بوزون هيگز Higgs boson

[محمد ابوزيد]

بوزون هيگز Higgs boson


النموذج العياري Standard Model لفيزياء الجسيمات هو النظرية المعترف بها والتي تصف الجسيمات الأولية المعروفة وتآثراتها.

وفيها يفترض نوع جديد من الحقول ينتشر في الوجود المادي كله، يدعى حقل هيگز Higgs field.


ويُعتقد أن كتل الجسيمات الأولية تأتي من التآثر مع حقل هيگز.


كيف يولّد حقل هيگز الكتلة؟



يشبه الفضاء «الخالي» المملوء بحقل هيگز شاطئا ممتلئا بالأطفال.






ويشبه الجسيم الذي يعبر تلك المنطقة الفضاء بائع المثلجات الذي يصل ...




... ويتآثر مع الأطفال الذين يبطئون سيره ـ كما لو أنه يكتسب «كتلة».

فإذا كان حقل هيگز موجودا بالفعل فإن النظرية تتطلب أن يكون له جسيم مرفق به، هو بوزون هيگز Higgs boson. ويحاول العلماء حاليا، باستخدام مسرّعات الجسيمات particle accelerators. العثور على هذا البوزون.


إن أساس فهمنا الحديث للكتلة أعقد بكثير من تعريف <نيوتن>، وهو يستند إلى النموذج العياري. ففي قلب هذا النموذج توجد دالة رياضياتية تدعى «لاگرانجيان» Lagrangian هي التي تمثل كيف تتآثر الجسيمات المختلفة. ويستطيع الفيزيائيون انطلاقا من هذه الدالة، وباتباع القواعد المعروفة باسم النظرية الكمومية النسبوية، أن يحسبوا سلوك الجسيمات الأولية، بما في ذلك كيفية تجمعها لتشكل جسيمات مركبة مثل الپروتونات. ونستطيع بعدئذ أن نحسب كيف تستجيب الجسيمات، الأولية منها والمركّبة، للقوى.

هذا الفهم سوف يحل ألغازا مثل المادة الخفية

ويدلنا النموذج العياري على أن الپروتونات والنيوترونات مؤلفة من جسيمات أولية تدعى كواركات quarks، وهذه ترتبط بعضها ببعض بوساطة جسيمات معدومة الكتلة تدعى گلوونات gluons.

ويتيح لنا النموذج العياري أن نجد بالحساب أن الكتلة الكلية تقريبا للپروتونات والنيوترونات تأتي من الطاقة الحركية للكواركات والگلوونات المكونة لها (والباقي يأتي من الكتلة السكونية للكواركات).

التفسير الذي تقترحه الفيزياء النظرية المعاصرة يقضي بأن كتل الجسيمات الأولية مثل الكواركات والإلكترونات، ليست مؤلفة من أجزاء أصغر منها. (بخلاف الپروتونات والنيوترونات )

تنشأ عن تآثرات مع حقل هيگز.

إن حقل هيگز هو حقل كمومي.
و
الحقيقة هي أن جميع الجسيمات الأولية تنشأ على شكل كمّات
عن حقل كمومي مناظر.

والحقل الكهرمغنطيسي هو أيضا حقل كمومي ( جسيمه الأولي المناظر هو الفوتون).

لكنه يختلف، على أية حال، عن جميع الحقول الكمومية الأخرى بثلاث طرق حاسمة.

الاختلاف الأول

فلجميع الحقول خاصية تدعى سپين spin، وهي كمية ذاتية للاندفاع الزاوي angular momentum يحملها كل من جسيماتها. فجسيمات مثل الإلكترونات لها سپين مقداره 1|2، ومعظم الجسيمات المرفقة بقوة ما، مثل الفوتون، لها سپين 1. أما بوزونات هيگز (وهي جسيمات حقل هيگز) فلها سپين 0. ووجود هذا الأخير (سپين 0) يمكّن حقل هيگز من الظهور في دالة لاگرانجيان بطرق تختلف عنها بالنسبة إلى الجسيمات الأخرى، وهذا بدوره يتيح ـ ويؤدي إلى ـ خاصّيتيه الأخريين المميزتين له.




المصادر:

1- الغاز الكتلة مجلة العلوم

[محمد ابوزيد]

تفسر الخاصية الثانية الفريدة لحقل هيگز كيف أن شدته ليست صفرا في جميع أنحاء الكون، وتوضح سبب ذلك. فكل منظومة، بما في ذلك الكون، تهوي إلى حالة الطاقة الدنيا لها، مثل كرة تتدحرج نازلة إلى قاع الوادي. وبالنسبة إلى الحقول المألوفة، مثل الحقول الكهرمغنطيسية التي توفر لنا البث الإذاعي، تكون حالة الطاقة الدنيا هي تلك التي تكون فيها الحقول معدومة القيمة (أي حين تتلاشى الحقول)


إذا أدخل أي حقل غير معدوم فإن الطاقة المختزنة في الحقول تُزيد الطاقة الصافية للمنظومة. لكن طاقة الكون، في حالة حقل هيگز، تكون أقل إذا لم يكن الحقل معدوما بل كانت له قيمة ثابتة مختلفة عن الصفر. وبلغة التشبيه بالوادي مجازا يكون أسفل الوادي بالنسبة إلى الحقول العادية في الموضع الذي يكون فيه الحقل معدوما. أما بالنسبة إلى حقل هيگز فتكون للوادي هضبة صغيرة في مركزه (حيث ينعدم الحقل) وأخفض نقطة في الوادي تشكل دائرة حول الهضبة



الكون، مثله مثل كرة، يستقر في مكان ما في هذا الخندق الدائري الذى يقابل قيمة غير معدومة للحقل. أي إن الكون، في حالته الطبيعية ذات الطاقة الأكثر انخفاضا، ينتشر فيه حقل هيگز غير معدوم.



والصفة الأخيرة المميزة لحقل هيگز هي شكل تآثراته مع الجسيمات الأخرى. فالجسيمات التي تتآثر مع حقل هيگز تسلك كما لو أن لها كتلة متناسبة مع حاصل ضرب شدة الحقل في شدة التآثر. وتنشأ الكتل عن حدود دالة لاگرانجيان التي تكون فيها الجسيمات متآثرة مع حقل هيگز.

[محمد ابوزيد]

لايزال فهمنا لكل هذا غير كامل على كل حال، ولسنا متأكدين من عدد أنواع حقول هيگز الموجودة. ومع أن النموذج العياري لا يتطلب سوى حقل هيگز واحد لتوليد كتل جميع الجسيمات الأولية، إلا أن الفيزيائيين يعلمون أنه ينبغي أن تحل محل النموذج العياري نظرية أكثر كمالا. والنظريات الرئيسية المنافسة، وهي امتدادات للنموذج العياري، تدعى النماذج العيارية الفائقة التماثل Supersymmetric Standard Models (واختصارا SSMs). يكون لكل جسيم من النموذج العياري في هذه النماذج ما يسمى بالقرين الفائق superpartner (لم يكتشف بعد) له خصائص مشابهة جدا. ويحتاج الأمر في النموذج العياري الفائق التماثل إلى نوعين مختلفين على الأقل من حقول هيگز. والتآثرات مع هذين الحقلين هي التي تعطي كتلة لجسيمات النموذج العياري. وهي تعطي كذلك بعض (ولكن ليس جميع) الكتلة للقرائن الفائقة. وتنشأ عن حقليْ هيگز خمسة أنواع من بوزونات هيگز: ثلاثة منها متعادلة كهربائيا واثنان مشحونان. ومن الممكن لكتل الجسيمات المدعوة نيوترينوهات neutrinos، وهي كتل صغيرة جدا مقارنة بكتل الجسيمات الأخرى، أن تنشأ بصورة غير مباشرة غالبا عن هذه التآثرات، أو عن نوع ثالث آخر من حقول هيگز.



توجد لدى النظريين عدة أسباب تجعلهم يتوقعون أن تكون صورة النموذج العياري الفائق التماثل SSM حول تآثر هيگز هي صورة صحيحة. أولا، من دون آلية هيگز، سيكون البوزونان WوZ ، وهما اللذان ينقلان القوة الضعيفة، معدومي الكتلة مثلهما مثل الفوتون (الذي يتعلقان به)، وسيكون التآثر الضعيف في مثل قوة التآثر الكهرمغنطيسي.