جرم و نوترینو‌های جرم‌دار و میدان هیگز

[ANDREA]

در مدل استاندارد فرض می‌شود که نوترینو بی‌جرم است. چون اندازه‌گیری جرم آن هر قدر هم که باشد، هنوز در پرده‌ای از ابهام است. مقدار آن به اندازه‌ای کم است که شاید صفر باشد. با این حال، هیچ اصل بنیادی شناخته‌شده‌ای را نمی‌دانیم که بی‌جرم بودن نوترینو را ضروری شمارد.
در واقع اکنون می‌دانیم که نوترینوها جرم دارند. جرمی که حتی در مقایسه با جرم الکترون بی‌اندازه کوچک است. ولی به هر حال صفر نیست.
سه گونه شناخته‌شده نوترینو وجود دارد:

۱- نوترینوی‌ الکترون یا به اختصار نو ال
۲- نوترینوی میون یا به اختصار نو میو
۳ – نوترینوی تائو یا به اختصار نو تاو

واکنش‌های همجوشی در دل خورشید، نوترینوهای الکترون گسیل می‌کند. در مکانیک کوانتومی، ذره‌ها خصلت موج‌ مانند دارند. همانطور که نوسان‌های میدان الکترومغناطیسی می‌تواند خصلت ذره‌آی از خود بروز دهد – فوتون‌ها- ذره‌هایی مانند نوترینوها هم حین حرکت در فضا، نوسان‌های موج مانند دارند. در واقع، این موج، موجی با احتمال متغییر است. چیزی که در ابتدا به صورت نو ال است و ضمن حرکت، احتمالش تغییر می‌کند و با دور شدن از چشمه از نول ال به نو میو یا نو تاو تبدیل می‌شود. اما برای آنکه این اتفاق بیافتد، نوترینوها باید جرم‌های متفاوت داشته باشند. یعنی این که همه‌ی آنها نمی‌توانند بی‌جرم باشند.

شدت نوترینوهای الکترون که از خورشید می‌آیند به مدت چند دهه اندازه‌گیری شده است. با توجه به دانش ما از نجوه کار خورشید، می‌شود تعداد نو ال‌های تولید شده و بنابراین شدت آنهایی را که به زمین می‌رسند، حساب کرد. اما، هنگامی که اندازه‌گیری انجام شد، آشکار شد که شدت نو ال‌هایی که به ما می‌رسد به اندازه‌ی‌ یک ضریب دو یا سه کمتر از آن است که انتظار می‌رفت. این نخستین نشانه‌ای بود که از جرم دار بودن نو ال و تبدیل آن به گونه‌های دیگر نوترینو در طول مسیر حکایت می‌کرد. نا به هنجاری‌‌های مشابهی هم در مخلوط نوال و نوترینویی که از برخورد پرتوهای کیهانی با اتم‌ها در جو فوقانی تولید می‌شوند، دیده شده بود. مجموعه‌ای از آزمایش‌های خاص در اواخر قرن بیستم، ثابت کرد که نوترینوها در واقع دارای جرم‌آند و به هنگام حرکت از گونه‌ای به گونه دیگر تبدیل می‌شوند.

در SNO – رصدخانه نونترینو در سادبری اونتاریو – نه تنها توانستند گونه‌ی نو ال آمده از خورشید را آشکارسازی کنند (که کمبود را نشان می‌داد) بلکه تعداد کل همه انواع نوترینو را برشمردند. (که نشان می‌داد تعداد کل همان است که پیش‌بینی شده بود). این آزمایش نشان داد که نو ال واقعا تغییر کرده است، اما به تنهایی نتوانست تعیین کند که تبدیل به کدام نوع را ترجیح می‌دهد.
از این به بعد بود که آزمایش‌های “خط مبنای بلند” آغاز شد. در شتابدهنده‌هایی همچون سرن (CERN)، آزمایشگاه فرمی یا آزمایشگاه کک (KEK) در ژاپن، باریکه‌‌های تحت کنترل نوترینو تولید می شود. انرژی، شدت و ترکیب باریکه‌های نوترینو (عمدتاً نومیو)، در چشمه آنها زیر نظر گرفته می‌شود و سپس به زیر زمین هدایت و چند صد کیلومتر دورتر در آزمایشگاه‌های زیرزمینی آشکارسازی می‌شوند. از مقایسه ترکیب باریکه‌های نهایی و باریکه‌های ارسال شده می‌توان تعیین کرد که کدام چاشنی به کدام چاشنی دیگر نوسان می‌کند و با چه سرعت این کار انجام می‌گیرد. از این جا، محاسبه‌ی جرم نسبی آن‌ها ممکن است (از نظر فنی، با این روش، تفاوت مجذور جرم آنها تعیین می‌شود)
با تعیین الگوی جرم آنها، برخی از پارامترهای ناشناخته‌ی مدل استاندارد به دست خواهد آمد. نمی‌دانیم چرا اندازه چرم کوارک‌ها و لپتون‌های باردار همان چیزی است که هست. این که چنین مقدارهایی دارند، از نظر وجود ما بسیار مهم است. بنابراین، فهمیدن این مطلب پیشرفت بزرگی خواهد بود. بنابراین تعیین نوترینوها، می‌تواند رمز اساسی گشایش این معما را فراهم کند.

جرم نوترینوها هم می‌تواند در کیهان‌شناسی هم اثر داشته باشد. نوترینوهای جرم‌دار ممکن است در تشکیل هسته‌های اولیه کهکشان‌ها و در توضیح سرشت ماده تاریک که در سراسر عالم پراکنده است و هنوز معمایی حل نشده است، نقش داشته باشد. به علاوه هنوز این معمای حل نشده را داریم که چرا برهم‌کنش ضعیف، تقارن آینه‌ای را نقض می‌کند. نوترینوها ابزار ویژه‌ی‌ کاویدن برهم‌کنش‌ ضعیف‌اند و از این رو بررسی بیشتر ویژگی‌های آنها ممکن است به کشف‌های دور از انتظار بیانجامد.
تعیین اندازه جرم نوترینوها، در حال حاضر یکی از اصلی‌ترین چالش‌های رویاروی فیزیک‌دان‌های ذرات است. این مطلب به طور طبیعی به پرسش حتی بزرگتر می‌انجامد:
جرم خود چه ماهیتی دارد؟

ادامه دارد »»»»»»»»»

 

[ANDREA]

مفهوم جرم، و بوزون هیگز:

نیروی الکترومغناطیس نیرویی است که حاملان آن فوتون آشنای الکترومغناطیس و بوزون‌های W و Z هستند. W و Z مسئول برهمکنش ضعیف‌اند که نه تنها همجوشی در خورشید را موجب می‌شوند بلکه عامل برخی انواع پرتوزا ایی هستند. اما، اگر این اثرها اینقدر در هم تنیده‌اند، چرا در تجربه‌های روزانه یعنی در دماها و انروژی‌های به نسبت کم، به ظاهر این اندازه متفاوتند؟
یک دلیلش این است که ذره انتقال‌دهنده‌ی نیروی الکترومغناطیسی یعنی فوتون، بی‌جرم است. حال آنکه جرم بوزون‌های W و Z که با نیروی ضعیف مرتبط‌اند، بسیار بزرگ است و هر کدام وزنی به اندازه‌ی اتم نقره دارند.
مدل استاندارد ذرات بنیادی و نیروهای میان آنها توضیحی از جرم ارائه می‌کند و آن را نتیجه میدان جدیدی می‌داند که به احترام پیتر هیگز، میدان هیگز نامیده شده است.
هیگز یکی از نخستین کسانی بود که در سال ۱۹۹۴ به این امکان نظری پی برد.
میدان هیگز هم در تمام فضا گسترده است. بنا به این نظریه، اگر میدان هیگز وجود نمی‌داشت، ذره‌های بنیادی هم جرم نمی‌داشتند. بخشی از آنچه ما جرم می‌شماریم، حاصل برهم‌کنش‌ها میان ذره‌ها و میدان هیگز است. فوتون‌ها با میدان هیگز برهم‌کنش ندارند و بنابراین بی‌جرم‌اند. بوزون‌های W و Z برهم‌کنش دارند و از این راه جرم بزرگ خود را کسب می‌کنند.

مدل استاندارد و بوزون هیگز

فرض بر آن است که اجزای سازنده‌ی ماده، کوارک‌ها و لپتون‌هاف نیز جرمشان را از برهم‌کنش با میدان هیگز به دست می‌آورند. درست همانطور که میدان‌های الکترومغناطیسی بسته‌های کوانتومی به نام فوتون می‌سازند، میدان هیگز هم باید به صورت “بوزون‌های هیگز” نمایان شود. در نظریه اصلی هیگز تنها یک نوع بوزون هیگز وجود داشت، اما اگر ابرتقارن راست باشد، باید خانواده‌ای از این ذرات وجود داشته باشد.
اگرچه اندازه‌گیری دقیقی که در لپ (LEP) و دیگر شتابدهنده‌ها انجام گرفته، با ریاضیات کوانتومی و مدل استاندارد آمیخته شود،‌ آن‌وقت نظریه‌دان‌ها می‌توانند انرژی‌هایی را تعیین کنند که در آن بوزون‌ هیگز یا هرچیزی که جرم را به وجود می‌آورد، آشکار می‌شود.

این محاسبه‌ها نشان می‌دهد که تخمه‌ی جرم درست یک میلیونم یک میلیونم ثانیه پس از انفجار بزرگ، هنگامی که دما به زیر ده‌هزار میلیون میلیون درجه رسیده بود، در تار و پود عالم کاشته شد. شاید تواترون بهینه‌شده آزمایشگاه فرمی بتواند نخستین نشانه‌های بوزون هیگز را ثبت کند. با این حال، انجام کاوشی اختصاصی در این گسترده انرژی، که در آن راز جرم باید گشوده گردد، نیازمند برخورددهنده‌ی بزرگ هادرون (LHC) در سرن (CERN) می‌باشد.