يدرس معظمنا في المدرسة أو من الكتب أن جميع المواد من حولنا - كل ما نأكله ، نشربه ، نتنفسه ، جميع الكائنات الحية ، الأرض نفسها - تتكون من الذرات. هناك حوالي 100 نوع منها ، تسمى "العناصر الكيميائية" وعادة ما يتم تنظيمها على شكل جزيئات ، تمامًا كما يمكن تنظيم الحروف في كلمات. نأخذ هذه الحقائق المتعلقة بعالمنا كأمر مسلم به ، ولكن في نهاية القرن التاسع عشر كان لا يزال هناك جدل ساخن حول هذا الموضوع. فقط في منطقة عام 1900 ، عندما أصبح من الممكن ، على أساس عدة استنتاجات ، حساب حجم الذرات ، وعندما تم اكتشاف إلكترون ، وهو جسيم دون ذري يسكن حواف الذرات ، أخذت الصورة الذرية للعالم في النهاية.
ولكن حتى اليوم ، لا تظهر بعض أجزاء هذه الصورة بوضوح. الألغاز لا تزال دون حل مائة سنة. وكل هذه الضجة حول "بوزون هيجز" مرتبطة مباشرة بهذه الأسئلة العميقة التي تقع في صميم وجودنا. قريبًا ، ستصبح الأجزاء الضبابية من صورتنا أكثر وضوحًا وستكشف لنا تفاصيل عن عالمنا لم تتضح لنا بعد.
في المدرسة ، علمنا أن كتلة الذرة ترجع بشكل أساسي إلى صغر حجمها. تضيف الإلكترونات التي تشكل سحابة ضبابية حول النواة إلى هذه الكتلة ما لا يزيد عن جزء من جزءها. لكن ما لا يخبرونا به عادةً ، ما لم ندرس الفيزياء بعمق ، هو أن حجم الذرة يعتمد بشكل أساسي على كتلة الإلكترون. إذا استطعت بطريقة ما تقليل كتلة الإلكترون ، فستجد أن الذرات نمت وأصبحت أكثر هشاشة. قلل كتلة الإلكترون ألف مرة ، وستصبح الذرات هشة جدًا لدرجة أن الحرارة الناتجة من الانفجار العظيم يمكن أن تدمرها. لذلك ، يرتبط الهيكل الكامل ووجود المواد العادية بسؤال باطني على ما يبدو: لماذا تمتلك الإلكترونات كتلة على الإطلاق؟
لقد حير الفيزيائيون كتلة الإلكترون وأصله منذ قياسه الأول. العديد من الاكتشافات المتعلقة بجزيئات بدائية أخرى تم إجراؤها في المائة عام الماضية أدت إلى تعقيد وإثراء هذا اللغز. أولاً ، وجد أن الضوء يتكون أيضًا من جسيمات تسمى الفوتونات ، والتي ليس لها كتلة على الإطلاق. ثم تتكون النواة الذرية من جسيمات تسمى الكواركات التي لها كتلة. في الآونة الأخيرة ، وجدنا علامات على أن النيوترينوات ، وهي جسيمات مراوغة تتحرك في قطعان من أحشاء الشمس ، لها أيضًا كتلة ، وإن كانت صغيرة جدًا. لذلك ، انتقل السؤال حول الإلكترون إلى فئة الأسئلة الأكبر: لماذا تحتوي الجسيمات ، مثل الإلكترونات ، والكواركات والنيوترينات ، على كتلة ، لكن الفوتونات لا تمتلكها؟
في منتصف القرن الماضي ، تعلم الفيزيائيون كيفية كتابة المعادلات التي تتنبأ وتصف سلوك الإلكترونات. على الرغم من أنهم لا يعرفون من أين جاءت كتلة الإلكترون ، فقد وجدوا أن هذه الكتلة كان من السهل دمجها في المعادلات يدويًا ، وقرروا أن شرحًا كاملاً لأصلها سيظهر لاحقًا. ولكن عندما بحثوا في دراسة التفاعل النووي الضعيف ، وهو واحد من الأربعة المعروفين في الطبيعة ، واجهوا مشكلة خطيرة.
علم الفيزيائيون بالفعل أن القوى الكهربائية مرتبطة بالفوتونات ، ثم أدركوا أن التفاعل الضعيف مرتبط بجسيمات تسمى "W" و "Z". ولكن في نفس الوقت ، كان للجسيمات W و Z اختلافًا عن الفوتون في شكل كتلة - فهي قابلة للمقارنة في الكتلة مع ذرة القصدير ، أكثر من مائة ألف مرة أثقل من الإلكترون. لسوء الحظ ، وجد الفيزيائيون أنهم لم يتمكنوا من دمج كتل الجسيمات W و Z يدويًا في المعادلات: المعادلات الناتجة أعطت تنبؤات لا معنى لها. وعندما درسوا كيف يؤثر التفاعل الضعيف على الإلكترونات والكواركات والنيوترينوات ، وجدوا أن الطريقة القديمة لإدخال الكتلة في المعادلات لا تعمل - فهي تكسر أيضًا النظام بأكمله.
كانت هناك حاجة لأفكار جديدة لشرح كيف يمكن أن يكون للجسيمات الأولية المعروفة كتلة.
تجلى هذا اللغز تدريجيًا في الخمسينيات والستينيات. وفي أوائل الستينيات ، ظهر حل ممكن - هنا نلتقي ببيتر هيجز وآخرين (Braut و Englert و Guralnik و Hagen و Kibble). اقترحوا ما نسميه الآن "آلية هيجز". لنفترض ، كما يقولون ، في الطبيعة أن هناك مجالًا آخر غير معروف - مثل جميع الحقول ، فهو مادة معينة موجودة في جميع مجالات الفضاء - غير صفرية ومتجانسة في كل مكان وزمان. إذا كان هذا المجال - يسمى الآن مجال هيجز - من النوع الصحيح ، فإن وجوده سيؤدي إلى إظهار جزيئات W و Z للكتلة ، كما سيسمح للفيزيائيين بإعادة كتلة الإلكترون إلى المعادلات. هذا سيؤجل السؤال حول سبب كتلة الإلكترون ، ولكن على الأقل سيكون من الممكن تدوين معادلات لا تكون فيها كتلة الإلكترون مساوية للصفر!
في العقود التي تلت ذلك ، تم اختبار فكرة آلية هيجز بطرق عديدة. اليوم ، من الدراسات التفصيلية لجسيمات W و Z ، من المعروف أن حل اللغز الذي ظهر بسبب التفاعل الضعيف يكمن في مكان ما في هذا المجال. لكن تفاصيل هذه القصة غير معروفة لنا.
ما هو مجال هيجز ، كيف نفهمه؟ إنه غير مرئي بالنسبة لنا ولا نشعر به ، مثل الطفل لا يشعر بالهواء ، أو مثل السمك - الماء. بل وأكثر من ذلك - لأنه إذا كبرنا ، بدأنا ندرك تدفق الهواء حول أجسامنا ونشعر به بمساعدة اللمس ، لا أحد من مشاعرنا يمنحنا الوصول إلى مجال هيجز. لا يمكننا فقط اكتشافه بمساعدة الحواس ، لا يمكننا القيام بذلك مباشرة بمساعدة الأدوات العلمية. فكيف نتأكد من وجودها؟ وكيف نتمنى أن نتعلم أي شيء عنه؟
يعمل التشابه بين الهواء وحقل هيجز بشكل جيد في المثال التالي: إذا أزعجت أيًا من هذين الوسطين ، فسوف تهتز وتخلق موجات. من السهل إنشاء مثل هذه الموجات في الهواء - يمكنك الصراخ أو التصفيق بيديك - ثم ستجد آذاننا هذه الموجات في شكل صوت. في مجال هيجز ، يكون إنشاء الأمواج أكثر صعوبة وأكثر صعوبة. للقيام بذلك ، تحتاج إلى مسرع جسيمات عملاق ، مصادم هادرون الكبير. ولاكتشافها ، تحتاج إلى أدوات علمية بحجم المنزل ، على سبيل المثال ، ATLAS أو CMS.
كيف يعمل؟ من المؤكد أن التصفيق سيخلق موجات صوتية عالية. سيؤدي اصطدام بروتينين عاليي الطاقة على المصادم LHC إلى خلق موجات هيغز هادئة للغاية ، على الرغم من أنه ليس بالضرورة - سيؤدي ذلك إلى تصادم واحد فقط يبلغ عشرة مليارات. ستكون الموجة الناتجة أهدأ موجة ممكنة في مجال هيجز (من الناحية الفنية ، كم واحد من هذا النوع من الموجات). نسمي هذه الموجة "جسيم هيجز" أو "بوزون هيجز".
في بعض الأحيان يسميها الإعلام "جسيم الله". صاغ هذا المصطلح أحد الناشرين لبيع كتابه بشكل أفضل ، لذلك فهو يأتي من الإعلانات ، وليس العلم أو الدين. لا يستخدم العلماء هذا المصطلح.
إن إنشاء جسيم هيجز هو جزء فقط من العملية ، وسهل نسبيًا. من الصعب العثور عليه. تنتقل الموجات الصوتية بحرية من راحة يدك عبر الغرفة إلى أذن الشخص الآخر. ويتفكك جسيم هيجز في الآخرين بشكل أسرع مما يمكنك قوله ببوزون هيجز. في الواقع ، أسرع من الضوء لتمرير قطر الذرة. يقوم كل من ATLAS و CMS بقياس بقايا جسيم هيجز المتفجر بأكبر قدر ممكن من الدقة ومحاولة إرجاع ما حدث مرة أخرى ، مثل المحققين الذين يكشفون القضية في الأدلة لتحديد ما إذا كان جسيم هيجز يمكن أن يصبح مصدر هذه المخلفات.
في الواقع ، لا يزال الأمر أكثر تعقيدًا. لا يكفي إنشاء جسيم هيجز واحد ، حيث لا يمكن تمييز بقاياه. في كثير من الأحيان ، يؤدي اصطدام بروتونين إلى ظهور شظايا تشبه تلك الناتجة عن تحلل جسيم هيجز. فكيف نثبت أن جسيم هيجز نشأ؟ المفتاح هو أنه على الرغم من أن جسيمات هيجز نادرة ، إلا أن حطامها يظهر بشكل منتظم إلى حد ما ، بينما تحدث عمليات أخرى في كثير من الأحيان ، ولكن بطريقة أكثر عشوائية. بنفس الطريقة التي تستطيع بها أذنك التعرف على صوت الغناء حتى من خلال التداخل الشديد على الراديو ، يمكن للمُجَرِّبين إجراء الرنين المنتظم لحقل هيغز بين النغمة العشوائية التي تم إنشاؤها بواسطة عمليات مماثلة أخرى.
إن تحريك كل هذا أمر صعب وصعب للغاية. لكن هذا تم في إطار انتصار براعة الإنسان.
فلماذا إذن ينخرط في مثل هذه المآثر الهائلة؟ بسبب الأهمية القصوى لمجال هيجز لوجودنا ذاته. فقط جهلنا حول أصله وخصائصه يمكن مقارنته بهذه الأهمية في الحجم. لا نعرف حتى ما إذا كان أحد هذه الحقول موجودًا ؛ قد يكون هناك العديد. قد يكون حقل هيجز نفسه مركبًا ، ويتكون من حقول أخرى. نحن لا نعرف لماذا هو غير صفري ، ولا نعرف لماذا يتفاعل بشكل مختلف مع الجسيمات المختلفة ، ويعطي ، على سبيل المثال ، للإلكترون ، الكتلة مختلفة تمامًا عن كتلة الكوارك العلوي. نظرًا لأن الكتلة تلعب دورًا مهمًا ليس فقط في تحديد حجم الذرات ، ولكن أيضًا في العديد من الخصائص الأخرى للطبيعة ، فإن فهمنا للكون وأنفسنا لا يمكن أن يكون كاملاً ومرضيًا ، طالما ظل مجال هيجز غامضًا للغاية. إن دراسة جسيمات هيجز - الموجات في مجال هيجز - ستمنحنا معرفة عميقة حول طبيعة هذا المجال ، تمامًا كما يمكنك التعرف على الهواء من الموجات الصوتية ، حول الحجر - من خلال دراسة الزلازل ، وعن البحر - من خلال مشاهدة الأمواج على الشاطئ.
ربما يتساءل البعض منكم (وهو محق): هذا كله ملهم للغاية ، ولكن ما الفائدة التي يمكن أن تجلبها للمجتمع بالمعنى العملي؟ قد لا تحب الجواب. لقد أثبت التاريخ أن الفوائد الاجتماعية للبحث في القضايا الأساسية قد لا تظهر لعقود ، حتى قرن. أظن أنك استخدمت جهاز كمبيوتر اليوم. أشك في أنه عندما اكتشف طومسون الإلكترونات في عام 1897 ، كان بإمكان شخص في دائرته أن يتخيل مقدار الإلكترونيات التي يمكن أن تغير المجتمع. لا نأمل في إدخال تكنولوجيا القرن المقبل ، أو كيف يمكن أن تؤثر المعرفة الباطنية المكتسبة اليوم على المستقبل البعيد. الاستثمار في البحث الأساسي دائمًا ما يكون مقامرة ، ولكنه قائم على المعرفة. في أسوأ الحالات ، نتعلم شيئًا عميقًا وغير متوقع. هذه المعرفة ، على الرغم من أنها ليست ذات قيمة من الناحية النقدية ، لا تقدر بثمن من كلا الحواس.
للإيجاز ، قمت بتبسيط شيء ما. ليس كل شيء يجب أن يكون على هذا النحو. كان من الممكن عدم اكتشاف الموجات في حقل هيجز - فقد تشبه محاولة إنشاء موجات على بحيرة أسفلتية أو في شراب سميك. يمكن أن تتلاشى الأمواج قبل أن تتشكل بالكامل. لكننا نعرف ما يكفي عن جزيئات الطبيعة لنعرف أن مثل هذا الخيار سيكون ممكنًا فقط إذا كانت هناك جزيئات وتفاعلات غير مكتشفة أخرى - ويمكن العثور على بعضها بالتأكيد على المصادم LHC. إما أن يكون جسيم (هيغز) هيجز موجودًا ، ولكن بطريقة يصعب إنتاجها ، أو قد تتفكك بطريقة غير متوقعة. في جميع هذه الحالات ، ربما مرت عدة سنوات أخرى قبل أن يبدأ حقل هيجز في الكشف عن أسراره. لذلك كنا مستعدين للانتظار ، على الرغم من أننا كنا نأمل ألا نضطر إلى شرح هذه الصعوبات لوسائل الإعلام.
لكننا كنا قلقين عبثا.
إن اكتشاف جسيم هيجز هو نقطة تحول في التاريخ. انتصار أولئك الذين اقترحوا آلية هيجز وأولئك الذين يعملون على LHC ، ATLAS و CMS. ولكن هذا لا يعني الانتهاء من الألغاز المرتبطة بكتلة الجزيئات المعروفة - هذه ليست سوى بداية أملنا في حل هذه الألغاز. في المستقبل ، ستزداد الطاقة وعدد التصادمات على المصادم LHC ، وسوف يقوم ATLAS و CMS بدراسة جسيمات هيجز بشكل شامل ومنهجي. ما يتعلمونه يمكن أن يسمح لنا بحل ألغاز هذا المحيط المنتج بكميات كبيرة ، والذي نسبح فيه جميعًا ، ويوجهنا أكثر على طول الطريق الملحمي الذي بدأ منذ أكثر من مائة عام ، والذي يمكن أن يستغرق عقودًا وقرونًا ، ويمتد إلى ما هو أبعد من آفاق.