جرم از کجا می‌‌آید؟
حتما در مورد میدان و ذره هیگز در اخبار شنیده اید، فردا ۴ جولای ۲۰۲۲، دهمین سالگرد اعلام کشف (غیر مستقیم) این ذره بنیادین و تائید یکی از مهمترین و بنیادیترین مدل‌های فیزیک یعنی مدل هیگز به نام فیزیکدان و برنده جایزه (هنوز معتبر) نوبل فیزیک پیتر هیگز اسکاتلندی و دو همکار دیگرش است. کشفی که آخرین پازل مفقود از ذرات بنیادین یعنی ذره هیگز بوزون در مدل استاندارد فیزیک ذرات را تکمیل کرد. اما هیگز چیست و چه به ما میگوید؟ در سراسر کیهان میدانی کوانتومی به نام هیگز وجود دارد. ذرات بنیادین با این میدان نامرئی، کم یا بیش یا اصلا نه، برهمکنش میکنند و بر این اساس جرمی را به دست می‌‌آورند و یا اصلا جرمی به مانند فوتون ها دریافت نمیکنند. این برهمکنش در واقع بر اساس مکانیسمی به نام مکانیسم هیگز صورت میگیرد و اگر این مکانیسم وجود نمیداشت، مواد جرم دار هم پدیدار نمی‌شدند و بدین روی اصلا شرایطی برای ایجاد ساختار‌های پیچیده و حیات در کیهان به وجود نمی آمدند! برای درک بهتر از میدان هیگز و ذره هیگز و مکانیسم هیگز باید کمی عمیق به درون فیزیک شیرجه زد.
در دنیای کوانتوم تشریح ذرات بنیادین در قالب تصویر ذره یا موج (به طوری که به طور معمول در کتاب ها نوشته میشود) صورت میگیرد، اما این تشریح بسیار ناقص و ناکافی است. بدین روی فیزیکدانان در دهه ۴۰ میلادی قرن گذشته یک قدم فراتر برداشتند و جهان هستی را در قالب میدان‌های کوانتومی تشریح و برسی میکنند، در واقع آنچه که پیرامون ما است، صرفا میدان‌ها هستند و به فرضیه مربوطه اصطلاحا quantum field theory گفته میشود. برانگیختگی در این میدان‌ها به شما آنچه می‌‌دهد که به صورت ذرات بنیادین پدیدار می‌‌شوند، به عنوان مثال برانگیختگی در میدان الکترومغناطیس، فوتون‌ها را به عنوان نتیجه در بر دارد، برانگیختگی در میدان الکترونی، الکترون‌ها و برانگیختگی در میدان هیگز، ذره هیگز بوزون را به ارمغان می‌‌آورد (ذره‌ای که در آزمایش معروف به طور غیر مستقیم در CERN ثبت شد) و بر انگیختگی در دیگر میدان‌های بنیادین، دیگر ذرات بنیادین را تحویل می‌‌دهند. بنابرین در نظریه میدان‌های کوانتومی، دیگر صحبتی از ذره یا تابع موجی به مانند فیزیک کوانتومی برای تشریح ذرات وجود ندارد، بلکه جای خود را به میدان‌ها می‌‌دهند! همان طور که پیشتر گفته شد این میدان ها از نوع کوانتومی و به عبارت دیگر، تحت تاثیر مستقیم قوانین کوانتومی و بسیار متفاوت از میدان‌های کلاسیک هستند، بدین روی برانگیختگی ها در میدان صرفا در انرژی‌های مشخص و معینی و نه در هر انرژی دلخواه صورت می‌پذیرند!
اکنون با وجود میدان‌های کوانتومی برای ذرات بنیادین متفاوت، در واقع این میدان‌ها هستند که با یکدیگر برهمکنش میکنند! بدین روی برخی میدان‌ها با میدان هیگز برهمکنش میکنند و برخی دیگر با این میدان جفت نمیشوند!
اینکه چرا اصلا میدان هیگز وجود دارد که با آن دیگر میدان ها برهمکنش دارند و جرم خود را به دست می‌‌آورند، نهفته در شکست تقارن (مکانیزم هیگز) است! برای درک این مساله پیش از هر چیزی باید دانست که میدان‌های کوانتومی در واقع میدان‌های حاوی انرژی هستند. همان طور که می‌‌دانید در جهان هستی دو نوع انرژی بیشتر وجود ندارد، یک انرژی جنبشی (T) و دیگری انرژی پتانسیل (V). تلفیق این دو انرژی با یکدیگر یک Functional به نام لاگرانژین (Lagrangian) می‌‌دهد. در این لاگرانژین بخش مورد علاقه و جالب داستان در رابطه با اینکه ذرات عالم هستی چگونه جرم به دست می‌‌آورند، در انرژی پتانسیل (V) نهفته است که خود تابع میدان کوانتومی هیگز می‌‌باشد (خود میدان کوانتومی هم تابع زمان و فضا است)!
طبق مدل استاندارد در زمان مهبانگ انرژی پتانسیل میدان کوانتومی هیگز به شکل یک تابع سهمی بوده است. همچین تابعی کاملا تقارن خود را تحت چرخش حفظ می‌کند، اما مدت بسیار بسیار کوتاهی پس از مهبانگ این تقارن شکسته شده و تابع سهمی به تابعی به شکل کلاه مکزیکی تبدیل میشود. همچین تابعی دیگر خود را تحت چرخش تقارن حفظ نمیکند و شکستگی به وجود می‌‌آورد! پیامد این شکستگی این است که میدان کوانتومی هیگز به دو قسمت، یک قسمت ثابت و دیگری یک قسمت داینامیک تقسیم میشود!
دلیل شکستگی تقارن و بدین روی تغییر فرم تابع انرژی پتانسیال میدان کوانتومی هیگز از شکل سهمی به کلاه مکزیکی این است که میدان‌های کوانتومی پیوسته علاقمند هستند که به پایین‌ترین سطح از انرژی دست پیدا کنند و شکل ابتدایی و سهمی تابع انرژی پتانسیل این را میسر نمیسازد و بدین روی برای دستیابی به پایین‌ترین سطح از انرژی باید تغییر فرم بدهد و به شکل تابعی شبیه یک کلاه مکزیکی در بیاید!
نکته‌ای که باید در اینجا به آن بسیار توجه بشود میدان کوانتومی هیگز با دیگر میدان‌های کوانتومی بسیار متفاوت است. در میدان‌های دیگر کوانتومی شما میتوانید ارزش و اندازه این میدان‌ها را نسبت به پایین‌ترین سطح از انرژی‌شان حساب کنید که اصطلاحا vacuum expectation value گفته میشود و این ارزش صفر است، اما در ارتباط با میدان کوانتومی هیگز این ارزش و عدد نسبت به پایین‌ترین سطح از انرژی صفر نیست، بلکه یک عدد ثابت است!
پیشتر گفته شد، شکست تقارن باعث میشود که میدان هیگز به دو قسمت تقسیم بشود، قسمتی که از نظر زمانی ثابت است، این همان ارزش میدان نسبت به پایین‌ترین سطح انرژی یا همان vacuum expectation value است، و قسمت دیگر که متلاطم و داینامیک است، این همان قسمتی است که با برانگیخته شدن میدان هیگز، در نهایت ذره هیگز بوزون را تحویل می‌‌دهد، که پس از مدت بسیار بسیار کوتاهی تجزیه میشود و دقیقا محصولات این تجزیه، چیزی بودند که در CERN توسط آشکار ساز‌های غول پیکر ثبت شدند! برای برانگیختن میدان هیگز و تولید ذره هیگز بوزون باید بالغ بر ۱۲۵ گیگا الکترون ولت انرژی مصرف کرد!
اما ذرات چگونه به هنگام برهمکنش با میدان هیگز جرم دریافت میکنند؟
وقتی که شکستگی تقارن پیش می‌‌آید، میدان هیگز (به عنوان مثل A) در واقع به دو بخش تقسیم میشود، A = v + H، در اینجا v قسمت ثابت (vacuum expectation value) است و H یک میدان جدید است. از طرف دیگر وقتی که میدان کوانتومی دیگری (به عنوان مثال میدان B) با میدان هیگز برهمکنشی می‌کند، به صورت ریاضی همچین شکل و فرمی دارد: g B A, در اینجا g قدرت برهمکنش و جفت شدن میدان B با میدان هیگز A را نشان می‌‌دهد که صرفا یک عدد است و برای میدان‌های گوناگون متفاوت است، اما در اینجا بحث کلی نگهداشته میشود تا بفهمید جرم گیری ذرات خود را در کجا نشان می‌‌دهند. حال اگر در عبارت g B A به جای A که میدان هیگز است، عبارت v + H را به دلیل شکستگی تقارن قرار بدهید، به این عبارت جدید دست پیدا می‌کنید:
g B A = g B (v + H) = (g B v) + (g B H)
در اینجا میتوان g و v را به m خلاصه کرد و نوشت:
g B (v + H) = (m B) + (g B H)
عبارت m B در واقع عبارتی است که به میدان کوانتومی B که با میدان کوانتومی هیگز برهمکنش می‌کند، جرم m را می‌‌دهد، در واقع این سر منشأ جرمگیری ذره در میدان کوانتومی B از میدان هیگز می‌‌باشد!
عبارت g B H هم برانگیختگی میدان کوانتومی B را تشریح می‌کند که در نتیجه باعث پدید آمدن ذره هیگز بوزون میشود که به طور غیر مستقیم در CERN ثبت شد!
شایان ذکر است که در اینجا بنده ساختار و مکانیزم فوق پیچیده میدان‌های کوانتومی و معادلات مربوطه را برای درک بهتر از عصاره این ایده بسیار بیسار ساده نگاری کردم، اما به هر روی آنچه را که باید دانست این است که جرمدار شدن ذرات مرهون مکانیسم هیگز است که بر اثر شکستگی تقارون به وجود آمده و به سبب آن میدان کوانتومی هیگز خصوصیات منحصر به فردی پیدا می کند که در نهایت همان طور که بالا توضیح داده شد، منجر به جرم دار شدن ذرات بنیادین می شود!
در اینجا باری دیگر تاکید میشود که تنها این ذرات بنیادین هستند که بدین صورت توضیح داده شده توسط میدان هیگز جرم دار می‌‌شوند. به عنوان مثال این مکانیزم تنها باعث تولید یک درصد از جرم کل یک پروتون میشود و ۹۹ درصد جرم باقیمانده بر اساس انرژی جنبشی کوارک‌ها در درون پروتون و برهمکنش‌های بین کوارک‌ها تولید می‌‌شوند. طبق نظریه نسبیت اینشتین حتما می‌‌دانید که انرژی با جرم هم ارز است! بدین روی پروسه جرم گیری ذرات، فقط و فقط برای ذرات بنیادین هستند و ذرات دیگری که از ذرات بنیادین تشکیل می‌‌شوند، بخش عمده (۹۹ درصد) جرم خود را از طریق انرژی جنبشی و پیوند هایی که در درون خود دارند، تامین می کنند! همچنین شایان ذکر است که میدان هیگز یک میدان فراگیر، در همه جا و در همهٔ زمان‌ها حضور دارد!
در پایان باید گفت که مدل هیگز تنها یک مدل است که بر اساس فرضیه میدان‌های کوانتومی بنا نهاده شده است و با آزمایش های انجام شده در CERN تائید شده است که این مدل پیشگویی صحیح و دقیقی داشته است، این بدین معنی نیست که این مدل را خداوند بر سر بشر انداخته ا‌ند و هیچ راه دیگری برای توضیح اینکه ذرات چگونه جرم به دست می‌‌آورند وجود ندارد، اما به هر روی مدل بهتری از مدل هیگز برای توضیح این مهم تا کنون یافت نشده است و اگر هم روزی یافت بشود، باید از پایه، یعنی باید از بیخ کاملا متفاوت باشد که این دست نظریه‌ها اغلب مورد اقبال دانشمندان قرار نمیگیرند، به این دلیل که ستون‌های فیزیک که بر روی آنها فرضیه‌های دیگری قرار گرفته ا‌ند بار‌ها و بار‌ها در آزمایشات گوناگون تحت شرایط متفاوت صحت سنجی شده ا‌ند! بدین روی از مدل هیگز میتوان به عنوان یکی از مدل‌های شناخته و تائید شده که میتواند مکانیسم جرم گیری ذرات را توضیح بدهد، یاد کرد، اما این بدان معنی نیست که پروسه جرم گیری ذرات، حتما و قطعا اینگونه باید بوده باشد که این مدل میگوید، اما از آنجا که مدل پیشگویی‌هایی می‌کند که قابل تائید هستند، پس میتوان به این مدل اعتماد کرد!
