ما هو حقل هيغز بوسون وهيجز؟

ما هو حقل هيغز بوسون وهيجز؟

هيغز بوسون

كان اكتشاف Higgs Boson بواسطة CERN ثورة في الفيزياء.

" نحن مصنوعون من مواد نجوم" ، كما قال كارل ساجان العظيم ذات مرة بإيجاز. كل ما تعرفه ، حتى نفسك ، مصنوع من نفس الجسيمات الأساسية. 

لكن في بداية الكون ، لم يكن لأي من هذه الجسيمات كتلة. كلهم تحركوا بسرعة الضوء. هذا فقط لأن الجسيمات حصلت على كتلتها من حقل أساسي مرتبط ببوزون هيغز يمكن أن تكون النجوم والكواكب وشكل الحياة.

أو هكذا تقول النظرية. ولكن ، حصلت هذه الفكرة على بعض الدعم الفعلي الجاد عندما تم العثور على جسيم بوزون هيغز في CERN في عام 2012 ، مما يثبت أخيرًا أن هذا المجال يعطي المادة ، كتلة جيدة.

وغني عن القول ، كانت هذه مشكلة كبيرة في عالم الفيزياء! لماذا كان هذا أمرًا مهمًا هو أن النموذج القياسي (المزيد عن ذلك لاحقًا) يمثل جميع الجسيمات السبعة عشر وثلاثة من القوى الأساسية الأربعة التي يتكون منها كوننا. 

هذه ، في الواقع ، مكعبات LEGO في الكون! لكن ، لم تكن لتوجد بدون ما يسمى بوزون هيغز. 

إذا ما هو؟ هيا نكتشف. 

ما هو بوزون هيغز؟

في عام 1964 ، قدم الفيزيائي الإنجليزي بيتر هيجز ورقة إلى مجلة علمية أكدت أن كل الفضاء مليء بحقل ، والذي أصبح يسمى حقل هيغز ، الذي ينقل الكتلة إلى الأشياء. علميًا ، تُعرّف الكتلة بأنها المقاومة التي يقدمها جسم من المادة لتغيير السرعة أو الموقف عند تطبيق القوة.

صورة ثلاثية الأبعاد لموجة الجاذبية

بالنسبة لبعض العلماء البارزين في ذلك الوقت ، بما في ذلك الراحل العظيم ستيفن هوكينج ، بدا مفهوم نقل المجال للكتلة مثيرًا للسخرية. 

لقد قام بالفعل برهان 100 دولار مع الفيزيائي جوردون كين أن الفيزيائيين لن يجدوا بوزون هيغز. عندما اكتشف الفيزيائيون الجسيم في عام 2012 ، فقد هوكينج رهانه وقال إن الاكتشاف جعل الفيزياء أقل إثارة للاهتمام.

لم يكن قد خسر رهانه فحسب ، بل جعله هذا الاكتشاف يصل إلى نتيجة مروعة للغاية بشأن الجسيم. وأوضح في كتاب من المقالات والمحادثات بعنوان " ستارموس " أن الجسيم يمكن أن يتسبب يومًا ما في نهاية الكون كما نعرفه.

يتفق العلماء إلى جانب هوكينج مع هذا. كانت نظرية يوم القيامة بوزون هيغز موجودة منذ فترة. تقول أن التذبذب الكمي يمكن أن يسبب "فقاعة" فراغية تتوسع عبر الفضاء وتدمر الكون. ومع ذلك ، لا يعتقد العلماء أن هذا سيحدث في أي وقت قريب.

لكن لماذا؟ وكيف؟

يمكنك التفكير في حقل هيغز بهذه الطريقة: ادفع كرة بينج بونج عبر الهواء وهي تتحرك تقريبًا بدون مقاومة ، لكن ادفع كرة بينج بونج نفسها عبر الماء ، وسيكون دفعها أصعب بكثير. يشبه حقل هيغز الماء إلى حد ما.

عندما رفضت المجلة العلمية في البداية ورقة هيجز ، قام بمراجعتها بإضافة مهمة أن نظريته تنبأت بوجود بوزون ثقيل.

البروفيسور بيتر هيجز

في السبعينيات ، أدرك الفيزيائيون أن هناك روابط وثيقة جدًا بين القوة الضعيفة والقوة الكهرومغناطيسية. طوروا المعادلات الأساسية لنظرية موحدة والتي اقترحت أن الكهرباء والمغناطيسية والضوء وبعض أنواع النشاط الإشعاعي كلها مظاهر لقوة واحدة تعرف باسم القوة الكهروضعيفة. يتحمل الفوتون والبوزونات W  و  Z هذه القوة   .

ولكن كانت هناك مشكلة. تتنبأ المعادلات بأن هذه الجسيمات ليس لها كتلة ، وقد عرف الفيزيائيون بالفعل أن بوزونات W و Z لها كتلة. لحسن الحظ ، قدم المنظرون روبرت بروت وفرانسوا إنجليرت وبيتر هيجز اقتراحًا لحل هذه المشكلة. اقترحوا أن البوزونات W و Z تتفاعل مع قوة تسمى "مجال هيغز".  يعطي المجال كتلة للجسيمات المتبادلة في تفاعلات ضعيفة ولكن ليس للفوتونات المتبادلة في التفاعلات الكهرومغناطيسية. كلما كان الجسيم أقوى يتفاعل مع مجال هيغز ، يصبح الجسيم أثقل. 

تدريجيًا ، أدرك فيزيائيون آخرون أن فكرة هيغز تتناسب تمامًا مع معادلات النموذج القياسي. كانت المشكلة الوحيدة هي عدم وجود دليل تجريبي يدعم هذه النظرية. إذا كان مجال هيغز موجودًا ، فيجب أن يشتمل على مقياس بوزون ( جسيم "حامل للقوة" يتوسط أو ينقل القوة الكهرومغناطيسية) ، والذي يُسمى بوزون هيغز ، وأظهرت حسابات الفيزيائيين أن بوزون هيغز يجب أن يكون ضخمًا جدًا و أنه يجب أن يتحلل على الفور تقريبًا.

كيف تحث على ظهور مثل هذه الجسيمات الضخمة سريعة الزوال؟ سوف يستغرق الأمر 30 عامًا أخرى قبل إنشاء مصادمات الجسيمات وأجهزة الكشف وأجهزة الكمبيوتر القادرة على البحث عن بوزونات هيغز.

أدخل مصادم هادرون الكبير.

ما هو النموذج القياسي في الفيزياء؟ 

بدأ النموذج القياسي في الظهور لأول مرة في عام 1897 ، عندما اكتشف الفيزيائي الإنجليزي جيه جيه طومسون الإلكترون ، ولم يُعتبر "مكتملاً" حتى عام 2012 ، مع اكتشاف بوزون هيغز.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

كما يوضح الرسم البياني أعلاه ، يتكون كوننا من ستة كواركات وستة لبتونات. هذه هي الجسيمات التي تشكل الذرات - كواركات داخل البروتونات والنيوترونات ، والإلكترونات المحيطة بالنواة.

تعمل أربع قوى أساسية في كوننا: الكهرومغناطيسية ، والقوة الشديدة ، والقوة الضعيفة ، والجاذبية. لسوء الحظ ، لا يمكن للنموذج القياسي تفسير الجاذبية ( إذا كانت بالفعل قوة حقيقية ) ، لذلك في الوقت الحالي ، علينا تجاهلها.

تنتج القوى المتبقية من تبادل جسيمات "حاملة القوة" ، أو بوزونات قياس. تنقل الجسيمات كميات منفصلة من الطاقة عن طريق تبادل البوزونات مع بعضها البعض. كل قوة أساسية لها بوزون خاص بها .

تنتقل القوة الكهرومغناطيسية بين الجسيمات المشحونة كهربائيًا بواسطة الفوتون ، وهو عديم الكتلة. تنتقل القوة الضعيفة بين الكواركات واللبتونات بواسطة بوزونات قياس W + و W− و Z ، وهي جسيمات ضخمة ، حيث يكون بوزون Z أكبر كتلة من W ±.

تنتقل القوة القوية بين الكواركات بواسطة ثمانية غلوونات عديمة الكتلة. الكواركات والغلونات "مشحونة بالألوان". تتبادل الجسيمات المشحونة بالألوان الغلوونات في تفاعلات قوية. يمكن لكواركين تبادل الغلوونات وإنشاء حقل لون قوي جدًا يربط الكواركات معًا. تغير الكواركات شحنتها اللونية باستمرار لأنها تتبادل الغلوونات مع كواركات أخرى. نظرًا لأن الغلوونات نفسها لها شحنة لونية ، فيمكنها التفاعل مع بعضها البعض.

يقف بوزون هيغز بمفرده في أقصى الجانب الأيمن من مخطط النموذج القياسي ، مثل الملك أو الملكة. قد لا يكون من المستبعد أن نطلق عليها اسم ملكي. في الواقع ، أطلق عليها الفيزيائي ليون ليدرمان ذات مرة لقب "جسيم الإله". صاغ ليدرمان هذه العبارة في عنوان كتابه عام 1993 ، جسيم الله: إذا كان الكون هو الجواب ، فما هو السؤال؟

ما علاقة مصادم الهادرونات الكبير ببوزون هيجز؟ 

يقع مصادم الهادرونات الكبير  (LHC) ، الذي تم افتتاحه في سبتمبر 2008 ، في CERN ، أو المجلس الأوروبي للأبحاث النووية. وهي عبارة عن حلقة يبلغ طولها 17 ميلاً (27.35 كم) تمتد بشكل أساسي تحت جنيف بسويسرا ، وتستخدم حوالي 9000 مغناطيس فائق التوصيل لتجميع ملايين البروتونات التي تدور حول الحلقة في كلا الاتجاهين ، بسرعة قريبة من سرعة الضوء.

عند نقاط محددة على طول الحلقة ، تصطدم حزمتا البروتون وتنتجان بخاخات من الجسيمات التي يتم ملاحظتها بواسطة أجهزة الكشف الضخمة. في 4 يوليو 2012 ، اجتمع علماء الفيزياء من جميع أنحاء العالم في غرف الاجتماعات للاستماع ومشاهدة مؤتمر صحفي يُعقد في CERN.

كان الغرض من المؤتمر الصحفي الإعلان عن اكتشاف بوزون هيغز وكان بيتر هيجز البالغ من العمر 83 عامًا بين الحضور. انتشر فيديو هيغز وهو يخرج منديله ويمسح عينيه.

في عام 2013 ، بعد عام من اكتشاف بوزون هيغز ، تم تكريم بيتر هيغز ، جنبًا إلى جنب مع فرانسوا إنجليرت ، أخيرًا بجائزة نوبل في الفيزياء. في يوم إعلان نوبل ، ذهب هيغز ، الذي لا يمتلك هاتفًا محمولًا ولا بريدًا إلكترونيًا ، إلى المتجر وفقط عندما اصطدم بأحد جيرانه اكتشف أنه فاز بالجائزة.

ما هو مجال هيغز؟

يختلف مجال هيغز عن المجالات الأخرى ، مثل المجالات الكهرومغناطيسية أو الجاذبية ، من حيث أنه لا يتغير. تتضاءل قوة المجال الكهرومغناطيسي وتتضاءل حسب المسافة. يتم تحديد قوة مجال الجاذبية أيضًا من خلال المسافة - قف بجوار ثقب أسود وستختبر مجال جاذبية أقوى بكثير مما لو كنت تقف على الأرض.

على النقيض من ذلك ، يبدو أن مجال هيغز هو نفسه بغض النظر عن مكان وجودك في الكون ، ويبدو أنه عنصر أساسي في نسيج الزمكان. خاصية "الكتلة" هي مظهر من مظاهر الطاقة الكامنة المنقولة إلى الجسيمات الأولية عندما تتفاعل مع مجال هيغز ، الذي يحتوي على تلك الكتلة في شكل طاقة.

الدوران هو الزخم الزاوي الجوهري للجسيم الأولي. في نظرية المجال الكمي ، يرتبط دوران الجسيم بسلوكه. على سبيل المثال ، البوزونات لها عدد صحيح مغزلي (0 ، 1 ، 2 ، إلخ) ، وبالتالي يمكنها أن تحتل نفس الحالة الكمية في نفس الوقت. في المقابل ، لا تستطيع الجسيمات ذات عدد الدوران نصف الصحيح (1/2 ، 3/2 ، إلخ). في النموذج القياسي ، مكونات المادة (الإلكترون ، الكواركات ، إلخ) عبارة عن جسيمات تدور بنصف عدد صحيح ، في حين أن الجسيمات التي تنقل القوة (الفوتون ، W / Z ، جلوون) هي جسيمات تدور بشكل صحيح.

حقل هيغز هو المجال القياسي الوحيد ، أو حقل الدوران 0. ينقل مجال هيجز كتلًا كبيرة إلى بوزونات قياس W و Z. تؤثر كتلها على المدى الذي يمكن أن تقطعه بوزونات W و Z ، مما يؤكد المدى القصير للغاية للقوة الضعيفة.

بوزون هيغز هو بوزون عددي هائل ، له دوران صفري ، ولا شحنة كهربائية ، ولا شحنة لونية. كما هو متوقع ، تبلغ كتلته 125 جيجا إلكترون فولت ، ومتوسط ​​عمر متوقع يبلغ 1.56 × 10 -22 ثانية. لوحظ أن بوزون هيغز يتحلل إلى زوج من الكواركات القاعية المضادة ، وبوزونان دبليو ، وزوج تاو-أنتيتاو ، وبوزونان من نوع Z ، وفوتونان. ومن المتوقع أيضًا أن يتحلل إلى اثنين من الغلوونات ، زوج الميون والأنتيمون ، وربما جسيمات أخرى.

بينما يولد مجال هيجز كتل اللبتونات - الإلكترون والميون والتاو - وكتل الكواركات ، فإنه لا يولد كتلة للفوتون والغلون. ولأن بوزون هيغز ضخم بحد ذاته ، فهذا يعني أنه يجب أن يتفاعل هو نفسه مع مجال هيغز.

مستقبل مجال هيغز

حاليًا ، يحاول العلماء تحديد ما إذا كان مجال هيغز يعطي كتلة للنكهات الثلاث للنيوترينوات - نيوترينوات الإلكترون ، نيوترينوات الميون ، ونيوترينوات تاو. كان يعتقد منذ فترة طويلة أن النيوترينوات كانت عديمة الكتلة ، ومع ذلك ، فمن المعروف الآن أن كل نيوترينو له كتلته المميزة الخاصة به.

بالإضافة إلى ذلك ، يعتقد الفيزيائيون الآن أن 95٪ من كوننا ليس مصنوعًا من مادة عادية ، ولكنه يتكون من طاقة مظلمة ومادة مظلمة. يحاول العلماء في CERN تحديد ما إذا كانت الطاقة المظلمة والمادة المظلمة تتفاعل مع مجال هيغز. 

وفقًا لـ CERN ، المادة المظلمة لها كتلة ، وقد اقترح الفيزيائيون أن جسيمات المادة المظلمة يمكن أن تتفاعل مع بوزون هيغز ، مع تحلل بوزون هيغز إلى جسيمات المادة المظلمة.

على الرغم من أن العثور على بوزون هيغز يبدو أنه يكمل النموذج القياسي (في الواقع) ، لم يتوقف العلماء عن البحث في هذا الجسيم المراوغ. منذ عام 2012 ، كان أحد أهم الأشياء التي تم تعلمها هو تحطم جسيم هيغز.

وسيتم التعرف على المزيد حول هذا الجسيم المراوغ أثناء التشغيل 3 من LHC وخاصة عند الانتهاء من ترقية السطوع العالي إلى مسرع الجسيمات في عام 2029 .

سيسمح هذا لمصادم الهادرونات الكبير بمزيد من الاصطدامات ، مما يمنح العلماء المزيد من الفرص لاستكشاف فيزياء غريبة ، مثل الأشياء التي لا تتناسب مع النموذج القياسي.

بعد الترقية ، تعتقد المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) أن المُسرع سوف يصنع 15 مليونًا من هذه الجسيمات كل عام. هذا فرق كبير عن عام 2017 عندما صنع LHC 3 ملايين بوزون هيغز. قد يكون هذا هو المفتاح لإيجاد أنواع أخرى من بوزونات هيغز.

تتنبأ النظريات التي تتجاوز النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات أيضًا بأنه يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى خمسة أنواع مختلفة من بوزون هيغز ، والتي قد يكون كل منها أقل شيوعًا من بوزون هيغز الرئيسي. حتى قبل التحديث ، أعطانا العلماء بالفعل تلميحات عن "بوزون هيغز المغناطيسي".