بعبارات بسيطة ، بوزون هيغز هو أغلى جسيم في كل العصور. إذا كان ، على سبيل المثال ، أنبوب مفرغ وزوج من العقول اللامعة كافيين لاكتشاف الإلكترون ، فإن البحث عن بوزون هيغز يتطلب إنشاء طاقة تجريبية ، نادرًا ما توجد على الأرض. لا يحتاج مصادم الهادرونات الكبير إلى مقدمة ، لكونه أحد أشهر التجارب العلمية وأكثرها نجاحًا ، لكن جسيمه الجانبي ، كما كان من قبل ، يكتنفه الغموض بالنسبة لمعظم السكان. لقد أطلق عليه اسم جسيم الله ، ولكن بفضل جهود آلاف العلماء حرفيًا ، لم يعد علينا قبول وجوده على أساس الإيمان.
آخر غير معروف
ما هو بوزون هيغز وما أهمية اكتشافه؟ لماذا أصبح موضوع الكثير من الضجيج والتمويل والمعلومات المضللة؟ لسببين. أولاً ، كان آخر جسيم غير مكتشف مطلوب لتأكيد النموذج القياسي للفيزياء. كان اكتشافها يعني أن جيلا كاملا من المنشورات العلمية لم تذهب سدى. ثانيًا ، يعطي هذا البوزون للجسيمات الأخرى كتلتها ، مما يعطيها معنى خاصًا وبعض "السحر". نحن نميل إلى التفكيرالكتلة بصفتها خاصية جوهرية للأشياء ، لكن الفيزيائيين يعتقدون خلاف ذلك. بعبارات بسيطة ، فإن بوزون هيغز هو جسيم بدونه لا توجد كتلة من حيث المبدأ.
حقل آخر
السبب يكمن في ما يسمى بمجال هيغز. تم وصفه حتى قبل بوزون هيغز ، لأن الفيزيائيين قاموا بحسابه وفقًا لاحتياجات نظرياتهم وملاحظاتهم ، والتي تتطلب وجود مجال جديد ، يمتد تأثيره إلى الكون بأكمله. إن تعزيز الفرضيات من خلال اختراع مكونات جديدة للكون أمر خطير. في الماضي ، على سبيل المثال ، أدى ذلك إلى إنشاء نظرية الأثير. ولكن كلما تم إجراء المزيد من الحسابات الرياضية ، زاد فهم الفيزيائيين لضرورة وجود مجال هيغز في الواقع. المشكلة الوحيدة كانت عدم وجود الوسائل العملية لمراقبته.
في النموذج القياسي للفيزياء ، تكتسب الجسيمات الأولية كتلة من خلال آلية تعتمد على وجود مجال هيغز الذي يتخلل كل الفضاء. إنها تخلق بوزونات هيغز ، والتي تتطلب الكثير من الطاقة ، وهذا هو السبب الرئيسي وراء حاجة العلماء إلى مسرعات الجسيمات الحديثة لإجراء تجارب عالية الطاقة.
من أين تأتي الكتلة؟
قوة التفاعلات النووية الضعيفة تتناقص بسرعة مع زيادة المسافة. وفقًا لنظرية المجال الكمومي ، هذا يعني أن الجسيمات التي تشارك في تكوينها - W- و Z-bosons - يجب أن يكون لها كتلة ، على عكس الغلوونات والفوتونات ، التي ليس لها كتلة.
المشكلة هي أن نظريات القياس لا تتعامل إلا مع العناصر عديمة الكتلة. إذا كانت البوزونات المقياس لها كتلة ، فلا يمكن تحديد هذه الفرضية بشكل معقول. تتجنب آلية هيغز هذه المشكلة عن طريق إدخال مجال جديد يسمى مجال هيغز. في الطاقات العالية ، لا تمتلك البوزونات المقاسة كتلة ، وتعمل الفرضية كما هو متوقع. عند الطاقات المنخفضة ، يتسبب الحقل في كسر التناظر الذي يسمح للعناصر بالحصول على كتلة.
ما هو بوزون هيغز؟
ينتج مجال هيغز جسيمات تسمى بوزونات هيغز. لم يتم تحديد كتلتها من خلال النظرية ، ولكن نتيجة للتجربة ، تم تحديد أنها تساوي 125 جيجا إلكترون فولت. بعبارات بسيطة ، أكد بوزون هيغز بشكل قاطع النموذج القياسي بوجوده.
الآلية والحقل والبوزون تحمل اسم العالم الاسكتلندي بيتر هيغز. على الرغم من أنه لم يكن أول من اقترح هذه المفاهيم ، ولكن كما هو الحال غالبًا في الفيزياء ، فقد كان ببساطة هو الشخص الذي سميت على اسمه.
تناظر مكسور
كان يُعتقد أن مجال هيغز مسؤول عن حقيقة أن الجسيمات التي لا ينبغي أن يكون لها كتلة لها تأثير. هذا وسيط عالمي يمنح جسيمات عديمة الكتلة بكتل مختلفة. يفسر هذا الانتهاك للتناظر عن طريق القياس بالضوء - تتحرك جميع الأطوال الموجية في الفراغ بنفس السرعة ، بينما يمكن تمييز كل طول موجي في المنشور. هذا ، بالطبع ، تشبيه غير صحيح ، لأن الضوء الأبيض يحتوي على جميع الأطوال الموجية ، لكن المثال يوضح كيفيبدو أن تكوين الكتلة بواسطة مجال هيغز ناتج عن كسر التناظر. يكسر المنشور تناسق سرعة الأطوال الموجية المختلفة للضوء عن طريق فصلها ، ويُعتقد أن مجال هيغز يكسر تناظر كتل بعض الجسيمات التي تكون عديمة الكتلة بشكل متماثل.
كيف نفسر بوزون هيغز بعبارات بسيطة؟ لقد أدرك الفيزيائيون مؤخرًا فقط أنه إذا كان مجال هيغز موجودًا بالفعل ، فإن تشغيله سيتطلب وجود حامل مناسب له خصائص يمكن ملاحظتها بسببها. كان من المفترض أن هذا الجسيم ينتمي إلى البوزونات. بعبارات بسيطة ، فإن بوزون هيغز هو ما يسمى بالقوة الحاملة ، مثل الفوتونات ، التي تحمل المجال الكهرومغناطيسي للكون. الفوتونات ، بمعنى ما ، هي إثارة محلية لها ، تمامًا كما أن بوزون هيغز هو إثارة محلية لمجالها. إن إثبات وجود جسيم بالخصائص التي توقعها الفيزيائيون كان في الواقع بمثابة إثبات مباشر لوجود مجال.
تجربة
سنوات عديدة من التخطيط سمحت لمصادم الهادرونات الكبير (LHC) بأن يصبح دليلًا على عدم صحة نظرية بوزون هيغز. يمكن لحلقة من المغناطيسات الكهربائية فائقة القوة يبلغ طولها 27 كم تسريع الجسيمات المشحونة إلى أجزاء كبيرة من سرعة الضوء ، مما يتسبب في حدوث تصادمات قوية بما يكفي لفصلها إلى مكوناتها ، فضلاً عن تشويه الفضاء حول نقطة التأثير. وفقًا للحسابات ، عند وجود طاقة تصادم ذات مستوى عالٍ بدرجة كافية ، من الممكن شحن بوزون بحيث يتحلل ، ويمكن أن يكون هذاسوف أشاهد. كانت هذه الطاقة كبيرة لدرجة أن البعض أصيب بالذعر وتوقع نهاية العالم ، وذهب خيال الآخرين إلى حد أن اكتشاف بوزون هيغز وصف بأنه فرصة للنظر في بُعد بديل.
تأكيد نهائي
يبدو أن الملاحظات الأولية دحضت التنبؤات بالفعل ، ولم يتم العثور على أي علامة على الجسيم. حتى أن بعض الباحثين المشاركين في حملة إنفاق مليارات الدولارات ظهروا على شاشات التلفزيون وذكروا بخنوع حقيقة أن دحض نظرية علمية لا يقل أهمية عن تأكيدها. بعد مرور بعض الوقت ، بدأت القياسات في إضافة ما يصل إلى الصورة الكبيرة ، وفي 14 مارس 2013 ، أعلنت CERN رسميًا تأكيدًا لوجود الجسيم. هناك أدلة تشير إلى وجود بوزونات متعددة ، لكن هذه الفكرة تحتاج إلى مزيد من الدراسة.
بعد عامين من إعلان CERN عن اكتشاف الجسيم ، تمكن العلماء العاملون في مصادم الهادرونات الكبير من تأكيد ذلك. من ناحية ، كان هذا انتصارًا كبيرًا للعلم ، ومن ناحية أخرى ، أصيب العديد من العلماء بخيبة أمل. إذا كان أي شخص يأمل في أن يكون بوزون هيغز هو الجسيم الذي سيؤدي إلى مناطق غريبة ورائعة خارج النموذج القياسي - التناظر الفائق ، المادة المظلمة ، الطاقة المظلمة - إذن ، للأسف ، اتضح أن هذا ليس هو الحال.
أكدت دراسة نشرت في مجلة Nature Physics تحلل الفرميونات. يتنبأ النموذج المعياري ، بعبارات بسيطة ، بالبوزونالهيجز هو الجسيم الذي يعطي الفرميونات كتلتها. أكد كاشف مصادم CMS أخيرًا تحللها إلى الفرميونات - الكواركات السفلية و tau leptons.
هيجز بوزون بعبارات بسيطة: ما هو؟
أكدت هذه الدراسة أخيرًا أن هذا هو بوزون هيغز الذي تنبأ به النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. إنه يقع في منطقة كتلة طاقة تبلغ 125 جيجا إلكترون فولت ، وليس له دوران ، ويمكن أن يتحلل إلى العديد من العناصر الأخف - أزواج من الفوتونات ، والفرميونات ، وما إلى ذلك. وبفضل هذا ، يمكننا أن نقول بثقة أن بوزون هيغز ، بعبارات بسيطة ، هو جسيم يعطي كتلة لكل شيء.
بخيبة أمل من السلوك الافتراضي للعنصر المفتوح حديثًا. إذا كان تحللها مختلفًا قليلاً ، فسيكون مرتبطًا بالفيرميونات بشكل مختلف ، وستظهر طرق جديدة للبحث. من ناحية أخرى ، هذا يعني أننا لم نتحرك خطوة واحدة إلى ما وراء النموذج القياسي ، والذي لا يأخذ في الاعتبار الجاذبية والطاقة المظلمة والمادة المظلمة وغيرها من الظواهر الغريبة للواقع.
الآن يمكن للمرء فقط أن يخمن سببها. النظرية الأكثر شيوعًا هي التناظر الفائق ، والتي تنص على أن كل جسيم في النموذج القياسي له شريك فائق ثقيل بشكل لا يصدق (مما يشكل 23٪ من الكون - المادة المظلمة). إن ترقية المصادم ، ومضاعفة طاقة تصادمه إلى 13 تيرا إلكترون فولت ، من المحتمل أن يجعل من الممكن اكتشاف هذه الجسيمات الفائقة. وإلا ، فسيتعين على التناظر الفائق انتظار بناء خليفة أقوى لمصادم الهادرونات الكبير.
آفاق أخرى
إذن كيف ستكون الفيزياء بعد بوزون هيغز؟ استأنف LHC عمله مؤخرًا بتحسينات كبيرة وهو قادر على رؤية كل شيء من المادة المضادة إلى الطاقة المظلمة. يُعتقد أن المادة المظلمة تتفاعل مع المادة العادية فقط من خلال الجاذبية ومن خلال تكوين الكتلة ، وأهمية بوزون هيغز هي المفتاح لفهم كيفية حدوث ذلك بالضبط. يتمثل العيب الرئيسي في النموذج القياسي في أنه لا يمكنه تفسير تأثيرات الجاذبية - يمكن تسمية مثل هذا النموذج بالنظرية الموحدة الكبرى - ويعتقد البعض أن الجسيم ومجال هيغز يمكن أن يكونا الجسر الذي يسعى الفيزيائيون بشدة للعثور عليه.
تم تأكيد وجود بوزون هيغز ، لكن فهمه الكامل لا يزال بعيدًا جدًا. هل ستدحض التجارب المستقبلية التناظر الفائق وفكرة تحللها إلى المادة المظلمة نفسها؟ أم هل سيؤكدون كل التفاصيل الأخيرة لتنبؤات النموذج القياسي حول خصائص بوزون هيغز وينهيون هذا المجال من البحث إلى الأبد؟
