نوعی عجیب از ذرات هیگز ممکن است باعث ناپدیدی ضدماده از جهان ما شده باشد!

یک تیم سه نفره از فیزیکدانان نظری، اخیرا تئوری‌ای راجع به نوعی ناشناخته از ذرات هیگز (Higgs) و ناپدیدی ضدماده از جهان ما مطرح کرده‌اند که ممکن است درک ما نسبت به همه چیز را تغییر دهد!

بدون ذره‌ای شک، یکی از عجیب‌ترین ذراتی که دانشمندان تاکنون با آن سر و کار داشته‌اند، ضدماده یا همان پادماده (Anti-Matter) است. اما چیزی که به معنی واقعی کلمه دنیای علم فیزیک را به چالش کشانده، نه وجود ضدماده، بلکه کم بودن بیش از اندازه آن در جهان هستی است! درواقع برخلاف چیزی که اصول فیزیک مدرن ایجاب می‌کند، هیچ تعادلی بین ماده و ضدماده در جهان هستی وجود ندارد و به گفته دانشمندان، تعداد ماده ها در جهان هستی، چیزی حدود یک میلیارد برابر تعداد ضدماده ها است! چه چیزی باعث ناپدیدی ضدماده ها از جهان هستی ما شده است؟

ناپدیدی ضدماده ؛ چالشی بزرگ در دنیای علم

پیش از ادامه بحث، بهتر است به این موضوع بپردازیم که اصلا ضدماده چیست؟ اگر خیلی ساده بخواهیم این مفهوم پیچیده را توضیح دهیم، می‌توانیم بگوییم که ضدماده، همانگونه که از اسمش هم مشخص است، دقیقا نقطه مقابل ماده است. به عنوان مثال، ذرات اتم در ماده، که همان الکترون، پروتون و نوترون هستند، در ضدماده هم عینا وجود دارند. نوترون دارای بار خنثی است، پس در این بحث، اهمیت خیلی خاصی ندارد. اما همانگونه که قطعا می‌دانید، الکترون و پروتون، در جهان ماده، به ترتیب بارهای منفی و مثبت دارند. پس در جهان ضدماده، بارهای این ذرات زیر اتمی، دقیقا برعکس است؛ یعنی الکترون در ضدماده، که با نام ضدالکترون و یا پوزیترون (Positron) شناخته می‌شود، دارای بار مثبت است و ضدپروتون هم بار منفی دارد!

ماده و ضدماده

مقایسه شماتیک ماده و ضدماده ؛ در سمت چپ تصویر، یک اتم هیدروژن در جهان ماده را مشاهده می‌کنید و در سمت راست هم، اتم ضدهیدروژن قابل مشاهده است.

اما یک نکته بسیار مهم در رابطه با ماده و ضدماده این است که درصورت برخورد آن‌ها با یکدیگر، هر دو تبدیل به انرژی محض می‌شوند. این یعنی به تعبیر علمی، می‌توان گفت که هنگام برخورد ماده و ضدماده با یکدیگر، آن‌ها ماهیت عادی خودشان را از دست می‌دهند و دیگر آن ذرات سابق نخواهند بود. اما اگر بخواهیم برای قابل فهم‌تر شدن این موضوع، کمی از قوانین علم و فیزیک فاصله بگیریم و صرفا یک توصیف عامیانه و البته نه چندان علمی ارائه دهیم، می‌توانیم بگوییم که هنگام برخورد ماده و ضدماده با یکدیگر، هردو نابود می‌شوند! این نکته را در ذهن خود نگه دارید چرا که در ادامه مقاله، دوباره به سراغ آن بازخواهیم گشت!

اما طبق اصل تقارن فیزیکی، باید تعداد و نیروی هرچیزی، با ضد خودش، دقیقا برابر باشد. این موضوع به این معنی است که ماده و ضدماده هم باید دقیقا و از همه نظر برابر با هم باشند تا اصل تقارن فیزیکی پابرجا بماند. اما پس از پیدایش جهان هستی و در همان ابتدایی‌ترین لحظات شکل‌گیری کیهان، به دلایلی نامشخص، تقریبا تمام ضدماده های موجود در کیهان، به یک باره ناپدید شده‌اند. با تمام تلاش‌های علمی‌ای که توسط دانشمندان و فیزیکدانان صورت گرفته، اما هنوز هم جامعه علمی هیچ ایده‌ای ندارد که دلیل ناپدیدی ضدماده ها از جهان ما چه بوده است.

به این چالش علمی بسیار مهم و کلیدی، نام‌هایی هم اختصاص داده شده است که نشانگر دلیل اهمیت آن است. نامی که بیشتر از از همه از آن استفاده می‌شود، “عدم تقارن باریون” (Baryon asymmetry) نام دارد. این چالش، پرسشی را بوجود آورده که حتی انیشتین و قانون نسبیت او هم نتوانست پاسخی برایش پیدا کند!

ذرات هیگز ؛ بازیگر اصلی در این چالش!

پیتر هیگز

تصویری از آقای پیتر هیگز، فردی که در دهه ۱۹۶۰ وجود بوزونی که عامل جرم دهنده به ذرات است را پیش‌بینی کرد و در سال ۲۰۱۳، پس از اثبات فرضیه‌اش، جایزه نوبل را به خانه برد! نام این بوزون به احترام ایشون، بوزون هیگز نامیده شد.

ذرات هیگز (Higgs Particle) و همینطور میدان هیگز (Higgs Field) مفاهیمی بسیار پیچیده هستند که حتی دانشجویان رشته فیزیک ذرات هم نمی‌توانند آن‌ها را به خوبی درک کنند! اما ما در اینجا سعی می‌کنیم به ساده‌ترین شکل ممکن، این دو مفهوم را برایتان توضیح دهیم.

ابتدا باید بگوییم که ذرات هیگز، عامل جرم دهنده به ذرات هستند. اما این موضوع به چه معنا است؟ برای درک بهتر این موضوع، مثالی می‌زنیم. یک سبد میوه حصیری را تصور کنید که داخلش هیچ میوه‌ای قرار نگرفته است. جرم این سبد، ۵۰۰گرم است. حال فرض کنید ما به اندازه ۴کیلو و ۵۰۰گرم، میوه داخل این سبد قرار می‌دهیم. اکنون جرم این سبد، به ۵کیلوگرم رسیده است. پس می‌توان گفت که جرم سبد میوه نهایی، مجموع جرم سبد خالی به علاوه میوه‌هایی است که بعدا به آن اضافه کردیم.

اما جرم سبد خالی را چه چیزی تشکیل داده است؟ از آنجایی که فرض را بر این گذاشتیم که این سبد، یک سبد حصیری است پس می‌توان گفت که جرم این سبد، مساوی است با مجموع جرم حصیرهای بکار رفته در آن. اما جرم حصیر را چه چیزی تشکیل داده است؟ این روند را شما می‌توانید تا زمانی ادامه دهید که به جرم مولکول‌های این سبد و سپس به جرم اتم‌های آن برسید. پس از آن هم می‌توانید کارتان را با ذرات زیراتمی ادامه دهید. اما مطمئنا اینکار را تنها تا یک زمان بخصوص می‌توانید انجام دهید و از یک جایی به بعد، دیگر نمی‌توانید ریزتر بشوید.

اینجا است که نوبت به خودنمایی ذرات هیگز می‌رسد! طبق نظریه بوزون هیگز (Higgs Boson)، سرتاسر کیهان، مملو از بوزون‌هایی ملقب به هیگز است. این بوزون‌ها، که ذراتی زیراتمی محسوب می‌شوند، عامل جرم دهنده به ذرات بزرگتر از خود هستند. نکته بسیار جالب این است که تمام ذرات، دارای جرم یکسانی نیستند. به عنوان مثال، فوتون‌ها، ذراتی هستند که عملا هیچ جرمی ندارند. اما چه چیزی باعث می‌شود که برخی ذرات، جرم بیشتری بدست بیاورند و برخی ذرات هم جرمی نزدیک به صفر داشته باشند؟ پاسخ این سوال در میدان هیگز نهفته است. توضیح میدان هیگز و نحوه جرم‌دار شدن ذرات، چیزی است که تنها در بحث‌های بسیار پیشرفته در شاخه فیزیک نظری، به آن‌ها پرداخته می‌شود اما اگر کنجکاو هستید تا این موضوع را درک کنید، می‌توانیم با ذکر یک مثال اختصاصی، این موضوع را به ساده‌ترین شک ممکن برایتان بیان کنیم:

فرض کنید ذرات هیگز، بُراده‌های آهن بی‌نهایت کوچکی هستند. این بُراده‌های آهن، در جهانی پخش شده‌اند که تقریبا تمام اجزای سازنده این جهان را آهن‌رباها تشکیل داده‌اند. علاوه‌بر این، فرض کنید که در این جهان خیالی، جرم تمام آهن‌رباها صفر مطلق است. حال در این جهان، آهن‌رباهای قوی‌تر، موفق به جذب بُراده‌های بیشتری می‌شوند و از آن طرف، آهن‌رباهای ضعیف‌تر هم بُراده‌های کمتری را به خود جذب می‌کنند. درنتیجه آهن‌رباهای قوی‌تر، جرم بیشتری نسبت به آهن‌رباهای ضعیف‌تر پیدا می‌کنند. اما ما گفتیم که در این جهان فرضی، “تقریبا” همه چیز از آهن‌ربا ساخته شده است. پس ذراتی، هرچند اندک، هم وجود دارند که از جنس آهن‌ربا نیستند و درنتیجه هیچ بُراده آهنی را به خود جذب نمی‌کنند. این ذرات، که در دنیای واقعی خود ما هم وجود دارند (مانند فوتون ها)، هیچ جرمی ندارند.

دقت کنید که مثال بالا، صرفا برای درک نحوه عملکرد بوزون هیگز و همینطور میدان هیگز مطرح شد و درنتیجه، برخی از شاخصه‌های علمی هیگز، مانند بحث زمان اثرگذاری، در این مثال پوشش داده نشد که اگر علاقه‌مند به این موضوع هستید، می‌توانید با تحقیقات بیشتر، به طور کامل با این پدیده بسیار عجیب و جالب آشنا شوید.

هیگز و اگلرت

آقای پیتر هیگز (سمت راست) در کنار دوست و همکار قدیمی‌اش فرانسوا اگلرت (François Englert که در سمت چپ تصویر قرار دارد) که حدود ۶۰سال پیش، با همدیگر به احتمال وجود بوزون هیگز، پی برده بودند. این دو در سال ۲۰۱۳ و بخاطر همین دستاوردشان، برنده جایزه نوبل فیزیک شدند

تمام مطالبی که در رابطه با بوزون هیگز گفته شد را نیز درست مانند اتفاقی که هنگام برخورد ماده و ضدماده با یکدیگر رخ می‌داد، در گوشه‌ای از ذهنتان نگه دارید چرا که به زودی، مانند قطعاتی از پازل، در کنار یکدیگر قرار خواهند گرفت!

بوزون های هیگز جدید ؛ عامل ناپدیدی ضدماده !

فرضیه‌ای که اخیرا در رابطه با علت ناپدیدی ضدماده مطرح شده و اتفاقا یکی از اصلی‌ترین بخت‌های دریافت جایزه نوبل فیزیک هم به شمار می‌رود، این است که دو بوزون هیگز دیگر هم بجز هیگزهایی که هم‌اکنون موفق به کشف آن‌ها شده‌ایم، در کیهان وجود دارند اما درحال حاضر، به صورت غیرفعال هستند. دلیل اینکه ما نمی‌توانیم وجود این هیگزها را مشاهده کنیم هم دقیقا همین موضوع است که آن‌ها تنها در معرض دما و انرژی فوق‌العاده بالایی، به اصطلاح “فعال” می‌شوند و می‌توانند روی جرم ذرات، تاثیر بگذارند. دانشمندانی که این تئوری را مطرح کرده‌اند، معتقدند که دلیل ناپدیدی ضدماده هم دقیقا همین دو بوزون هیگز ناشناخته هستند. آن‌ها نام تئوری خودشان را هیگز ترویکا (Higgs Troika) گذاشته‌اند.

این دانشمندان، که در شاخه فیزیک تئوری هم تخصص دارند، معتقدند در ابتدای خلقت و اندکی پس از ایجاد بیگ بنگ (Big Bang) علاوه‌بر بوزون هیگز شناخته شده برای ما انسان‌ها، آن دو بوزون هیگر دیگر هم بوجود آمده‌اند. از آنجایی که بلافاصله پس از انفجار بزرگ یا همان بیگ بنگ، سرتاسر کیهان، دارای دما و انرژی بی‌نهایت زیادی بوده، در نتیجه این بوزون های جدید هم در آن مدت زمان بسیار کوتاه، فعال بوده‌اند. همانگونه که قطعا می‌دانید، پس از پایان بیگ بنگ، ذره ذره جهان هستی شروع به سرد شدن کرد و در نتیجه، این بوزون ها هم به مرور زمان، غیرفعال شدند!

اما اینجا، زمانی است که باید تمام آن مطالبی که در گوشه ذهن خودتان نگهداری کرده بودید را وارد میدان کنید! تیم ۳نفره‌ای که این فرضیه را مطرح کرده، معتقد است دو بوزون هیگز ناشناخته‌ای که تنها برای مدتی بسیار کوتاه فعال بوده‌اند، بیشتر از آنکه به ماده علاقه‌مند باشند، به ضدماده علاقه داشته‌‌اند! درنتیجه، باعث افزایش جرم ضدماده شدند. طبق قوانین فیزیک، هنگامی که جرم یک ذره بالا برود، میزان فراوانی آن هم کمتر می‌شود. این موضوع، باعث این شده که میزان فراوانی ضدماده، در جهان هستی، به مراتب کمتر از میزان فراوانی ماده شود.

ناپدیدی ضدماده

اینجا است که یک اتفاق جالب دیگر رخ می‌دهد و آن هم این است که بخاطر شرایط ناشناخته‌ای که جهان هستی، در همان مدت زمان کوتاهی که این بوزون ها فعال بوده‌اند، داشته و با توجه به اینکه در آن دوران، هنوز انفجار بیگ بنگ به پایان نرسیده بود، ذرات کیهان هم به دفعات بسیار بیشتری با یکدیگر برخورد می‌کردند. پس در این مدت کوتاه، دنیا به گونه‌ای بوده که بیشتر ذرات هستی، دائما درحال برخورد با یکدیگر بودند و از آن طرف، فراوانی ضدماده ها به مراتب کمتر از فراوانی ماده ها بوده. پس با یک حساب سرانگشتی و با توجه به توضیحاتی که در رابطه با برخورد ماده و ضدماده با یکدیگر ارائه دادیم، تعداد ضدماده ها در جهان هستی، پس از این برخوردها، بی نهایت کم شده ولی ماده‌ها انقدر زیاد بودند که حتی پس از این برخوردها هم تعداد زیادی از آن‌ها در کیهان باقی مانده و هرچیزی که در اطرافتان مشاهده می‌کنید را خلق کرده است!

برای درک بهتر این موضوع و اگر بخواهیم یک مثال فوق‌العاده سطحی بزنیم، می‌توانیم بگوییم که فرض کنید تعداد ضدماده‌ها در آن دوران اندکی که جرم بیشتری از ماده ها داشتند، ۵۰۰هزار عدد بوده و تعداد ماده ها هم بخاطر جرم کمترشان، ۲میلیارد بوده. در نتیجه حتی اگر تمام ضدماده ها هم با ماده ها برخورد می‌کردند، باز هم تعداد قابل توجهی ماده، در جهان ما باقی می‌مانده و این دقیقا همان اتفاقی است که در واقعیت هم رخ داده است!

درنهایت هم اینکه باید ببینیم آیا تئوری هوشمندانه و جالب این سه فیزیکدان می‌تواند درک ما را نسبت به ضدماده افزایش دهد یا خیر. اما تا آن موقع و با فرض درست بودن این تئوری، ما هم می‌توانیم به این فکر کنیم که چه می‌شد اگر آن بوزون های هیگز ناشناخته وجود نداشتند یا اینکه صرفا باعث ناپدیدی ضدماده نمی‌شدند. آیا اگر تعداد ضدماده و ماده با یکدیگر برابر بود، باز هم جهان هستی ما ساخته می‌شد؟ یا از آن جذاب‌تر، اگر تعداد ضدماده بیشتر بود و این ضدماده بود که بر کیهان چیره می‌شد و سرتاسر هستی را شکل می‌داد، دنیا به چه شکلی درمی‌آمد؟ چه می‌شد اگر بدن ما انسان‌ها بجای ماده، از ضدماده تشکیل می‌شد؟ مطمئنا سوال‌های بی‌شماری می‌توان در این رابطه پرسید، نظر شما کاربران گجت نیوز در این رابطه چیست؟