یک هیگز عجیب می‌تواند عامل غیب شدن پادماده جهان باشد

می‌توان گفت زمانی‌که جهان بسیار جوان بود، تقریبا همه‌ی پاد‌ماده‌ی خود را از دست داد و تنها ماده‌ی معمولی به جا ماند. مدت‌ها است که نظریه‌پردازان توضیحی گیج‌کننده برای این معما ارائه داده‌اند و سعی دارند این توضیح را مورد آزمایش قرار دهند.

در حال حاضر، یک گروه سه نفره از دانشمندان، یک گروه سه‌تایی از ذرات به‌نام بوزون‌ها‌ی هیگز را معرفی کردند که این ذرات می‌توانند مسئول غیب شدن مرموز پاد‌ماده از پهنه‌ی جهان باشند. گروه دانشمندان بر این عقیده هستند که می‌توانند ذرات متهم به ازبین‌بردن پاد‌ماده را پیدا کنند.

تقریبا در همه‌ی بر‌هم‌کنش‌ها‌ی میان ذرات بنیادی، ماده و پاد‌ماده (ماده‌ای که شبیه ماده‌ی معمولی بوده و تنها بار آن متفاوت است) به یک میزان تولید می‌شوند. به‌نظر می‌رسد که این یک تقارن بنیادی حاکم بر جهان باشد. با این حال، هنوز هم وقتی از بیرون به جهان نگاه می‌کنیم، باز به‌سختی اثری از پاد‌ماده می‌بینیم. تا جایی که فیزیکدان‌ها می‌دانند، به‌ازای هر ذره‌ی پاد‌ماده‌ای که هم‌اکنون در جهان دیده می‌شود، میلیارد‌ها ذره‌ی ماده‌ی معمولی در سراسر کیهان وجود دارد.

این معما نام‌ها‌ی زیادی پیدا کرده است؛ از جمله: مسئله‌ی عدم تقارن (asymmetry problem) و عدم تقارن باریونی (baryon asymmetry). از نام که بگذریم، به هر حال این مسئله‌ای است که فیزیکدان‌ها را گیج کرده است. تا‌کنون هیچ‌کس نتوانسته یک توضیح منسجم و کامل برای مسئله‌ی چیرگی میزان ماده بر پاد‌ماده در جهان ارائه کند. از آنجایی که کار فیزیکدان‌ها توضیح چگونگی کارکرد جهان است، این مسئله کم‌کم آزاردهنده شده است.

با این حال، طبیعت کلید‌ها‌یی برای حل این معما برای ما باقی گذاشته؛ برای مثال، هیچ اثری از میزان زیادی پاد‌ماده در امواج پس‌زمینه‌ی کیهانی (حرارت باقی‌مانده از انفجار بزرگ در آغاز جهان) وجود ندارد. این نشان می‌دهد که احتمالا از بین رفتن پاد‌ماده‌‌ها به جهان اولیه مربوط می‌شود و جهان اولیه پر از اغتشاش بوده است. فیزیک جهان اولیه بسیار پیچیده بوده است و به میزان بسیار کمی از آن را می‌دانیم. پس اگر قرار بر جداشدن ماده و پاد‌ماده بوده، لحظات آغازین جهان، بهترین وقت برای این کار بوده است. 

بهترین زمان برای غیب‌شدن پاد‌ماده، هنگام آغاز پرهیاهوی جهان است؛ زمانی‌که نیرو‌ها‌ی طبیعت شروع به جداشدن کردند و کیهان کم‌کم رو به سردی رفت. 

در انرژی‌ها‌ی بالا (مانند شرایط ایجادشده در برخورددهنده‌ها‌ی ذرات)، قدرت نیرو‌ها‌ی الکترومغناطیس و نیرو‌ی هسته‌ای ضعیف با یکدیگر جمع می‌شوند و نیروی جدیدی به‌نام نیروی الکترو‌ضعیف ایجاد می‌کنند. زمانی‌که همه‌جا و همه‌چیز سرد شود و به حالت عادی همیشگی برسد، نیرو‌ی الکترو‌ضعیف دوباره به دو نیرو‌ی جداگانه‌ی الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف شکسته می‌شود.

تصور بر این است که در انرژی‌ها‌ی حتی بالا‌تر، برای مثال در شرایط اولیه‌ی جهان هستی، درست بعد از انفجار بزرگ، نیرو‌ی هسته‌ای قوی و نیروی الکترو‌ضعیف با یکدیگر ادغام شده بودند؛ و باز هم در انرژی‌ها‌ی بالا‌تر، گرانش به این جمع اضافه می‌شود و یک نیرو‌ی واحد را شکل می‌دهد. اما هنوز نمی‌دانیم که گرانش چگونه به این جمع وارد می‌شود.

وجود بوزون هیگز در دهه‌ی ۱۹۶۰ پیشنهاد شد و در سال ۲۰۱۲ در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی کشف شد. این ذره نیرو‌ی الکترومغناطیس را از نیرو‌ی هسته‌ای ضعیف جدا می‌کند. فیزیکدان‌ها مطمئن هستند که جداشدن ماده و پاد‌ماده قبل از جداشدن نیرو‌ها و پیداکردن ماهیت مستقل از یکدیگر اتفاق افتاده است. دلیل اطمینان فیزیکدان‌ها از این موضوع این است که ما درک واضحی از فیزیک جهان پس از جداشدن ماده و پاد‌ماده داریم و اضافه‌شدن میزان زیادی پاد‌ماده در لحظات بعدی، مشاهدات مربوط به تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی را نقض می‌کند.

به‌ این صورت، ممکن است بوزون هیگز در این داستان نقشی داشته باشد.

اما هیگز به‌خودی خود نمی‌تواند باعث این عدم توازن شده باشد. هیچ مکانیزم شناخته‌شده‌ای بر این مبنا وجود ندارد که نشان دهد هیگز به‌تنهایی باعث عدم تعادل میان مقدار ماده و پاد‌ماده‌ی جهان شده است. 

خوشبختانه داستان هیگز به اینجا ختم نمی‌شود. فیزیکدان‌ها در آزمایش‌ها‌ی برخورد ذرات، ذره‌ی هیگزی با جرم حدود ۱۲۵ میلیارد الکترون ولت (Gev) پیدا کرده‌اند. برای درک بهتر از بزرگی این عدد، باید بدانید که جرم پروتون حدود ۱ میلیارد الکترون ولت (Gev) است. به‌نظر می‌رسد که هیگز نباید تنها باشد.

به‌طور کلی ممکن است بوزون‌ها‌ی هیگز سنگین‌تری در اطراف ما وجود داشته باشد که تا‌کنون نتوانسته‌ایم در آزمایش‌ها آن‌ها را شناسایی و آشکار‌سازی کنیم. در حال حاضر، این هیگز‌ها‌ی سنگین در فیزیکی که در برخورد‌دهنده‌ها به آن دسترسی داریم، شرکت نمی‌کنند. ما انرژی لازم را برای فعال‌کردن آن‌ها نداریم؛ اما در لحظات اولیه‌ی شکل‌گیری جهان، زمانی‌که انرژی بسیار زیاد بوده، ممکن است این هیگز‌ها‌ی سنگین فعال شده باشند و باعث عدم تعادل در بعضی از بر‌هم‌کنش‌ها‌ی میان ذرات بنیادی شده باشند. همین اتفاق منجر به عدم تقارن فعلی میان ماده و پاد‌ماده شده است.

بنابر‌این، طوفان ماده‌ی معمولی می‌تواند پاد‌ماده را نابود کرده باشد و از آن‌ها سیلی از تابش باقی گذاشته باشد. در این سناریو، به اندازه‌ی کافی ماده‌ی معمولی باقی می‌ماند تا جهان امروز ما را شکل دهد؛ همان ماده‌ای که ما امروزه می‌بینیم و به آن عادت کرده‌ایم.

فیزیکدان‌ها برای کارکرد این تئوری سه ذره‌ی هیگز پیشنهاد کردند که یکی از آن‌ها شناخته‌شده و دو ذره‌ی دیگر، ناشناخته هستند. هر کدام از این دو ذره‌ی ناشناخته، جرمی در حدود ۱۰۰۰ Gev دارد. این جرم کاملا به‌صورت دلخواه تعیین شده است؛ اما به این منظور در نظر گرفته شده که در نسل بعدی برخورد‌دهنده‌ها‌ی ذرات، قابل کشف باشد. پیش‌بینی وجود ذره‌ای که هیچ‌گاه نتوانیم آن را آشکار‌سازی کنیم، فایده‌ای ندارد.

سپس فیزیکدان‌ها با چالش رو‌به‌رو می‌شوند. هر مکانیزمی که باعث عدم تقارن شود، باید نسبت میزان پاد‌ماده به ماده را یک به یک میلیارد کند و زمان برای این کار در جهان اولیه بسیار کوتاه بوده است. زمانی‌که نیرو‌ها جدا شدند، این فرایند نیز به اتمام رسیده و فیزیکی که امروزه می‌شناسیم، شکل گرفته است. مورد دیگر اینکه، مکانیزم مورد نظر که دو ذره‌ی هیگز جدید را شامل می‌شود، باید قابل آزمایش باشد.

جواب کوتاهی که می‌توان به این چالش‌ها داد، بدین صورت است که این ذرات هیگز زمان لازم برای انجام فرایند مذکور را داشته‌اند. مسلما این فرایند، بسیار پیچیده است اما تئوری غالب و کلی از این قرار بوده که دو ذره‌ی هیگز جدید، با سرعت‌ها‌ی کمی متفاوت از یکدیگر، به سیلی از ذرات دیگر واپاشی می‌کنند. نرخ تبدیل پاد‌ماده به ماده برای هر‌ کدام از این دو ذره متفاوت است. این اختلاف در نرخ تبدیل پاد ذره به ذره به‌مرور زمان شکل می‌گیرد و زمانی‌که نیرو‌ی الکترو‌ضعیف از سایر نیرو‌ها جدا می‌شود، تفاوت چشم‌گیری بین میزان ماده و پاد‌ماده‌ی جهان شکل گرفته و فرایند غلبه‌ی ماده بر پاد‌ماده به پایان می‌رسد.

این داستان، مسئله‌ی عدم تقارن باریونی را حل می‌کند اما سریعا منجر به سوالاتی می‌شود. از جمله اینکه طبیعت با این همه بوزون هیگز چه می‌کند. باید مسائل را یکی یکی حل کرد.