند دریچه جدیدی به فیزیک جدید باز می‌کند. اخیرا هم که فیزیکدانان می‌دانند که LHC می‌تواند فروپاشی‌های ته هیگز را شناسایی کند، به دنبال این هستند که آیا قانون‌شکنی در این مورد وجود دارد یا نه.
چه قوانین پنهانی دیگری در جهان هستی وجود دارند که کشف نشده‌اند؟ تنها زمانی می‌توانیم بفهمیم که بوزون هیگز رازهای بیشتری از خود را به ما نمایان کند.
