اسرار اجرام

● انواع برهم كنش های ذره های زیراتمی و چگونگی تشكیل جرم
بیشتر مردم فكر می كنند می دانند جرم چیست، اما واقعیت آن است كه آنها فقط بخشی از داستان را می دانند. برای مثال فیل آشكارا از مورچه بزرگتر و سنگین تر است. حتی در جایی كه گرانش نباشد، باز هم فیل جرم بیشتری دارد، یعنی هل دادن و به حركت درآوردنش سخت تر است. آشكار است كه فیل سنگین تر است، زیرا در مقایسه با مورچه اتم های بیشتری دارد، اما چه چیزی وزن هر اتم منفرد را تعیین می كند؟ در مورد ذره های بنیادی سازنده اتم چه می توان گفت؟ چه چیزی جرم آنها را تعیین می كند؟ اصلاً چرا این ذره ها وزن دارند؟
می بینیم كه مسئله جرم دو جنبه متفاوت دارد. اول آنكه نیاز است بدانیم جرم چگونه به وجود می آید. معلوم شده است كه جرم حداقل از سه سازوكار متفاوت به وجود می آید كه در ادامه به تشریح آنها می پردازم. یك بازیگر مهم در نظریه های آزمایشی فیزیكدانان در مورد جرم نوع جدیدی از میدان است كه تمام جهان را فرا می گیرد و میدان هیگز نام دارد. گمان می رود كه جرم ذره های بنیادی از برهمكنش با میدان هیگز به وجود می آید. اگر میدان هیگز وجود داشته باشد، آن وقت طبق نظریه وجود یك ذره وابسته به آن به نام بوزون هیگز ضروری است. هم اكنون دانشمندان با استفاده از شتاب دهنده های ذره به دنبال ذره هیگز هستند.
جنبه دیگر این مسئله آن است كه دانشمندان می خواهند بدانند چرا گونه های متفاوت ذره های بنیادی، جرم خاص خودشان را دارند. جرم ذاتی این ذره ها در گستره ای به اندازه حداقل ۱۱ مرتبه توزیع شده است، اما هنوز نمی دانیم چرا اینگونه است (تصویر صفحه* را ببینید). برای مقایسه در نظر آورید كه جرم فیل و كوچك ترین مورچه حدود ۱۱ مرتبه با هم تفاوت دارد.
● جرم چیست
ایزاك نیوتن اولین تعریف علمی از جرم را در سال ۱۶۸۷ در كتاب برجسته اش به نام اصول ارائه كرد: «مقدار ماده، اندازه آن ماده است، كه چگالی و حجم ماده مشتركاً آن را تعیین می كنند.»
این تعریف بسیار ابتدایی برای نیوتن و دیگر دانشمندان طی بیش از ۲۰۰سال كارآمد بود. آنها دریافتند برای آنكه علم پیشرفت كند، ابتدا باید توصیف كند كه پدیده ها چگونه روی می دهند و سپس درك كند چرا با این همه در سال های اخیر، چرایی جرم به یك موضوع پژوهشی در فیزیك بدل شده است درك معنا و منشاء جرم مدل استاندارد فیزیك ذره ها را كه نظریه ای بسیار متداول برای توصیف ذره های بنیادی شناخته شده و برهمكنش های آنان است، كامل كرده و گسترش می دهد. علاوه بر آن می تواند از پدیده هایی همچون ماده تاریك كه تشكیل دهنده ۲۵ درصد از جهان است رازگشایی كند.
مبانی درك نوین ما از جرم بسیار پیچیده تر از تعریف نیوتن و مبتنی بر مدل استاندارد است. در بطن مدل استاندارد تابع ریاضی با نام لاگرانژی است كه نشان دهنده چگونگی برهمكنش ذره های گوناگون است. فیزیكدانان با استفاده از این تابع و تبعیت از قواعدی به نام نظریه نسبیت كوانتومی می توانند رفتار ذره های بنیادی را محاسبه كرده و دریابند این ذره ها چگونه گرد هم می آیند و ذره های مركبی همچون پروتون را به وجود می آورند. می توان چگونگی واكنش هم ذره های بنیادی و هم ذره های مركب را نسبت به نیروها به دست آورد. در مورد نیروی F می توانیم معادله نیوتن ma=F را بنویسیم. این معادله، نیرو، جرم و شتاب حاصل از نیرو را به هم مربوط می كند. لاگرانژی به ما می گوید كه در اینجا برای m باید از چه مقداری استفاده كنیم و این مقدار همان چیزی است كه از عبارت جرم ذره مدنظر ما است.
اما جرمی كه به طور معمول آن را درك می كنیم، چیزی بیش از ma=F از خود نشان می دهد. بر این مثال نظریه نسبیت خاص اینشتین پیش بینی می كند كه ذره های بدون جرم در خلأ با سرعت نور و ذره های دارای جرم بسیار كندتر حركت می كند، به طوری كه اگر جرمشان را بدانیم می توانیم سرعت شان را محاسبه كنیم.
قوانین گرانش با دقت بسیار، پیشگویی می كند كه گرانش هم روی ماده و هم روی انرژی تاثیر می گذارد. همانطور كه از یك مقدار خاص جرم انتظار داریم، مقداری از m كه از روی لاگرانژی برای هر ذره به دست می آید، در تمام موارد دیگر نیز صحیح است و كاربرد دارد. ذره های بنیادی، جرمی ذاتی دارند كه آن را با نام جرم سكون می شناسیم. (ذره هایی با جرم سكون صفر، ذره های بدون جرم نام دارند.) در مورد ذره های مركب باید گفت كه جرم سكون اجزای تشكیل دهنده و همچنین انرژی جنبشی حركت و انرژی پتانسیل برهمكنش ها در جرم كلی ذره نقش دارد. همانطور كه رابطه معروف اینشتین mc۲= E می گوید انرژی و جرم به یكدیگر ربط دارند. (این رابطه می گوید انرژی برابر است با جرم ضربدر توان دوم سرعت نور.) مثالی از مشاركت انرژی در جرم را می توان در آشنا ترین نوع ماده در جهان یعنی پروتون و نوترون مشاهده كرد. پروتون و نوترون تشكیل دهنده هسته اتم های ستارگان، سیاره ها، افراد و همه آن چیزهایی است كه مشاهده می كنیم. این ذره ها تشكیل دهنده چهار تا پنج درصد از جرم- انرژی جهان هستند (قاب صفحه ۷ را ببینید). مدل استاندارد به ما می گوید كه پروتون ها و نوترون ها از ذره هایی بنیادی به نام كوارك تشكیل شده اند كه به وسیله ذره های بدون جرمی به نام گلوئون به یكدیگر متصل می شوند. اگرچه اجزای تشكیل دهنده پروتون در درونش می چرخند، برای ما كه از بیرون به پروتون نگاه می كنیم، آن را به صورت ذره ای پیوسته با جرمی ذاتی می بینیم كه مقدار این جرم با افزودن جرم ها و انرژی های اجزای تشكیل دهنده آن به دست می آید.
مدل استاندارد ما را مجاز می سازد كه تقریباً تمام جرم پروتون ها و نوترون ها را از انرژی جنبشی كوارك ها و گلوئون های تشكیل دهنده آن به دست آوریم (باقی مانده آن از جرم سكون كوارك ها به دست می آید.) بنابراین چهار تا پنج درصد از كل جهان- تقریباً تمام ماده معمولی پیرامون ما- از انرژی حركت كوارك ها و گلوئون های موجود در پروتون ها و نوترون ها ناشی می شود.
● سازوكار هیگز
ذره های واقعاً بنیادی مثل كوارك ها و الكترون ها برخلاف پروتون ها و نوترون ها از اجزای كوچك تری تشكیل نشده اند. شرح چگونگی كسب جرم سكون در این ذره ها به یكی از اصلی ترین مسئله ها در مورد منشاء جرم تبدیل شده است. همانگونه كه پیش از این خاطر نشان كردم تفسیرهای ارائه شده به وسیله فیزیك نظری جدید می گوید جرم ذره های بنیادی از برهمكنش با میدان هیگز ناشی می شود. اما چرا میدان هیگز در همه جای جهان حاضر است؟ چرا قدرت این میدان همانند میدان الكترومغناطیس در مقیاس های كیهانی اصولاً صفر نیست؟ میدان هیگز چیست؟
میدان هیگز یك میدان كوانتومی است. ممكن است عجیب به نظر برسد اما واقعیت این است كه تمام ذره های بنیادی به صورت كوآنتوم های میدان كوانتومی متناظر پدیدار می شوند. میدان الكترومغناطیس هم یك میدان كوانتومی است (ذره بنیادی متناظر آن فوتون است). بنابراین میدان هیگز از این لحاظ عجیب تر از الكترون و نور نیست. با این همه میدان هیگز به سه روش مهم دیگر با تمام میدان های كوانتومی تفاوت دارد.
تفاوت اول تا حدودی فنی است. تمام میدان ها خاصیتی به نام اسپین (SPIN) دارند. اسپین خاصیت ذاتی تكانه زاویه ای (angular mementum) است كه تمام ذره های میدان دارای آن هستند. ذره هایی مانند الكترون، اسپین یك دوم دارند و اغلب ذره های وابسته به یك نیرو مثل فوتون، اسپین۱ دارند. بوزون هیگز (ذره میدان هیگز) اسپین صفر دارد. داشتن اسپین صفر میدان هیگز را قادر می سازد به شیوه متفاوتی نسبت به بقیه ذره ها در لاگرانژی ظاهر شود، كه این نكته باعث می شود میدان هیگز دو جنبه متفاوت دیگر خود را ظاهر سازد.
دومین خاصیت منحصر به فرد میدان هیگز توضیح می دهد كه چرا قدرت این میدان در سرتاسر جهان غیرصفر است. هر سیستمی از جمله جهان در پایین ترین سطح انرژی قرار می گیرد، درست مثل یك توپ كه در قعر دره آرام می شود. در میدان معمولی همانند میدان های الكترومغناطیس كه پخش برنامه های رادیویی را امكان پذیر می سازد پایین ترین سطح انرژی آنجایی است كه میدان مقدار صفر دارد (یعنی جایی كه میدان از بین می رود) اگر هر میدان غیرصفری اعمال شود، انرژی ذخیره شده در میدان ها، انرژی خالص سیستم را افزایش می دهد. اما برای میدان هیگز وقتی كه میدان صفر نباشد بلكه مقداری غیرصفر داشته باشد انرژی جهان كمتر است. اگر بخواهیم همان تشبیه دره را به كار بریم، باید گفت برای میدان های معمولی كف دره در مكانی است كه میدان صفر است، اما برای هیگز دره تپه ای در مركز خود (یعنی میدان صفر) دارد و پایین ترین نقطه دره دایره ای حول این تپه است. (قاب همین صفحه را ببینید) جهان مثل یك توپ در جایی در این چاله حلقوی كه متناظر است با مقدار غیرصفر میدان، ساكن می شود. این گفته به این معنی است كه جهان در حالت معمولی و در پایین سطح آكنده از میدان هیگز غیرصفر است.
آخرین ویژگی قابل توجه میدان هیگز شكل برهمكنش آن با دیگر ذره ها است. ذراتی كه با میدان هیگز برهمكنش دارند طوری رفتار می كنند كه انگار جرم دارند و جرم شان متناسب است با شدت میدان ضرب در شدت برهمكنش. جرم ها از عبارتی در لاگرانژی به وجود می آیند كه بیانگر برهمكنش ذرات با میدان هیگز است.
با این همه هنوز درك ما از همه اینها كامل نشده است و مطمئن نیستیم چند نوع میدان هیگز وجود دارد. هر چند كه مدل استاندارد فقط به یك میدان هیگز نیاز دارد تا جرم تمام ذرات بنیادی را به وجود آورد، اما فیزیكدان ها می دانند كه نظریه ای كامل تر باید جانشین مدل استاندارد شود. مهمترین رقیبان، بسط هایی از مدل استاندارد است كه با عنوان مدل استاندارد ابرتقارنی (SSM) شناخته می شود. در این مدل ها هر ذره مدل استاندارد یك ابرهمزاد (Super partner) دارد (كه هنوز آشكارسازی نشده است) و خواص دقیقاً مشابهی دارد. (به مقاله «سپیده دم فیزیك ورای مدل استاندارد» اثر گوردون كین در همین ویژه نامه مراجعه كنید.) با توجه به مدل استاندارد ابرتقارنی حداقل به دو میدان هیگز متفاوت نیاز داریم. برهمكنش با آن دو میدان به ذرات مدل استاندارد جرم می دهد. همین ها نیز باعث جرم دار شدن ابرهمزادها می شوند. دو میدان هیگز به پنج نوع بوزون هیگز منجر می شود:
سه تا از آنها از لحاظ الكتریكی خنثی هستند و دو تا باردار.این احتمال هم وجود دارد كه جرم ذراتی كه نوترینو نامیده می شود و در مقابل جرم ذرات دیگر كوچك است، به روشی غیرمستقیم، از این برهمكنش ها یا از نوع سومی از میدان هیگز به وجود آید. نظریه پردازان چندین دلیل دارند كه نشان می دهد تصویر SSM از برهمكنش های هیگز صحیح است. اول آنكه بدون سازوكار هیگز، بوزون های هیگز كه واسطه نیروی ضعیف هستند، می بایست درست مثل فوتون بدون جرم باشند و دیگر آنكه برهمكنش های ضعیف باید مثل برهمكنش های الكترومغناطیسی قوی باشند. این نظریه می گوید كه سازوكار هیگز به روش برهمكنش های بسیار ویژه باعث جرم دار شدن W و Z می شود. پیشگویی های چنین رویكردی (همانند نسبت جرم W و Z) به طور تجربی تایید شده است.نكته دوم آنكه، اصولاً تمام جنبه های دیگر مدل استاندارد به خوبی آزموده شده است و در چنین نظریه ای با جزئیات فراوان و بسیار مرتبط به هم، دشوار است كه بخشی را (مثل هیگز) تغییر داد، بدون آنكه بر بقیه قسمت های نظریه تاثیری نداشته باشد. برای مثال، تحلیل اندازه گیری های دقیق خواص بوزون Z و W به پیشگویی دقیق جرم كوارك سر (top) پیش از تولید مستقیم كوارك سر منجر شد. تغییر سازوكار مكانیسم هیگز باعث نقض شدن این پیشگویی و دیگر پیشگویی های موفقیت آمیز می شود. سوم آنكه مكانیسم هیگز مدل استاندارد در توجیه جرم دار شدن تمام ذرات مدل استاندارد خیلی خوب عمل می كند؛ هم جرم دار شدن بوزون های W و Z را توجیه می كند، هم جرم دار شدن كوارك ها و لپتون ها را. در حالی كه نظریه های بدیل نمی توانند. دیگر آنكه SSM برخلاف نظریه های دیگر چارچوبی برای متحد كردن در كمان از نیروهای طبیعت فراهم می آورد. نكته پایانی آنكه SSM می تواند توضیح دهد چرا «دره» انرژی برای جهان چنان شكلی را دارد كه برای سازوكار هیگز نیاز است. در مدل استاندارد اولیه شكل دره را باید به صورت یك پذیره وارد مدل كرد، اما در SSM این شكل دره را می توان از راه ریاضی به دست آورد.● آزمون نظریه
طبیعی است كه فیزیكدانان بخواهند آزمون های مستقیمی در این مورد انجام دهند كه جرم از برهمكنش با میدان های هیگز متفاوت به وجود می آید. می توان سه جنبه اساسی را آزمود.
اول، می توان در جست وجوی ذرات ویژه ای به نام بوزون هیگز باشیم. چنین كوانتوم هایی باید وجود داشته باشند، در غیر این صورت تفسیرهای ارائه شده صحیح نیست. فیزیكدانان هم اكنون در برخورد دهنده تواترون (Tevatron Collider) در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی در باتاویای ایلی نویز در جست وجوی بوزون هیگز هستند.دوم، پس از اینكه این ذرات شناسایی شدند می توانیم مشاهده كنیم كه چگونه بوزون های هیگز با دیگر ذرات برهمكنش دارند. همان عبارتی در لاگرانژی كه مشخص كننده جرم ذرات است، بیانگر خواص چنین برهمكنش هایی است.
بنابراین می توان آزمایش هایی انجام داد تا وجود عبارت های برهمكنش از این نوع را به طور كمی آزمود. قدرت برهمكنش ها و مقدار جرم ذرات اختصاصاً با یك روش به هم مربوط می شوند.سوم، مجموعه های گوناگون میدان های هیگز كه در مدل استاندارد یا نسخه های SSM وجود دارد، نشان دهنده مجموعه های متفاوتی از بوزون های هیگز با خواص مختلف است. بنابراین آزمون می تواند بین این بدیل ها نیز تمایز قائل شود.
تنها چیزی كه برای انجام آزمایش ها نیاز داریم، برخورددهنده مناسب ذرات است: برخورددهنده هایی كه انرژی كافی برای تولید بوزون های هیگز متفاوت داشته باشند. شدت كافی برای ساخت مقدار كافی از آنها و آشكارسازهای خوب برای تجزیه و تحلیل آنچه كه به وجود آمده است. یك مشكل عمده سر راه انجام چنین آزمون هایی آن است كه هنوز نظریه را آن قدر خوب درك نكرده ایم كه بتوانیم مقدار جرم بوزون های هیگز را محاسبه كنیم و در نتیجه جست وجو برای یافتن آنها دشوارتر می شود، زیرا باید گستره وسیعی از جرم ها را آزمود. تركیبی از استدلال های نظری و اطلاعات حاصل از آزمایش می تواند ما را برای به دست آوردن جرم های تقریبی راهنمایی كند.
برخورددهنده بزرگ الكترون- پوزیترون (LEP) در سرن (CERN) كه آزمایشگاه اروپایی فیزیك ذرات در نزدیكی ژنو است، در گستره ای از جرم ها كه احتمال بسیار داشت در برگیرنده بوزون های هیگز باشد، كار كرد. این برخورددهنده چیزی پیدا نكرد، اگرچه پیش از آنكه برخورددهنده در سال ۲۰۰۰ برای ساخت تجهیزات جدیدتر یعنی برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) سرن تعطیل شود، شواهد وسوسه برانگیزی از وجود چیزی در حد انرژی و شدت برخورددهنده یافت. بنابراین جرم هیگز باید بیش از ۱۲۰ برابر جرم پروتون باشد.
با این همه LEP شواهد غیرمستقیمی یافت كه نشان می دهد بوزون هیگز وجود دارد: با استفاده از آزمایش های انجام شده در LEP شماری از اندازه گیری های دقیق صورت گرفت كه می توان آنها را با اندازه گیری های مشابه تواترون و برخورددهنده مركز شتاب دهنده خطی استنفورد تركیب كرد. مجموعه نهایی داده ها فقط وقتی خوب با نظریه سازگار می شود كه برهمكنش های خاص ذرات با سبك ترین بوزون های هیگز را دربرگیرد و همچنین فقط وقتی كه سبك ترین بوزون های هیگز بیش از ۲۰۰ برابر پروتون جرم نداشته باشند. با این تفاسیر پژوهشگران به حد بالایی برای جرم بوزون هیگز دسترسی می یابند كه به آنها كمك می كند پژوهش هایشان را متمركز كنند.
طی چند سال آینده، تنها برخورددهنده ای كه می تواند شواهد مستقیمی برای بوزون های هیگز تولید كند، تواترون است. اگر این برخورددهنده بتواند به طور پیوسته به شدت باریكه ای كه از آن انتظار می رود، دست یابد (كه البته تاكنون دستیابی به چنین شدتی امكان پذیر نشد) انرژی اش برای كشف یك بوزون هیگز در گستره جرم هایی كه شواهد غیرمستقیم LEP نشان داد، كافی است. طبق برنامه ریزی های انجام شده، LHC كه هفت برابر پرانرژی تر و شدت برخوردهای آن بسیار بیشتر از تواترون است در سال ۲۰۰۷ ارائه اطلاعات را آغاز كند. این برخورددهنده می تواند به كارخانه بوزون هیگز تبدیل می شود (یعنی می تواند در هر روز مقدار زیادی ذره تولید كند). با فرض آنكه LHC طبق برنامه ریزی قبلی كار كند، جمع آوری اطلاعات مناسب و آموختن چگونگی تفسیر آنها، یكی دو سال زمان می برد. انجام آزمایش های كاملی كه نشان دهد برهمكنش با میدان های هیگز به وجودآورنده جرم است، علاوه بر LHC (كه برخورددهنده پروتون است) و تواترون (كه برخورددهنده پروتون و پادپروتون است) به برخورددهنده الكترون- پوزیترون تازه ای نیز نیاز دارد.
● ماده تاریك
آنچه كه در مورد بوزون های هیگز حاصل شود، صرفاً برای آزمودن این نكته كه آیا سازوكار هیگز به وجودآورنده جرم است، به كار نمی رود، بلكه این دستاوردها همچنین می تواند نشان دهنده راهی برای چگونگی توسعه مدل استاندارد برای حل مسائلی همچون منشاء ماده تاریك باشد. با در نظر گرفتن ماده تاریك، یك ذره بسیار مهم SSM سبك ترین ابرهمزاد (LSP) است. LSP ابرهمزادی با كمترین جرم در میان ابرهمزادهای ذرات شناخته شده مدل استاندارد است كه SSM وجودش را پیش بینی می كند. عمده ابرهمزادها بی درنگ واپاشی می كنند و ابرهمزادهای كم جرم تر به وجود می آورند. این زنجیره آنقدر ادامه می یابد تا به LSP برسد كه پایدار است، زیرا این ذره، ذره سبك تری ندارد كه بتواند به آن واپاشی كند. (وقتی كه یك ابرهمزاد واپاشی می كند، حداقل یك محصول واپاشی باید ابرهمزاد دیگر باشد. این ذره نمی تواند كلاً به ذرات مدل استاندارد واپاشی كند.) ابرهمزادها باید در لحظه های اولیه بعد از انفجار بزرگ به وجود آمده باشند، اما بی درنگ پس از آن به LSPها واپاشی كردند. LSP مهمترین ذره نامزد برای ماده تاریك است.
بوزون های هیگز ممكن است به طور مستقیم بر مقدار ماده تاریك موجود در جهان تاثیر بگذارد. می دانیم كه مقدار LSPهای امروزی باید كمتر از مقدار آن در كوتاه زمانی پس از انفجار بزرگ باشد، زیرا بعضی از آنها می بایست با كوارك ها، لپتون ها و فوتون ها برخورد كرده و نابود شده باشد و احتمالاً LSPهایی كه با بوزون های هیگز برهمكنش كرده اند بر میزان نابودی حاكم بوده است همان طور كه پیش از این خاطرنشان كردیم دو میدان هیگز SSM مهم به ذرات مدل استاندارد جرم می دهند، همچنین بخشی از جرم ابرهمزادها همانند LSP را باعث می شود. ابرهمزاد از طریق برهمكنش های دیگر كه ممكن است با دیگر میدان هیگز باشد یا با میدان هایی شبیه به میدان هیگز باز هم جرم به دست می آورند. مدل های نظری داریم كه نشان می دهد این فرآیندها احتمالاً چگونه انجام می شود، اما تا زمانی كه اطلاعاتی در مورد خود ابرهمزادها به دست نیاوریم، چیزهای زیادی در مورد جزئیات رفتار آنها نخواهیم دانست. انتظار می رود چنین داده هایی از LHE یا شاید هم از تواترون به دست آید.
ممكن است جرم نوترینو به روشی بسیار قابل توجه از برهمكنش با میدان های هیگز دیگر یا میدان های شبه هیگز حاصل آید. در ابتدا گمان می رفت كه نوترینو ها بدون جرم باشند، اما نظریه پردازان از سال ۱۹۷۹ پیش بینی كردند كه این ذرات جرم كمی دارند و طی دهه گذشته آزمایش های مهمی این پیش بینی ها را تائید كرده است. جرم نوترینوها یك میلیونم جرم كم جرم ترین ذره بعدی یعنی الكترون ها است. از آنجایی كه نوترینوها از لحاظ الكتریكی خنثی هستند، توصیف نظری جرم آنها به دقت بیشتری نسبت به ذرات باردار نیاز دارد. چندین فرآیند در جرم هر گونه نوترینو نقش دارد و به دلیل های فنی مقدار واقعی جرم از حل یك معادله به دست می آید و نه صرفاً با افزودن چند عبارت.
بنابراین سه روشی كه جرم را به وجود می آورد آموختیم: شكل اصلی جرم كه با آن آشنائیم یعنی جرم پروتون ها و نوترون ها و بنابراین جرم اتم ها از حركت كوارك های موجود در نوترون ها و پروتون ها به وجود می آید. جرم پروتون باید در حدود همان مقداری باشد كه حتی بدون میدان هیگز به دست می آید. اما كل جرم خود كوارك ها و همچنین جرم الكترون ها از میدان هیگز ناشی می شود. بدون میدان هیگز این جرم ها صفر می شود. در آخرین مورد كه قطعاً كمترین نیست، بخش عمده جرم ابرهمزادها و بنابراین جرم ذره ماده تاریك (البته اگر در واقع سبك ترین همزاد باشد) از برهمكنش های دیگری غیر از برهمكنش های اصلی هیگز حاصل می شود.
در نهایت موضوعی با نام مسئله خانواده را در نظر گرفتیم. فیزیكدانان طی نیم قرن گذشته نشان دادند جهانی كه می بینیم از افراد گرفته تا گل ها و ستارگان فقط از شش ذره ساخته شده است؛ سه ذره ماده (كوارك های بالا (UP)، كوارك های پایین (down) و الكترون ها)، دو كوانتوم نیرو (فوتون ها و گلوئون ها) و بوزون های هیگز. این توصیفی قابل توجه و به طرز شگفت آوری ساده از جهان است. اما هنوز چهار كوارك دیگر، دو ذره دیگر شبیه به الكترون و سه نوترینوی دیگر وجود دارد. عمر همه آنها بسیار كوتاه است یا برهمكنش چندانی با ۶ذره دیگر ندارند. آنها را می توان در سه خانواده دسته بندی كرد: نوترینوی الكترون بالا و پایین از خانواده الكترون؛ نوترینوی موئون شگفت و افسون از خانواده موئون و نوترینوی تاو سروته از خانواده تاو. برهمكنش های ذره های موجود در هر خانواده مشابه برهمكنش های ذره های موجود در خانواده دیگر است. تفاوت این خانواده ها در این است كه ذره های موجود در خانواده دوم سنگین تر از ذره های خانواده اول و ذره های خانواده سوم از آن هم سنگین تر است. از آنجایی كه این جرم ها از برهمكنش با میدان هیگز حاصل می شود این ذرات باید برهمكنش های متفاوتی با میدان هیگز داشته باشند.
از این رو مسئله خانواده دو بخش دارد: با آنكه برای توصیف جهان قابل مشاهده فقط یك خانواده ذرات كافی است، چرا سه خانواده وجود دارد؟ چرا جرم خانواده با هم متفاوت است و چرا چنین جرم هایی دارند؟ شاید آشكار نباشد كه چرا فیزیكدانان از این نكته كه طبیعت به جای داشتن یك خانواده ذرات سه خانواده ذرات دارد، شگفت زده اند. دلیلش این است كه می خواهیم قوانین طبیعت و نیروها و ذره های بنیادی آن را به طور كامل درك كنیم. انتظار داریم كه هر جنبه ای از قوانین بنیادی، جنبه ای ضروری باشد. هدف ما آن است كه نظریه ای داشته باشیم كه تمام ذرات و نسبت جرم هایشان به طور اجتناب ناپذیری از آن حاصل شود و نیازی به فرض های ساختگی در مورد مقدار جرم ها و همچنین نیازی به تنظیم پارامترها نباشد. اگر وجود سه خانواده ضروری باشد، این نكته سرنخی است كه اهمیت آن را هنوز درك نكرده ایم.
● ارتباط پنهان با یكدیگر
مدل استاندارد و SSM می تواند ساختار خانواده مشاهده شده را در خود جای دهد، اما نمی تواند آنها را تشریح كند. این گفته اهمیت بسیار دارد. این گفته به این معنا نیست كه SSM هنوز نتوانسته است ساختار خانواده را تشریح كند، بلكه به این معنا است كه نمی تواند آن را تشریح كند. یكی از جنبه های هیجان انگیز نظریه تار (String theory) برای خود من آن است كه نه تنها شاید بتواند نظریه ای كوانتومی برای تمام نیروها ارائه دهد، بلكه احتمالاً می تواند به ما بگوید كه ذره بنیادی چیست و چرا سه خانواده از این ذرات وجود دارد. به نظر می رسد كه نظریه تار بتواند ما را برای یافتن پاسخ این پرسش كه چرا برهمكنش با میدان هیگز در خانواده های گوناگون مختلف است، راهنمایی كند. در نظریه تار هم خانواده های تكراری می تواند وجود داشته باشد كه با یكدیگر یكسان نباشند. تفاوت آنها به وسیله خواصی توصیف شده است كه تحت تاثیر نیروهای قوی، ضعیف، الكترومغناطیس یا گرانشی نیست بلكه از برهمكنش با میدان هیگز تاثیر می گیرد و با سه خانواده موجود كه جرم های متفاوتی دارند سازگار است. اگرچه نظریه پردازان تار تاكنون نتوانسته اند مسئله وجود سه خانواده ذرات را حل كنند، اما به نظر می رسد این نظریه چنان ساختار مناسبی داشته باشد كه بتواند پاسخ آن را فراهم آورد. نظریه تار ساختارهای خانوادگی متفاوتی را مجاز می شمارد، اما هنوز كسی نمی داند كه چرا طبیعت همانی را كه مشاهده می كنیم برمی گزیند و نه ساختارهای دیگر را. داده ها در مورد جرم كوارك و لپتون و جرم ابرهمزاد آنها می تواند سرنخ های مهمی به ما بدهد و چیزهای زیاد در مورد نظریه تار به ما بیاموزاند.
اكنون می توان دریافت چرا به لحاظ تاریخی شروع كار برای درك جسم این قدر به درازا كشید. بدون وجود مدل استاندارد فیزیك ذرات و گسترش نظریه میدان كوانتوم برای توصیف ذرات و برهمكنش های آنان فیزیكدانان حتی نمی توانستند پرسش های صحیحی را مطرح كنند. هر چند منشأ و مقدار جرم را هنوز به طور كامل درك نكرده ایم، اما به نظر می رسد كه چارچوب لازم برای درك آنها در دسترس باشد. مفهوم جرم را نمی شد پیش از ارائه نظریه هایی همچون مدل استاندارد و بسط ابرتقارنی آن و نظریه تار درك كرد. اینكه این نظریه ها حقیقتاً بتوانند پاسخ كامل برای این پرسش فراهم آورند، هنوز روشن نیست؛ اما روشن است كه امروزه موضوع جرم به یك موضوع پژوهشی معمول در حوزه فیزیك ذرات تبدیل شده است.

Scientific American,Jul.۲۰۰۵
گوردون كین
ترجمه: سلیمان فرهادیان

منبع : روزنامه شرق