جسيمات هيغز, المصادم الهايدروني الكبير و مستقبل الفيزياء الأولية النظرية

[ع ع 0]

الآن بعد ان اصبح في المكان الوصول الي طاقات اعلي من هذا بكثير بواسطة المصادم الهايدوني الكبير فان الكثيرين يأملون في اكتشاف اخر الجسيمات التي تنبأ بها النموذج المعياري و التي لم تكتشف بعد و هي بوزونات هيغز والتي يعتقد انها ذات كتلة تفوق حتما 170 جيغاالكترون فولط ولكن يجب ان تقل عن 1000 جيغا الكترون فولط حتي يحافظ النموذج القاعدي علي انسجامه الرياضي المتمثل في احادية النظرية. هذه الجسيمات افترض وجودها بيتر هيغز واخرون في العام 1964 و وجودها يفسر الفرق بين الفوتون ف المسؤول عن وساطة الظواهر الكهرومغناطيسية و البوزونات الضعيفة w,+ w-و z المسؤولة عن وساطة التفاعلت النووية الضعيفة كما ان وجودها يفسر كيف تحصل باقي الجسيمات الأولية علي كتلها.

اكتشاف بوزونات هيغز هو اذن اهم اهداف المصادم الهايدروني الكبير الذي تم تشغيله حديثا لكن هناك ظواهر اخري يمكن ان تصبح ايضا مرئية عند بلوغ الطاقات العليا التي ينتجها المصادم الهايدروني اذكر منها فقط امكانية اكتشاف التناظرات الممتازة, البعاد الزائدة, المادة السوداء و الطاقة السوداء و كذلك الثقوب السوداء الأولية. فيما يلي سنناقش في عجالة التجاهات الخاصة بالتناظرات الممتازة و الأبعاد الزائدة ثم نرجع و نركز مع بعض التفصيل علي بوزونات هيغز و اهميتها المحورية للفيزياء الولية و دور المصادم الهايدروني الكبير.

 

التناظرات الممتازة كما يدل اسمها هي تناظرات غير عادية تختلف اختلافا جذريا عن تناظرات

الفضاءزمن الأخرى مثل الدورانات والانسحابات و تحويلت لورنز النسبية لانها تعتمد علي تحويلات نقطية ذات وسائط فرميونية عكس التناظرات الأخرى جميعا التي تكون تحويلتها النقطية ذات وسائط بوزونية. الوسائط البوزونية هي دوال مركبة عادية اما الوسائط الفرميونية فهي دوال مركبة غراسمانية أي ضدتبديلية. هذا يعني بالخصوص ان ضرب دالتين غراسميتين ببعضهما البعض يتعلق بترتيب الدالتين فضرب الدالة الولي في الدالة الثانية يساوي الي ناقص ضرب الدالة الثانية في الأولي عكس ما يحدث مع الدوال المركبة العادية. اهم توقعات التناظرات الممتازة هو وجوب وجود بوزون ممتاز مرافق لكل فرميون عادي ووجوب وجود فرميون ممتاز مرافق لكل بوزون عادي بين الجسيمات الولية أي ان التناظر الممتاز يربط بين البوزونات و الفرميونات و هذا امر ليتوفر في أي مكان اخر في عالم الجسيمات الولية.لكن المشاهد هو ان التناظرات الممتازة غير متحققة بالكامل في الطبيعة مما دفع الفيزيائيين النظريين الي الاعتقاد انها يجب ان تكون منكسرة انكسارا تلقائيا بميكانيزم معين يبقي غير معروف بالضبط. سنناقش مفهوم النكسار التلقائي للتناظربتفصيل اكثر لما نتكلم علي بوزونات هيغز. المهم هو ان هذا النكسار التلقائي يؤدي الي اكتساب الجسيمات الممتازة و هي الجسيمات المرفقة بالجسيمات العادية عبر التناظرات الممتازة الي كتل في حدود الطاقات التي سوف ينتجها المصادم الهايدروني الكبير و بالتالي امكانية مشاهدتها في التجارب الحالية.

 

النقطة الأخرى تخص الأبعاد الزائدة وتتلخص في التي. المعروف ان هناك اربعة ابعاد مرئية للفضاءزمن هي الطول و العرض و الارتفاع و الزمن. لكن عند توحيد قوة الجذب الثقالية و باقي القوي الكونية في نظرية كمية واحدة هي نظرية الاوتار لممتازة نجد ان مجموع ا بعاد الفضاءزمن هو في الواقع يساوي عشرة و ليس اربعة. احد الاسئلة المطروحة في التجارب الجارية في المصادم الهايدروني الكبير هو هل فعل الفضاءزمن لديه اكثر من اربعة ابعاد و اذا كانت الجابة بنعم فلماذا لانراها مباشرة مثل ما نري الابعاد العادية من طول و عرض و ارتفاع و زمن.

الاجابة عن هذا السؤال ليست مهمة فقط بالنسبة الي نظرية الوتار الممتازة لكن هي مهمة بالنسبة الي مجمل الفيزياء الاولية لاسباب عديدة اخري ليس هنا المكان الملائم للدخول في تفاصيلها.

حتي نتمكن من فهم ماهية جسيمات هيغز علي وجه مرض نبدأ اول بعرض موجز جدا لفيزياء الجسيمات الاولية. الجسيمات الاولية تقسم حسب خصائصها الي صنفين اساسيين. الصنف الاول هي الكواركات و الصنف الثاني هي اللبتونات كل منها تاتي في ست عائلت مختلفة بالاضافة الي اضدادها. من الكواركات تتشكل الهايدرونات و هي الجسيمات التي يتم تسريعها في المصادم الهايدروني الكبير وهي نوعان الباريونات مثل البروتون و النوترون و الميزونات مثل البايون. الفرق بين الباريونات و الميزونات هو ان الاولى تتشكل من ثلاث كواركات اما الميزونات فتتشكل من كوارك و كوارك مضاد. تعرف الكواركات المختلفة بالاسماء الاصطلاحية الشاعرية الواقف, الجالس, الغريب, الجميل, الفاتن و العلي اما اضدادها فتعرف بالواقف المضاد, الجالس المضاد و هكذا. ياتي كل كوارك او كوارك مضاد في ثلث الوان مختلفة هي اصطلاحا الاحمر و الاخضر و الازرق بالنسبة الكواركات واضدادهذه الالوان بالنسبة الي الكواركات المضادة و هي ليست الوان حقيقية لكن تعبر عن بعض الخصائص الكمية لهذه الكواركات ناجمة عن تفاعلتها النووية المتينة. النوع الكبير الاخر من الجسيمات الاولية هي اللبتونات و اهم اللبتونات هو الالكترون الجسيم الشهر و القدم اكتشافا بين الجسيمات الاولية علي الاطلق. هناك ايضا الميون و الطاوون و ثلث انواع من النيترينوات هي النيترينو الالكتروني و الميوني و الطاووني. اللبتونات علي عكس الكواركات لتشعر علي الاطلاق بتأثير القوة النووية المتينة و علي هذا فهي لتحمل العدد الكمي اللوني كما تحمله الكواركات.

المادة تتشكل فقط من الكواركات و اللبتونات و تتميز كلها بسبين اي عزم حركي ذاتي يساوي نصف و علي هذا فهي تسمي فرميونات. بصفة عامة الفرميون هو كل جسيم يحمل سبين يساوي نصف عدد طبيعي.

 

اذن الفرق الاساسي بين الهايدرونات التي تتكون من كواركات و اللبتونات هو في قدرة الهايدرونات علي التفاعل عبر القوة النووية المتينة التي لتشعر بها اللبتونات علي الاطلاق. اللبتونات يمكنها ان تتفاعل فقط عبر القوة الكهرومغناطيسية او القوة النووية الضعيفة او قوة الثقالة. الهايدرونات زيادة علي هذه القوي الثلاث فانها تتفاعل كما قلنا عبر القوة النووية المتينة. اذن هناك اربع قوي اساسية في الكون توصف رياضيا بنظريات مجالات تسمي النظريات المعيارية. تتوسط تأثيرات هذه

القوي بين مختلف الكواركات و اللبتونات التي هي الجسيمات المؤسسة للمادة جسيمات اولية اخري تسمي البوزونات المعيارية التي ترافق المجالات المعيارية لهذه القوي. النظرية المعيارية تعتمد علي فكرة اساسية مفادها ان تفاعلات الجسيمات فيما بينها عبر مختلف القوي تتم بتبادل جسيمات تسمي البوزونات المعيارية. عندما يتجاذب جسمان ثقاليا او كهربائيا فان الذي يحدث في الواقع حسب النظريات المعيارية هو انهما يتبادلن فيما بينهما بوزونات معيارية هي الغرافيتونات غ في حالة الثقالة و الفوتونات ف في حالة الكهرباء حيث ان احد الجسمين يصدر هذه البوزونات اما الاخر فانه يقوم بامتصاصها.هذه الصورة تنسحب علي كل التفاعلات الكونية بدون استثناء حسب نظريات المجالات المعيارية.تتميز الجسيمات الناقلة لتاثير القوي او البوزونات المعيارية بسبين او عزم حركي ذاتي يساوي واحد بالنسبة الي القوة الكهرومغناطيسية و القوي النووية المتينة و الضعيفة اما بالنسبة الي قوة الثقالة فالسبين يساوي الي اثنين و هذا هو سبب تسميتها ببوزونات علي العكس من الكواركات و اللبتونات التي هي عبارة عن فرميونات لن سبينها يساوي نصف.

 

البوزون المعياري الناقل للقوة الكهرومغناطيسية هو الفوتون و تصف تفاعلته مع المادة نظرية الديناميك الكهربائي الكمي التي هي عبارة عن نظرية مجالات معيارية تبديلية. القوة النووية الضعيفة تنقلها ثلاث بوزونات معيارية هي بالضبط w,+ w-وz التي ذكرناها سابقا. هذه الجسيمات الثلاث مشابهة تماما للفوتون و يمكن اعتبارهم و الفوتون مظاهر مختلفة لنفس البوزون المعياري .

بالفعل فانه يمكن وصف كل القوي الكهرومغناطيسية و كل القوي النووية الضعيفة بنظرية مجالات معيارية واحدة لكنها غير تبديلية تعرف باسم النظرية الكهرو الضعيفة تصف قوة واحدة هي القوة الكهروضعيفة و تكون فيها البوزونات المعيارية الناقلة لهذه القوة هي بالضبط w,+ w,-z و الفوتون. في هذه النظرية الكهروضعيفة يتم توحيد التفاعلت الكهرومغناطيسية و التفاعلت النووية الضعيفة في قوة واحدة هي التفاعلت الكهروضعيفة. يبقي ان نذكر ان القوة النووية المتينة تنقلها ثمانية بوزونات معيارية تسمي الجليونات او الغرويات لانها تعمل مثل الغراء علي لصق الكواركات بشدة فيما بينها لتشكيل الهايدونات و توصف هذه البوزونات المتينة ايضا بنظرية مجالت معيارية غير تبديلية تسمي الديناميك اللوني الكمي و هي نظرية تختلف عن النظرية المعيارية الكهروضعيفة في كونها نظرية غير اضطرابية في جوهرها و هذا يعني انه الي غاية اليوم لم يمكن دراستها بطريقة مرضية ال باستعمال الديناميك اللوني الكمي الشبكي الذي يعتمد علي استعمال المحاكاة و الحساب العددين . الديناميك الكهربائي المعياري يحتوي علي نوع واحد من الشحنة هو الشحنة الكهربائية الموجبة بالاضافة الي ضدها التي هي الشحنة الكهربائية السالبة و هذا هو سبب كون النظرية المعيارية في هذه الحالة نظرية تبديلية. اما الديناميك اللوني الكمي فانه يحتوي علي ثلاث انواع من الشحنة النووية المتينة هي بالضبط اللوان التي ذكرناها انفا و اضدادها هناك ايضا نوعان من الشحنة النووية الضعيفة و ضديهما في النظرية الكهروضعيفة و هذا سبب كون الديناميك الكوني اللوني و كذلك النظرية الكهروضعيفة نظريات معيارية غير تبديلية.

 

حتي نلخص ما قلناه الي حد الآن نذكر ان الجسيمات الولية من كواركات و لبتونات و تفاعلاتها الكهرومغناطيسية و النووية المتينة والنووية الضعيفة توصف رياضيا و تفهم فيزيائيا باستعمال النظرية الكهروضعيفة و الديناميك اللوني الكمي و مجموع هاتين النظريتين هو ما يعرف باسم النموذج القاعدي لفيزياء الجسيمات الولية الذي يوحد القوة الكهروضعيفة مع القوة النووية المتينة. لنلحظ غياب قوة الجذب الثقالي عن هذه الصورة الموحدة بسبب عدم توفر نظرية معيارية كمية للثقالة علي

غرار باقي القوي لكن من حسن الحظ فانه في غالب الحوال تكون قوة الجذب الثقالية مهملة امام القوي الاخري عند مستوي الطاقات المتوفرة في المسرعات الموجودة حاليا و اكبرها المصادم الهايدروني الكبير.

 

النموذج القاعدي لفيزياء الجسيمات يحتوي ايضا علي بوزونات هيغز التي لم نناقش الي حد الآن الدور الذي تلعبه في كل هذا. هذه البوزونات الهيغزية مع الكواركات و اللبتونات و البوزونات المعيارية تشكل مجموع الجسيمات الاولية أي الجسيمات الغير قابلة للنشطار الموجودة في النموذج القاعدي. كما قلنا الكواركات و اللبتونات ذات سبين نصف, البوزونات المعيارية ذات سبين واحد اما بوزونات هيغز فهي ذات سبين يساوي صفر وبذلك فهي الجسيم الاولي الوحيد الذي ليس له عزم حركي ذاتي. الفرق الثاني و هو الهم بين بوزونات هيغز و باقي الجسيمات الاولية هي في كونها الوحيدة التي بقيت افتراضية لم تكتشف بعد و اكتشافها يبقي الهدف الاول للمصادم الهايدروني الكبير. دعنا نقول هنا ان الكواركات ايضا ليمكن مشاهدتها مباشرة في الطبيعة لكن هذا ليعني عدم وجودها او الشك في وجودها لن عدم وجود كواركات حرة في الطبيعة هو راجع الي ظاهرة الحبس اللوني احد اعقد الخواص الكمية الغير اضطرابية للقوة النووية المتينة و التي مازالت تحتاج

الي برهان رياضي كامل و مرض انطلقا من الديناميك اللوني الكمي . حتي نرجع الي موضوع بوزونات هيغز فان وجود هذه الجسيمات ما زال بالفعل افتراضيا ضف الي ذلك انه ليوجد من الناحية النظرية أي مانع او عائق مبدئي لرؤية هذه الجسيمات في التفاعلت التي ستحصل في المصادم الهايدروني الكبير لن كتلة هذه البوزونات هي بين 200 و 1000 جيغاالكترون فولط كما يتنبأ بذلك النموذج القاعدي.

 

ضرورة وجود هذه الجسيمات هي حاسمة بالنسبة الي النموذج القاعدي لنها هي التي تعطي كتلة الي البوزونات المعيارية الضعيفة w,+ w-وzمما يجعل هذه الخيرة تختلف عن الفوتون و منه ينتج الاختلاف الكبير الذي نراه في الطبيعة بين التفاعلات النووية الضعيفة و التفاعلات الكهرومغناطيسية. حسب النظرية المعيارية الكهروضعيفة فانه ليوجد أي فرق بين البوزونات المعيارية الضعيفة المسؤولة عن التاثيرات النووية الضعيفة بين الجسيمات الاولية و بين الفوتون المسؤول عن نقل التاثيرات الكهرومغناطيسية و هذا سر توحيد التفاعلت الكهرومغناطيسية مع التفاعلت النووية الضعيفة في النظرية الكهروضعيفة. هذا التوحيد يعتمد بشكل محوري علي تناظر معياري غير تبديلي مبني علي الزمرة الغيرتبديلية الاحادية ذات البعد الثاني و لهذا يسمي هذا التناظر بالتناظر الاحادي الثاني. هذا التناظر يجب ان يتميز به اللاغرانجي وهو الدالة الطاقوية التي تعبر عن ديناميكية النظرية المعيارية الكهروضعيفة و كذلك يجب ان تتميز به الحالة الاساسية للجملة المعيارية الكهروضعيفة لو لم يكن هناك جسيمات هيغز. النظرية الكهروضعيفة كونها نظرية معيارية هي عبارة عن نظرية مجالات و التناظر المعياري الذي تتميز به ينعكس ايضا علي هذه المجالات و علي هذا الاساس فان المجالت الكمية الكهرومغناطيسية و المجالت الكمية النووية الضعيفة تشكل مع بعضها البعض ما يسمي بالتمثيل المرافق للزمرة المعيارية الحادية الثانية. اذن لو لم تكن بوزونات هيغز موجودة فعل فان هذا التناظرالمعياري بين المجالت الكهرومغناطيسية و المجالات الضعيفة هو دقيق تماما وبالتالي تكون البوزونات المعيارية المرافقة للمجالات الكمية الكهرومغناطيسية والنووية الضعيفة متساوية الكتلة و كتلتها تساوي الصفر. لكن الذي نراه في الطبيعة هو ان الفوتون هو البوزون المعياري الوحيد الذي ليس له كتلة اما البوزونات المعيارية الثلاثة الاخرى w,+ w-وz فكتلها كبيرة جدا اكبر حتي من كتلة البروتون و هي تقارب 100 جيغا الكترون فولط. هذا الاختلاف بين كتل هذه البوزونات المعيارية هو مرتبط بشكل عضوي بالاختلاف الذي نلحظه في الطبيعة بين المجالت الكهرومغناطيسية و المجالت النووية الضعيفة فمثل شدة التفاعلات الكهرومغناطيسية هي اكبر بحوالي 100 مليار مرة من شدة التفاعلت النووية الضعيفة.

كذلك من الفروق الصارخة بين الكهرومغناطيسية و النووية الضعيفة ان مجال تأثير التفاعلت النووية الضعيفة ليتعدي الابعاد النووية بعدها يتضاءل تأثير هذه القوي بسرعة و ينعدم تماما لكن تأثير التفاعلات الكهومغناطيسية هو ابعاد الكون نفسه و هذا الاختلاف الشديد راجع ايضا الي كتلة البوزونات المعيارية الضعيفة الغير منعدمة.

كل هذه الاشياء تعني ان التناظر المعياري بين المجالات الكهرومغناطيسية و المجالات النووية الضعيفة لايمكن ان يكون الا تقريبيا و بالتالي فان هذا التناظر هو في حقيقته مكسور لكن بشكل يبقي علي تناظر اللاغرانجي الذي يعبرعن ديناميكية النظرية المعيارية الكهروضعيفة و فقط الحالة الاساسية للجملة الكهروضعيفة تفقد تناظرها. هذا النوع من الكسر للتناظر يسمي الكسر التلقائي للتناظر و هو اكثر من ضروري للحفاظ علي تناسق و انسجام النظرية المعيارية الكهروضعيفة المتمثل

بالخصوص في وجوب الحصول علي نظرية احادية و قابلة للتنظيم.ابسط الطرق للحصول علي كسر تلقائي للتناظر المعياري الحادي الثاني للتفاعلات الكهروضعيفة بالشكل الذي ذكرناه انفا هو اضافة بوزونات هيغز الي النموذج القاعدي. نجد مباشرة ان وجود هذه البوزونات الهيغزية سوف يؤدي بصورة طبيعية الي وقوع ما يسمي ميكانيزم هيغز للكسر التلقائي للتناظر مع كل النتائج المرجوة منه مثل اكتساب البوزونات المعيارية الضعيفة لكتلة مع الحفاظ علي الفوتون بدون كتلة وايضا حدوث كل الاختلافات المشاهدة في الطبيعة بين القوي الكهرومغناطيسية و النووية الضعيفة علي الرغم انه علي مستوي اللغرانجي فان التناظر بين التفاعلات الكهرومغناطيسية و النووية الضعيفة يبقي دقيقا. اذن الفرق بين الكسر المباشر للتناظر و الكسر التلقائي الذي تتسبب فيه بوزونات هيغز هو انه في الحالة الثانية لانفقد التناظر علي مستوي الدالة الطاقوية و هذا ضروري للحصول علي نظرية احادية قابلة للتنظيم وهو ايضا يعني انه من الناحية الذاتية يوجد بالفعل تناظر بين القوي كهرومغناطيسية و النووية الضعيفة و الفروق المشاهدة بينهما في الطبيعة هي راجعة بالكامل الي الكسر التلقائي للتناظر بسبب بوزونات هيغز. وجود البوزونات الهيغزية يؤدي ايضا الي اكتساب مختلف الفرميونات الاساسية في النموذج القاعدي مثل الكواركات واللبتونات كتلها المعروفة عبر نفس الميكانيزم أي الكسر التلقائي للتناظر المعياري. المجالت التي تصف الكواركات و اللبتونات في اللاغرانجي الاساسي للنموذج القاعدي تاتي كلها بدون كتلة وتفاعلتها مع بوزون هيغز توصف بما يسمي ارتباط يوكاوا الذي هو احد الحدود الموجودة في اللغرانجي. هذا الحد بعد الكسر التلقائي للتناظرالمعياري يصبح بالضبط الحد الذي يصف كتل الفرميونات من كواركات و لبتونات.

 

حتي نقف عند هذا الحد نلخص و نقول ان البوزونات الهيغزية هي اخر الجسيمات الاولية الافتراضية في النموذج القاعدي للجسيمات الاولية التي يعد اكتشافها الهدف الاول للتجارب الجارية الان في المصادم الهايدروني الكبير الذي بدأ العمل به في 10 سبتمبر 2008.هذه الجسيمات تلعب دورا حاسما في النموذج القاعدي بالنسبة الي التفاعلت الكهرومغناطيسية و النووية الضعيفة لانها هي المسؤولة عن كسر التناظر المعياري الحادي الثاني بين المجالت الكمية الكهرومغناطيسية و النووية الضعيفة بصورة تلقائية و اعطاء كتل مختلفة عن الصفر للبوزونات المعيارية الضعيفة. لن الفوتون و هو البوزون المعياري المسؤول عن التفاعل الكهرومغناطيسي يبقي دائما بدون كتلة فان التناظر المعياري الحادي الثاني عندما ينكسر تلقائيا بسبب الهيغز فانه يخلف وراءه التناظر المعياري الاحادي الاول المرفق بهذا الفوتون.هذا التناظر يعتمد علي الزمرة الاحادية ذات البعد الاول و هي زمرة تبديلية. هذا التناظر الكهرومغناطيسي المتبقي بعد الانكسار التلقائي للتناظر الكهروضعيف هو تناظر دقيق للطبيعة يبقي قانون انحفاظ الشحنة الكهربائية اهم نتائجه.كما نري فان الهيغز يقع في قلب هذه الصورة العملاقة للتفاعلات الكهروضعيفة.حتي الفرميونات نفسها مثل اللكترونات تكتسب كتلها من بوزونات هيغز وميكانيزم الكسر التلقائي للتناظر.

سؤال الاخير المتبقي هل يوجد الهيغز في الطبيعة فعلا ام انه يجب علي الفيزيائيين النظريين ايجاد طريقة اخري لاعطاء مختلف الجسيمات الاولية كتل غير منعدمة و ايضا كسر التناظرات المعيارية بين الكهرومغناطيسية و النووية الضعيفة تلقائيا كما نراه موجودا في الطبيعة. هذا السؤال لايمكن ان يجيب عليه بوضوح و بحسم الا المصادم الهايدروني الكبير.

د.باديس يدري

استاذ و باحث في الفيزياء الاولية النظرية

جامعة عنابة

الجزائر

[ع ع 0]

الخلاصة أن بوزون هيغز افترض وجوده لكي يعتبر حاملاً للكتلة التي تؤثر بها بوزونات غرافيتون وأن دخوله بتركيب بوزونات حاملة القوة يجعل لها كتلة مثل w-w+ ودخوله بتركيب الكواركات والليبتونات والالكترونات وكأنه لبنة الكتلة

وأعتقد أنه اهتزاز معين للأوتار إن صح وجوده يدخل بتركيب اهتزاز أوتار الجسيمات الأولية فيجعل محصلة الاهتزاز تبدو جسيم ذا كتلة فيتفاعل مع الغرافيتون فيحدث الجذب الكتلي الثقالي

فبوزون هيغز مركبة من مركبات الاهتزاز في اوتار الجسيمات المهتزة(والمركبة تعني اعتبار الاهتزاز جزئين مجتمعين كل جزء نسميه مركبة )