۵ ژوئیه‌ی ۲۰۱۲ – هنگامی که دیروز در سرن اعلام شد برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC)[1] بوزون هیگز یا چیزی شبیه به بوزون هیگز را پیدا کرده است فیزیکدان‌هائی که سعی می‌کردند این نتایج را بفهمند این اندیشه در ذهن شان بود که «پیدایش کرده‌ایم اینک باید ببینیم چی‌ست». مدیر کل سرن، رُولف-دیتر هُویر[2] بسیار هوشیار بود که ذره‌ی جدید با جرمی حدود ۱۲۵ گیگاالکترون‌ولت را «بوزون اسکالر بنیادی» توصیف کند گرچه بخش اسکالر این توصیف که نشان می‌دهد اسپین این ذره صفر است هنوز کاملاً تثبیت نشده است.

برای آن‌که فیزیکدان‌های سرن ذره‌ئی را که پیدا کرده‌اند بهتر بشناسند نیاز به زمان و داده‌های بیشتر دارند. به همین دلیل هویر دیروز اعلام کرد برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی که قرار بود در دسامبر ۲۰۱۲ کارش را برای تعمیر و نگه‌داری متوقف کند سه ماه بیشتر کار خواهد کرد تا فیزیکدان‌ها بتوانند داده‌های بیشتری بگیرند. بیل موری[3] از سرن می‌گوید که عمل‌کرد شتابگر و آزمایش‌هائی که با آن انجام می‌شود معمولاً در آخر دوره‌ی آزمایش بهتر می‌شود یعنی فیزیکدان‌ها انتظار دارند کیفیت داده‌هائی که در اوایل ۲۰۱۳ به‌دست می‌آورند بهتر باشد.

اندازه‌گیری‌های دقیق

در LHC ذره‌ی هیگز در برخوردهای پروتون با پروتون خلق می‌شود و آشکارگرهای عظیم اطلس و CMS ذراتی را که از واپاشی‌ی ذره‌ی هیگز حاصل می‌شوند آشکار می‌کنند. این واپاشی‌ها از چند راه یا «کانال» مختلف رخ می‌دهند و با بررسی‌ی چه‌گونگی‌ی این واپاشی‌ها فیزیکدان‌ها باید بتوانند به تصویر بهتری از آن‌چه کشف کرده‌اند برسند. بیشتر داده‌هائی که در این کشف جدید سهم دارند به اندازه‌گیری‌‌ی رخ‌دادهائی مربوط می‌شود در آنها ذره‌ی هیگز به دو فوتون (کانال دوفوتونی[4]) و یا دو بوزون Z (کانال ZZ) وامی‌پاشد و به اندازه‌گیری‌های دقیق معروفند. در این کانال‌ها می‌توان همه‌ی ذرات حاصل از واپاشی را آشکار کرد و فیزیکدان‌ها می‌توانند جرم ذره‌ی هیگز را به‌دقت معلوم کنند.

اما کانال‌هائی وجود دارند که در آنها نمی‌توان همه‌ی ذرات حاصل از واپاشی را آشکار کرد. کار روی این کانال‌ها مشکل‌تر است زیرا بخشی‌ از اطلاعات مربوط به واپاشی وجود ندارد و محاسبه‌ی جرم بر اساس این کانال‌ها دقیق نیست.

دیروز هر دو گروه پژوهشی‌ی اطلس و CMS گزارش کردند که نتایج آنها در کانال‌های دقیق دوفوتون و ZZ برای رساندن میزان اطمینان آزمایش‌ها به تراز ۵ انحراف معیار که معمولاً در فیزیک ذرات هم‌ارز با کشف جدید گرفته می‌شود کفایت کرده است. اطلس نتایج کانال‌های غیردقیق دیگر را ارائه نکرد اما CMS این نتایج را ارائه کرد و اضافه‌کردن این نتایج میزان اطمینان را به ۹_/۴ انحراف معیار کاهش داد.

فراسوی مدل استاندارد؟

مدل استاندارد ذرات بنیادی بیان می‌کند که ذره‌ی هیگز چه‌گونه باید از کانال‌های مختلف وابپاشد بنابراین با مقایسه ی این پیش‌بینی‌ها با واپاشی‌های واقعی در LHC فیزیکدان‌ها می‌توانند دریابند که با ذره‌ی هیگز مدل استاندارد سروکار دارند. تا کنون نتایج با مدل استاندارد سازگار است و با در نظر گرفتن میزان خطای آزمایش همه‌ی کانال‌ها با پیش‌بینی‌ی مدل استاندارد توافق دارند.

اما نکته‌ی پرسش‌برانگیز این است که شمار رخ‌دادها در کانال دوفوتونی در هر دو آزمایش CMS و اطلس با گردآوری‌ی داده‌های بیشتر هم‌چنان بیش از آن‌چه است که انتظار می‌رفت. این رخ‌دادهای اضافی می‌تواند حاصل «فیزیک جدید»ئی باشد که از مدل استاندارد فراتر می‌رود مثلاً ذره‌ی باردار ناشناخته‌ئی، یا وجود چند ذره‌ی هیگز،‌ یا شاید آثار «ابرتقارن[5]» یعنی این اندیشه همه ذرات «ابرهمتا[6]»ئی با اسپین متفاوت دارند.

کمبود شواهد

در حالی‌که شمار رخ‌دادهای دوفوتونی در داده‌های LHC بیش از انتظار است واپاشی‌ی ذره‌ی هیگز به دو بوزون W‌ وضعیت متفاوتی دارد. نظریه‌های متعارف

برای ذره‌ی هیگز پیش‌بینی می‌کنند که این کانال باید در داده‌های LHC‌ دیده شود اما تا کنون شمار رخ‌دادهائی که گزارش شده است بسیار کم‌تر از انتظار بوده است. به‌واقع اگر این کانال وجود نداشته باشد نظریه‌ی ذرات بنیادی نیاز به تغییر اساسی خواهد داشت و به همین دلیل فیزیکدان‌های سرن فکر می‌کنند که کم‌بود رخ‌دادهای WW واقعی نیست و برخاسته از این نکته است که اندازه‌گیری‌ی کانال WW‌ مشکل است.

اما اگر کمبود رخ‌داد در کانال WW‌ واقعی باشد شاید ذره‌ی جدید بوزون اسکالر با اسپین صفر نباشد. بیل موری که یکی از پژوهشگران آزمایش اطلس است می‌پذیرد که «اندازه‌گیری‌ی WW‌ برای یافتن ذره‌ئی با اسپین صفر طراحی شده است  و این امکان که اسپین ذره ۲ باشد در نظر گرفته نشده.» البته آزمایش‌هائی که در تواترون آزمایشگاه فرمی انجام شده است به‌نظر می‌رسد امکان اسپین ۲ را رد کند (و داده‌های دوفوتونی نیز امکان اسپین ۱ را رد می‌کند). بنابراین فیزیکدان‌ها با این امکان بسیار نامحتمل اما هیجان‌انگیز روبه‌رو هستند که ذره‌ی جدید بوزون اسکالر نباشد. دنیلا بورتولتو[7] از دانشگاه پردو در امریکا که پژوهشگر آزمایش CMS است اشاره می‌کند که شمار رخ‌دادها در کانال‌های واپاشی‌ی ذره‌ی هیگز به زوج لپتون‌های تاؤ یا زوج ذرات b نیز به‌نظر کم‌تر از انتظار می‌آید. با توجه به این‌که ذره‌های تاؤ و b‌ هر دو فرمیون هستند اگر این کم‌بود رخ‌دادها با افزایش مقدار داده‌ها برجا بماند می‌توان گمان کرد برهم‌کنش هیگز با فرمیون‌ها و بوزون‌ها متفاوت است.

اما موری می‌گوید که کم‌بود رخ‌دادها می‌تواند نشانه‌ئی از «مدل مخلوط» جفت‌شدگی‌ی‌ فرمیون و بوزون به ذره‌ی هیگز باشد و افزایش سه‌ماهه‌ی دوره‌ی کاری‌ قطعاً برای بررسی‌ی  کانال‌های تاؤ-تاؤ و b-b مفید است. به‌واقع بیشتر فیزیکدان‌های سرن پس از گزارش‌های مهم دیروز باور دارند در پایان این دور آزمایش‌ها فهم بهتری‌ از این خواهند داشت که آن‌چه کشف شده ذره‌ی هیگز مدل استاندارد است یا نه.

چشم‌اندازهای دورتر

اما یک اندازه‌گیری‌ی مهم هست که LHC‌ تا زمانی‌که به انرژی‌ی نهایی ۱۴ تراالکترون‌ولت (در مقایسه با انرژی‌ی ۸ تراالکترون‌ولت فعلی) نرسد قادر به انجامش نیست و آن اندازه‌گیری «خودبرهم‌کنش» بوزون هیگز است یعنی رفتار دو ذره‌ی هیگز در برخورد با یک‌دیگر. چنین چیزی را تنها زمانی می‌توان دید که انرژی‌ی کافی برای خلق دو ذره ی هیگز وجود داشته باشد.  موری می‌گوید « برای آن که بتوان گفت واقعاً با ذره‌ی هیگز سروکار داریم پرسش مهم این است که آیا نیاز به اندازه‌گرفتن ِ خودبرهم‌کنش هست یا نه.» از آنجا که رسیدن انرژی‌ی LHC به ۱۴ تراالکترون‌ولت دست‌‌کم تا پایان ۲۰۱۴ به‌انجام نخواهد رسید به‌نظر می‌رسد بحث در این باره ادامه خواهد یافت.

پیش از آن همه نگران آن خواهند بود که جایزه‌ی نوبل برای کشف جدید را به چه کسی خواهند داد. پیتر هیگز که ذره‌ی جدید نام او را دارد حاضر نبود در کنفرانس مطبوعاتی‌ی دیروز وارد این بحث شود. او همیشه گفته است که در ابداع اندیشه‌های اصلی‌ی نظریه‌ئی که در سال‌های اول دهه‌ی ۱۹۶۰ منجر به پیش‌بینی‌ی ذره‌ی هیگز شد تنها نبوده است. اخیراً در گفت‌وگو با فیزیکس‌ورلد هیگز گفته است که دست کم ۵ نظریه‌پرداز دیگر: روبر برو[8]، فرانسوا انگلر[9]، جرالد گورالنیک[10]، کارل هیگن[11]، و تام کیبل[12]، در این زمینه حق دارند. اما با توجه به این‌که کمیته‌ی نوبل جایزه‌ی نوبل فیزیک را هر سال نمی‌تواند به بیش از سه فیزیکدان بدهد کار مشکلی پیش رو خواهد داشت.

منبع:

It's a boson, but what sort

Hamish Johnston

http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/jul/05/its-a-boson-but-what-sort