پس از اعلام کشف ذره ی هیگز در آزمایشگاه سرن، جنب و جوشی چشم گیر در رسانه های گوناگون دیده می شود. همه جا مطالب و توضیحاتی از فیزیک دانان بنام به چشم می خورد که دعوت شده اند به این که کشف ذره ی هیگز و مفاهیم فیزیکی مرتبط را برای مخاطبان خود به شیوه ای ملموس شرح دهند. اما علت این هیجان کم سابقه ی رسانه ای برخلاف موارد دیگر میل آن ها به جنجال و هیاهو نیست. کشف ذره ی هیگز از سال ها پیش یکی از مهمترین اهداف پژوهشی فیزیک، به طور عام، و فیزیک ذرات بنیادی، به طور خاص، بوده و با صرف هزینه و نیروی عظیمی دنبال شده که نشانگر اهمیت آن است. در این مقاله ابتدا سابقه ی این کشف و مفاهیم بنیادی فیزیک آن را مرور می کنیم و سپس به تبعات این دستاورد علمی در اختر فیزیک و کیهان شناسی می پردازیم. این پرسش را مطرح می کنیم که آیا با شناخت ذره ی هیگز دید ما به ساختار و تحول عالم دچار تغییر شده است؟
(16 )گیگاالکترون ولت ( ده به توان 16 GeV) اتفاق می افتد که چندین برابر بزرگ تر است از بزرگ ترین شتابگری که به دست بشر قابل ساخت باشد. آزمایشگاه مناسب برای مطالعه ی چنین انرژی بالایی، کیهان آغازین است که طبق نظریه ی مهبانگ داغ و چگال بوده است. طبق نظریه ی متعارف کیهان شناسی، عالم در زمانی به مراتب کوچک تر از یک ثانیه در چنین سطحی از انرژی به سر می برده و اثر این دوران بسیار کوتاه ممکن است تاکنون در ساختار کیهان امروزی ثبت شده باشد. مجموع نظریه نیروهای الکتروضعیف و قوی و مدل کوارک و لپتون، مدل استاندارد فیزیک ذرات و شتابگرهای بزرگ و کوچک انجام شده است. انبوهی آزمایش در فیزیک ذرات و شتابگرهای بزرگ و کوچک انجام شده است. انبوهی از ذرات پرتوهای کیهانی در گونه های بسیار متفاوتی در آشکار سازهای زمینی و فضایی دریافت و ثبت و مطالعه شده اند. تا امروز در هیچ کدام از این میلیاردها میلیارد رویداد ثبت شده اثری دیده نشده است که مدل استاندارد فیزیک ذرات را نقض کند. دقتی که در آزمایشگاه LEP برای مطالعه ی ذره z به کار گرفته شد تا حدی بود که تغییر سطح آب در دریاچه ی ژنو در مجاورت این آزمایشگاه و حتا ایستادن قطار در آن نزدیکی را از روی نیروی گرانش آن اندازه گیری می کرد. حتی با این حدود دقت هیچ شاهدی در تناقض با مدل استاندارد پیدا نشد. از این رو مدل استاندارد نظریه ای بسیار موفق محسوب می شود.
منبع: نشریه نجوم شماره 219
نگاه تاریخی
شاید بشود ابتدای این داستان را در یونان باستان بدانیم؛ وقتی دِموکریتوس/ ذیمقراطیس این تصور را مطرح کرد که ماده از اجزایی تفکیک ناپذیر تشکیل شده و آن ها را «آتُومُوس» یا به زبان امروزی «اتم» نامید. شاید هم برگردیم به پایان سده ی نوزدهم و ابتدای سده ی بیستم میلادی و کشف الکترون، نخستین ذره ی بنیادی، در آزمایش های تامسون و میلیکن، کشف هسته ی اتم و ذره پروتون در آزمایش های رادرفورد. گلچین لحظه های تاریخی در گفتن داستان علم تا حد زیادی به سلیقه ی گوینده بستگی دارد. به اعتقاد نگارنده ی این متن یکی از این رویدادهای تاریخی اختراع لامپ های خلأ به دست هیلتورف، فیزیک دان آلمانی، در نیمه ی سده ی نوزدهم بود. الکترون ها در این حباب ها ( که هوای آن در یک میدان الکتریکی تخلیه شده) از کاتد آزاد می شوند و در هنگام گذر از میدان شتاب و انرژی می گیرند و در برخورد با جداره ی حباب شیشه ای آن را به تابش وا می دارند. کشف این الکترون های شتاب گرفته که سپس پرتوهای کاتد نام گرفتند، به کشف های مهمی از جمله پرتوی ایکس منجر شد. سازوکار اصلی این اختراع، یعنی شتاب دادن ذرات باردار در میدان الکتریکی و برخوردشان، هم چنان در شتابگرهای امروزی استفاده می شود.شتابگرهای خطی
از دهه ی سوم سده ی گذشته میلادی به این سو شاهد ساخت شتابگرهای ویژه ی فیزیک ذرات و تلاش بی وقفه برای دست یابی به انرژی های هرچه بیشتر هستیم. از ابتدا این تلاش به دو گونه متفاوت شتابگر معطوف شد، شتابگرهای خطی و شتابگرهای دایره ای. در شتابگرهای خطی، ذرات با اعمال میدان های الکتریکی قوی، از ابتدا تا انتهای مسیر شتاب می گیرند و در پایان با ذراتی که به عنوان هدف تعیین شده اند برخورد می کنند. این ذرات ممکن است یا به شکل هدف ثابت در مسیر برخورد قرار بگیرند یا در نمونه های پیشرفته تر از روبه رو شتاب بگیرند و رو در رو با ذراتی که از سمت مقابل می آیند برخورد کنند. در شتابگرهای خطی ابتدا تلاش بر این بود که برای دست یابی به انرژی های بالاتر از میدان الکتریکی قوی تری استفاده شود. اختراع «ژنراتور و شتابگر وان دو گراف» با این هدف صورت گرفت. تحول بعدی در این بود که ذرات را به جای یک بار چندین بار از میدان های الکتریکی بگذرانند. برای این کار در هر عبور ذره از هر بخش شتاب دهنده جهت میدان الکتریکی باید تغییر کند. ذره باید برای شتاب گرفتن با بار الکتریکی همسو از پشت رانده و با بار مخالف از جلو کشیده شود. به محض رسیدن ذره به نزدیک ترین فاصله به بار مخالف، باید جهت میدان الکتریکی تغییر کند که کشش آن به رانش تبدیل شود وگرنه نیروی الکتریکی در جهت کاهش سرعت عمل می کند. این ویژگی ایجاب می کند که ذرات به طور ناپیوسته یا دسته دسته وارد شتاب گرفتن ذرات و افزایش سرعت آن ها، مسیری که در زمان مشخص طی می کنند بیشتر می شود. پس لازم است که در طول مسیر شتاب یا دوره ی تناوب میدان الکتریکی هم گام با معکوس سرعت ذرات افزایش یابد ( که در عمل کار مشکلی است)، یا طول مقطعی که میدان الکتریکی اعمال می شود افزایش یابد که معمولاً از روش دوم استفاده می شود. البته این استدلال تا هنگامی درست است که سرعت ذرات هنوز به نزدیکی سرعت نور نرسیده باشند و رفتار به اصطلاح کلاسیکی داشته باشند. هنگامی که سرعت ذرات هنوز به نزدیکی سرعت نور نرسیده باشند و رفتار به اصطلاح کلاسیکی داشته باشند. هنگامی که سرعت ذرات به نزدیکی سرعت نور می رسد (اگر آزمایشگاه را چارچوب مرجع بگیریم)، با شتاب دادن بیشتر به ذرات انرژی آن ها افزایش می یابد، ولی سرعت آن ها در عمل سرعت نور باقی می ماند و دیگر نیازی به افزایش طول در بخش های شتاب دهنده میدان نیست و برای رسیدن به انرژی های بالاتر کافی است تعداد مراحل شتابگر افزایش یابد. این رویداد که نسبیتی شدن ذرات نام دارد، برای ذراتی که جرم سکون شان کم تر است سریع تر رخ می دهد و به همین دلیل بسیاری از شتابگرهای خطی برای ذرات الکترون ساخته شده اند که سبک ترین ذره ی جرم دار شناخته شده در طبیعت است که هم باردار و هم پایدار است. نیاز به افزایش طول برای دستیابی به انرژی های بالاتر در شتابگرهای خطی باعث شده که این افزایش طول در عمل با هزینه های چشمگیر و نیز سایر محدودیت های عملی در ساخت تونل های کاملاً راست روبه رو شود. از این رو برای مطالعه انرژی های بالا ( که در فیزیک ذرات اهمیتی بسزا دارد) مراکز تحقیقاتی به جز شتابگرهای خطی به طراحی و ساخت شتابگرهای دایره ای نیز روی آوردند.شتابگرهای دایره ای
برای تنظیم دقیق نقطه ی برخورد و برای تنظیم حرکت ذرات در مسیر تعیین شده در هر نوع شتابگری، هدایت دقیق آن ها بسیار مهم است. همان طور که دیدیم در شتابگر خطی ذرات برای شتاب گرفتن باید به طور متناوب از میدان الکتریکی مثبت و منفی بگذرند. این اثر در شتابگرهای خطی باعث جمع شدن ذرات در امتداد مسیر حرکت شان می شود. اگر ذرات جلوتر یا عقب تر از گروه خود حرکت کنند نیروهای کشش و رانش میدان های الکتریکی به گونه ای اثر می کنند که ذرات پیش رونده کند شوند و ذرات عقب مانده شتاب بیشتری دریافت کنند و چگالی ذرات در مرکز افزایش می یابد. این اثر جمع کننده در جهت های عمود به مسیر حرکت ذرات وجود ندارد و ذرات به دلیل ماهیت کوانتومی خود تمایل به افزایش پخش شدگی خود در برش عرضی دارند. برای خنثا سازی این اثر و حتا فشردن ذرات به سوی مرکز بسته نمی توان از میدان الکتریکی شتابگر می شود. خوش بختانه می توان برای این منظور از میدان های مغناطیسی و نیروی لورنتز استفاده کرد که بر ذرات باردار در حال حرکت اثر می کند. به منظور هدایت ذرات به سمت مرکز بسته، این میدان مغناطیسی باید به شکل چهارقطبی باشد که در دو محور عمود به طور تناوبی نیروی لورنتز را بر این ذرات وارد می کند. هم چنین می توان برای هدایت ذرات در مسیر دایره ای از میدان مغناطیسی استفاده کرد. فایده ی اصلی شتابگر دایره ای در این است که ذرات می توانند مسیر دایره را بارها و بارها طی کنند و در نگاه اول برای افزایش انرژی ذرات نیازی به افزایش طول شتابگر نیست. البته برای هدایت ذرات در مسیر دایره ای باید از میدان های مغناطیسی استفاده شود. از آن جا که ذرات طبق اصل نیوتون بدون اثر چنین میدانی حرکت مستقیم دارند، این تغییر مسیر در میدان مغناطیسی شتاب محسوب می شود و شتاب داشتن ذرات باردار در قوانین ماکسول همراه با تابش الکترومغناطیسی است. بنابراین در مکان هایی که ذرات از مسیر مستقیم به سمت دیگری هدایت می شوند تابشی ایجاد می شود که تابش سینکروترون نام دارد و باعث از دست رفتن انرژی ذرات می شود. البته این اتلاف انرژی در بخش های شتاب دهنده ی شتابگر جبران می شود، اما برای دست یابی به انرژی های بسیار بالا باید انحراف از مسیر خطی به کمترین مقدار ممکن برسد. برای این منظور قطر دایره شتابگر را باید تا حد مقدور افزایش داد.شتابگر LEP گامی مهم به سوی LHC
بزرگترین شتابگری که تاکنون ساخته شده، تونل شتابگر LEP به درازای 27 کیلومتر متعلق به آزمایشگاه سرن (CERN) اروپا در مجاورت دریاچه ژنو است. سرن که در دهه ی 50میلادی به منظور انجام آزمایش های فیزیک ذرات پایه گذاری شد، به هدف جذب سرمایه های 12 دولت اروپایی که در آن مشارکت داشتند، مرکز پژوهش های هسته ای اروپا نامگذاری شد. این تونل شتابگر ابتدا برای برخورد دادن ذرات الکترون و پوزیترون ساخته شده بود و از سال 1368/1989 تا 1379/2000 با دقت بی سابقه ای به مطالعه ی ذره Z می پرداخت که قبلاً در سال 1362/1983 در شتابگر SPS کشف شده بود و منجر به اعطای جایزه ی نوبل فیزیک در سال 1363/1984 شد. ساخت شتابگر LEP پس از این کشف مهم آغاز شد و امید بسیاری از پژوهشگرانی که در این آزمایش بزرگ همکاری کردند بر این بود که ذرات جدید کشف شوند یا اثری از فیزیک جدید و ناشناخته دیده شود. گر چه این امید در شتابگر LEP با بیشینه ای انرژی 200 گیگا/ الکترون ولت (GeV) محقق نشد، اما آن چه « مدل استاندارد» ذرات بنیادی با دقت بسیار بالایی تأیید شد. از سوی دیگر بدون دستاورد های فناوری LEP راه برای طرح برخورد گر بزرگ هادرون، مشهور به LHC، هموار نمی شد. تونل 27 کیلومتری که در عمق 100 متری زمین برای طرح LEP ساخته شده بود، فقط بخشی از نیازهای پر هزینه ی طرح LHC را تأمیل می کرد. این هزینه ها به قدری سنگین است که از عهده ی یک کشور بر نمی آید و علی رغم این که LHC در خاک اروپا قرار دارد در ساخت آن بیش از 80 کشور سراسر دنیا از جمله ایران شرکت داشتند. بخشی از این هزینه ها، مانند میدان های مغناطیسی بسیار قوی که نیازمند فناوری ابررسانایی است، مربوط بود به خود شتابگر LHC و بخش دیگری مربوط به آشکارسازهای بسیار بزرگ CMS و ATLAS. همزمان با طرح ساخت LHC در اروپا، ایالات متحده نیز که اهمیت بسیار زیادی به طرح های پر آوازه قایل است، طرحی برای ساخت یک شتابگر بزرگ به نام SSC( ابر برخوردگر ابررسانا) داشت. اما کنگره ی آمریکا با توجه به هزینه های بالای SSC در نهایت ناباوریِ فیزیک پیشگانی که در این طرح کار می کردند این بار از رقابت با طرح اروپایی LHC دست کشید. ایالات متحده به ساخت شتابگر کوچک تر تواترون(Tevatron) با قطر 3/ 6 کیلومتر و انرژی بیشینه ی یک تراالکترون ولت (Tev) بسنده کرد و عرصه ی دستیابی به انرژی های بزرگ تر را به LHC واگذار کرد. البته طرح تواترون هم حرف مهمی برای گفتن داشت و کشف آخرین ذره ی کوارک در مدل استاندارد، یعنی کوارک سر (top quark)، در سال 1384/1995 در این آزمایشگاه صورت گرفت. هم چنین آزمایشگران تواترون با توجه به اعلام قریب الوقوع کشف ذره ی هیگز در آزمایشگاه سرن، دو روز زودتر تمامی شواهد غیر مستقیمی که در دستگاه های خود از وجود ذره ی هیگز دیده بودند منتشر کردند. از طرف دیگر نباید نقش LEP را صرفاً به هموار کننده ی راه برای LHC تقلیل داد. حجم عظیم و بی سابقه ای از داده ها از آشکارسازهای ALEPH,DELPHI,L3 و OPAL که در چهار دور شتابگر LEP نصب شده و پیشروی آشکار سازهای بزرگ طرح LHC بودند، به دست می آمد و می بایست به دست پژوهشگران بی شماری در مراکز و دانشگاه هایی که این داده ها را تحلیل می کردند می رسید. روش های متعارف انتقال داده و ارتباط برای این منظور کارساز نبود. به این دلیل کارشناسان سرن روش جدیدی برای انتقال داده ابداع کردند که به جای استفاده از روش رایج تماس نقطه به نقطه بین دو دستگاه با آدرس مشخص یا (ftp) File Transfer Protocol ، به کمک پروتکل (http) Hyper Text Transfer Protocol و به سهولت یکی دو بار فشردن کلید ماوس انجام می شد. با این کار شبکه ی فراگیر جهانی (WWW.World Wide Web) شکل گرفت و راه استفاده از اینترنت برای عموم کاربران باز شد. سرن مهد تولد این شبکه ی جهانی شد و این خدمت ارزنده نحوه ی ارتباطات ما و جامعه ی بشر را برای همیشه تغییر داد.
مدل استاندارد ذرات بنیادی
فیزیک در ابتدای سده ی بیستم میلادی شاهد پدید آمدن دو نظریه ی بنیادی بود که دنیای علم را متحول کرد. در کنار نسبیت عام اینشتین، دیدگاه کوانتومی به ذرات درون ماده چالشی برای علوم پایه و فلسفه و ریاضیات بود. هم چنین پیشرفت در فناوری و توان انجام آزمایش های دقیق تر و گسترده تر به خصوص در نیمه ی دوم این سده به کشف تعداد قابل توجهیه ذره ی جدید منجر شد که به غیر از چند مورد استثنایی وجودشان پیش بینی نشده بود. هدف اصلی شاخه ی نوپای فیزیک ذرات در دهه های 50 و 60 سده ی گذشته ی میلادی، آرایه ی مدلی برای توجیه و توصیف این یافته ها بود. پس از مدتی سعی و خطا و پیشنهاد مدل های مختلف سرانجام مدلی مقبولیت عام یافت که در آن پروتون و نوترون و ذرات مشابه از اجزایی بنیادی به نام کوارک تشکیل شده اند. کوارک ها برخلاف سایر ذرات شناخته شده دارای باری الکتریکی هستند که کسری از بار الکترون است. کوارک ها علاوه بر آن دارای نوعی بار جدید هستند که بار رنگی نام گرفت. متفاوت با بار الکتریکی که دارای دو حالت مثبت و منفی است، بار رنگی کوارک ها ممکن است یکی از این سه حالت را داشته باشد که برای تمایز آن ها از سه رنگ آبی و سبز و سرخ استفاده می شود. بین کوارک ها برهمکنشی بسیار قوی وجود دارد که باعث چسبیدن شان به یک دیگر در ذراتی مانند پروتون و نوترون می شود. این اثر چسبناکی از طرفی بسیار قوی تر از نیروهای الکترومغناطیسی است و برخلاف آن با افزایش فاصله افزایش می یابد. هنگام تحمیل انرژی لازم برای جدا کردن کوارک ها از یک دیگر این انرژی کوارک های جدیدی شکل می دهد. این پدیده باعث می شود که کوارک ها برخلاف سایر ذرات بنیادی هیچ گاه به تنهایی دیده نشوند. کوارک ها فقط در برخوردهایی به طور مجزا پدیدار می شوند که در آن انرژی با مقدار قابل توجهی تبادل شود و ساختار درونی پروتون و نوترون ها، و سایر ذرات متشکل از کوارک دیده شود. این خاصیت کوارک ها در زبان فیزیک ذرات، «آزادی مجانبی» نام دارد. در دیدگاه مدل کوارک، پروتون کیسه ای است حاوی 3 عدد از سبک ترین کوارک ها: دو کوارک بالا (up) با بارالکتریکی مثبت دو سوم و یک کوارک پایین (down) با بار منفی یک سوم. بر همین سیاق، نوترون نیز از 3 کوارک تشکیل شده: یک کوارک بالا و دو کوارک پایین و بار الکتریکی آن بدین ترتیب صفر است. ویژگی دیگری که در برخوردهای انرژی بالا در پروتون ها دیده می شود این است که هر کوارک حامل یک ششم تکانه ی کل ذره است. باقی تکانه ی پروتون عمدتاً در ذراتی به نام گلوئون هاست که حامل نیروی چسبانندگی بین کوارک ها هستند. مقدار کمی از تکانه ی پروتون در کوارک های سنگین تر است که وجودی مجازی در آن دارند، یعنی همواره به صورت زوج تولید و نابود می شوند. ذراتی مانند پروتون و نوترون که از سه کوارک با سه رنگ متفاوت تشکیل شده اند باریون نام دارند. انواع دیگری از ذرات کوارکی نیز وجود دارد که از دو کوارک تشکیل شده اند، یک کوارک و یک پادکوارک. این دسته از ذرات مزون نام دارند، مانند مزون پای یا پایون که در پرتوهای کیهانی به وفور دیده می شود. باریون ها و مزون ها را هادرون می نامند و چون از کوارک تشکیل شده اند دارای برهمکنش قوی از طریق تبادل گلوئون ها هستند. الکترون، پوزیترون، میون، تائون و نوترینوها برخلاف هادرون ها گونه ی متفاوتی از ذرات هستند و تا جایی که می دانیم خود بنیادی به حساب می آیند. در این ذرات برخلاف پروتون و نوترون که باریون هستند و از کوارک تشکیل شده اند، اجزا تشکیل دهنده ی ریزتر نشده است. این ذرات را لپتون می نامند و چون کوارک ندارند نیروی قوی گلوئون ها را حس نمی کنند. الکترون e- و پروتون e+ پاد ذره ی آن، میون µ- و پادمیون µ+، تائون Ʈ-، پاد تائون Ʈ+ لپتون های دارای بار الکتریکی هستند و در نتیجه در برهمکنش های الکترومغناطیسی شرکت می کنند. نوترینوها نوع دیگری از لپتون ها هستند که همان گونه که از شباهت نام شان با نوترون ها پیدا است، بار الکتریکی ندارند. بنابراین نوترینوها نه تأثیری از نیروی برهمکنش های قوی می بینند، نه الکترومغناطیسی. در دهه ی 40 میلادی که ولفگانگ پاولی وجود این ذرات را به دلیل رد پایی که در فروپاشی بتا می گذارند پیش بینی کرد نگران بود مبادا چنین ذراتی هیچ گاه قابل آشکارسازی نباشند. خوش بختانه چنین نبود و نوترینوها را در اوایل دهه ی 60 کشف کردند و برای کاشفان خود جایزه ی نوبل فیزیک را به ارمغان آوردند. نوترینوها نوع بسیار ضعیف تری از برهمکنش را با سایر ذرات ماده انجام می دهند که آن را هرچند به دشواری فراوان اما قابل آشکار سازی می کند.نیروها و تقارن های شکسته
تمامی پدیده هایی که تاکنون در طبیعت دیده شده اند، با چهار نیرو قابل توصیف هستند. از همه ملموس تر نیروی گرانش است که بر همه ی اجسام جرم دار اثر می کند. البته این نیرو در دنیای فیزیک ذرات در مقایسه با سایر نیروها بسیار کوچک و قابل چشم پوشی است. نظریه پردازان ابتدای قرن بیستم تلاش زیادی برای ارایه ی یک جمله بندی واحد برای نیروهای الکترومغناطیس و گرانش انجام دادند. این تلاش منجر به ارایه ی نظریه مشهور به کالوتزا- کلاین شد که توجه اینشتین را نیز جلب کرد. اینشتین تا پایان عمر خود در زمینه ی اتحاد نیروهای الکترومغناطیس با دیگر نیروها کار کرد بدون آن که به نتیجه رضایت بخش مطلوبش دست بیابد. با پیشرفت در دانش پدیده شناختی آزمایشگاهی و همچنین در دیدگاه نظری دو نیروی دیگر به این دو اضافه شدند. نیرو یا برهمکنشی مشهور به برهمکنش ضعیف که ابتدا به دلیل نقشی که در فروپاشی بتا در هسته های ناپایدار داشت مطرح شد. در اواخر دهه ی 60 و اوایل 70، عبدالسلام، واینبرگ و گلاشو توانستند جمله بندی مشترکی برای برهمکنش الکترومغناطیس و ضعیف ارایه دهند. سال ها پس از موفقیت بزرگ ماکسول در اتحاد الکتریسیته و مغناطیس، نخستین باری بود که در فیزیک نظری چنین پیروزی چشم گیری حاصل می شد. در این نظریه در انرژی های بالا ذرات حامل نیروی ضعیف، یعنی بوزون های +Wو W- و Z با ذره ی حامل میدان الکترومغناطیس، فوتون در تقارن به سر می برند. با کاهش انرژی تا مرز انرژی متناظر با جرم ذره های W و Z این تقارن دیگر برقرار نیست و منجر به اختلاف مشاهده شده بین نیروهای ضعیف و الکترومغناطیس می شود. پیش بینی این مدل ابتدا با دیدن برهمکنش های خنثای ذرات نوترینو در آزمایش گارگامل تأیید شد و در نتیجه جایزه ی نوبل سال 1978 به ارایه کنندگان این نظریه اعطا شد. سپس با افزایش انرژی شتابگرها، این ذرات را بی واسطه «کشف کردند» و موفقیت در تأیید این نظریه به دست آمد. با پیروی از همین الگو نظریه ی دیگری برای وحدت نیروهای قوی و الکتروضعیف مطرح شد که نظریه ی وحدت بزرگ نام گرفت. طبق پیش بینی ها نظریه ی وحدت نیروی قوی و الکتروضعیف در انرژی های از مرتبه ی
جای خالی هیگز
مدل استاندارد علی رغم موفقیت های چشمگیرش از توضیح برخی پدیده ها باز می ماند. مهم ترین این پدیده ها جرم ذرات است. در مدل استاندارد جرم تمامی ذرات صفر است و به صورت یک پارامتر آزاد که مقدار آن در آزمایشگاه تعیین می شود وارد محاسبات می شود. بسیاری از پژوهشگران چاره ی این مشکل را در راهکاری می دیدند که پیترهیگز و سایر همکاران در سال 1964 مطرح کرده بودند. در این راهکار میدان دیگری وجود دارد که بعداً میدان هیگز نام گرفت و ذرات ماده و ذرات حامل نیرو در برهمکنش با آن میدان دارای جرم می شوند. ویژگی مهم سازو کار هیگز برای جرم دادن به ذرات این بود که میدان هیگز مانند سایر بخش های نظریه ی مدل استاندارد دارای تقارنی از نوع پیوسته یا -به زبان فیزیک ذرات- پیمانه ای بود. در تشبیه با پدیده های روزمره، اگر جسمی با قرینه ی آینه ای خود تطابق داشته باشد، این تقارن گسسته محسوب می شود؛ چون کمیت بیان کننده ی این تقارن کمیتی است که مقدار آن به آهستگی قابل تغییر نیست. با بیانی دیگر یا خود جسم دیده می شود یا قرینه ی آینه ای آن و حالتی مابین این دو وجود ندارد. در مقابل اگر جسمی را دایروی یا کروی فرضی کنیم، با گرداندن آن در زاویه دل خواه شکل آن دچار تغییر نمی شود. در این مثال کمیت بیان کننده ی تقارن کروی زاویه است که کمیتی پیوسته است و دارای هر مقدار دلخواهی می تواند باشد. در نظریه های بنیادی فیزیک، چه در نسبیت عام اینشتین، چه در میدان های مدل استاندارد ذرات بنیادی چنین تقارن های پیوسته ای وجود دارد. اهمیت ساز و کار هیگز در تکمیل مدل استاندارد در این است که ذرات از طریق برهمکنش با میدانی پیمانه ای، یعنی دارای تقارنی پیوسته، دارای جرم می شوند. پس آخرین گام آزمایشگاهی برای تکمیل مدل استاندارد یافتن ذره ی هیگز دز آزمایش های پر انرژی بود که اکنون در آزمایشگاه سرن به وقوع پیوسته است.فراتر از هیگز
در نظریه ی وحدت بزرگ مشکل مهمی وجود دارد. با افزایش انرژی، انتظار می رود با رسیدن به آستانه ی انرژی تقارن در نقطه ی وحدت بزرگ، شدت برهم کنش های قوی و ضعیف و الکترومغناطیس یکی شود. در حالتی که فیزیک صرفاً از مدل استاندارد پیروی کند شدت این سه برهمکنش با انرژی تغییر می کند، ولی تقاطع هر یک از آنها با دیگری در نقطه ای متفاوت اتفاق می افتد، یعنی وحدت بزرگ آستانه ی مشخصی ندارد. برای رفع این مشکل در فیزیک نظری راه حل دیگری وجود دارد به نام اَبَر تقارن. در نظریه ی ابر تقارن تمامی ذرات دارای ذره ی ابر تقارنی متناظر خود هستند. جرم این ذرات ابر تقارنی به دلیل شکست تقارن در انرژی های پایین از جرم ذرات شناخته شده بسیار بزرگ تر است. از سوی دیگر طبق مدل های ابر تقارنی کم جرم ترین ذره ابر تقارنی ممکن است ذره ای پایدار باشد. اگر چنین ذره ای با بار الکتریکی صفر وجود داشته باشد این ذره ی غیر باریونی می تواند نامزد بسیار خوبی برای ماده ی تاریک غیر باریونی باشد. یکی از مسئله های مهم کیهان شناسی ناشناخته بودن سهم عمده ای از چگالی انرژی عالم است. آخرین اندازه گیری های انجام شده در کیهان شناسی رصدی، با استفاده از روش های بسیار دقیق و متنوعی انجام شده از جمله: تابش زمینه ای کیهان، منحنی نوری ابر نواخترهای نوع Ia، نوسان در طیف توان ساختارهای بزرگ مقیاس، مشهور به نوسان های آکوستیکی باریون ها. تصویری که از این روش متفاوت به اتفاق حاصل می شود، حضور انرژی اریک با 73 درصد از چگالی انرژی عالم، ماده ی تاریک غیر باریونی با 24 درصد و ماده ای از نوع باریونی با فقط 5/ 4 درصد از چگالی انرژی عالم است. اگر وجود ذرات ابر تقارنی در آزمایشگاه LHC تایید می شد، کم جرم ترین آن ها، یعنی نامزد ماده تاریک غیر باریونی نیز با احتمال خوبی به دست می آمد. تاکنون اثر مستقیمی از ذرات ابر تقارنی دیده نشده است. از سوی دیگر اگر ابرتقارن در طبیعت وجود داشت، طبق برخی از مهم ترین مدل های ابر تقارن، ذره ی هیگز نیز می بایست به صورت یک حالت دوتایی ظاهر می شد. البته که با اندک بودن داده های کنونی برای رد چنین حالتی خیلی زود است، اما می توان باز به زبان رایج در فیزیک ذرات گفت که داده های کنونی از چنین سناریویی حمایت نمی کنند.منبع: نشریه نجوم شماره 219
