بیش از یک دهه است که ذره مرموز بوزون هیگز توجه دانشمندان سراسر جهان را به خود جلب کرده است و به اعتقاد آنها از زمان کشف آن در برخورد دهنده بزرگ هادرونی(LHC) در ۱۱ سال پیش، این ذره‌ی گریزان کلید کشف رازهای ساختار بنیادی کیهان را در اختیار دارد.

بوزون هیگز

«بوزون هیگز»(Higgs boson) برگرفته از نام پیتر هیگز، معروف به ذره خدا، یک ذره بنیادی اولیه دارای جرم است. مشاهده تجربی این ذره باعث شد دانشمندان بتوانند درباره چگونگی جرم‌دار شدن ماده توسط ذرات بنیادی بدون جرم دیگر را توضیح دهند. بوزون هیگز به‌ طور مشخص می‌تواند دلایلی برای تفاوت‌های بین فوتون که بدون جرم است و بوزون‌های W و Z که نسبتاً پرجرم هستند، ارائه کند.

جرم ذرات بنیادی، تفاوت‌های بین الکترومغناطیس(که توسط فوتون‌ها ایجاد می‌شود) و نیروی هسته‌ای ضعیف(که توسط بوزون‌های W و Z ایجاد می‌شود) در ساختار میکروسکوپی و به‌ طبع ماکروسکوپیک ماده مؤثر هستند. بنابراین بوزون هیگز یک مؤلفه بسیار مهم در دنیای ماده است.

این ذره مانند یک قطعه از یک پازل است که وقتی به درستی درک شود، درک ما را از مدل استاندارد کیهان، نظریه‌ای که تعاملات بین ذرات در جهان را توضیح می‌دهد، کامل می‌کند.

اما نکته اینجاست که جرم بوزون هیگز چیزی نیست که بتوان آن را پیش‌بینی کرد. در عوض، فیزیکدانان برای تعیین این مقدار حیاتی به اندازه‌گیری‌های تجربی تکیه می‌کنند. اما چرا این‌قدر مهم است؟ زیرا جرم بوزون هیگز نقش مهمی در تعیین نحوه تعامل آن با ذرات دیگر و همچنین با خودش دارد.

دانشمندان با اندازه‌گیری دقیق جرم این ذره بنیادی می‌توانند محاسبات نظری را تنظیم و آنها را با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد مقایسه کنند. هرگونه انحراف از این پیش‌بینی‌ها می‌تواند به پدیده‌های کاملاً جدید و ناشناخته اشاره کند و پایه‌های درک ما از جهان را متزلزل کند.

جرم بوزون هیگز فراتر از محاسبات نظری همچنین عمیقاً بر تکامل و پایداری خلاء کیهان تأثیر می‌گذارد. اغراق نیست اگر بگوییم شناخت دقیق این پارامتر اساسی یک تغییر دهنده بازی در فیزیک ذرات است.

در طول این ۱۱ سال پس از کشف بوزون هیگز، مطالعات روی آن به یک راه اصلی برای روشن کردن ساختار بنیادی جهان تبدیل شده است. اندازه‌گیری‌های دقیق ویژگی‌های بوزون هیگز یکی از قدرتمندترین ابزارهایی است که فیزیکدانان برای اصلاح مدل استاندارد کیهان دارند و اکنون، نوبت به اندازه‌گیری دقیق جرم بوزون هیگز رسیده است.

جرم بوزون هیگز توسط مدل استاندارد پیش‌بینی نمی‌شود و باید به صورت تجربی تعیین شود. ارزیابی دقیق جرم آن در فیزیک ذرات از اهمیت بالایی برخوردار است. قدرت برهمکنش بوزون هیگز با ذرات مدل استاندارد به جرم بوزون هیگز بستگی دارد و تنها زمانی قابل محاسبه است که مقدار جرم مشخص شود. مهمتر از آن، مقدار جرم بوزون هیگز ارتباط نزدیکی با ویژگی‌های پتانسیل هیگز دارد که پایداری خلاء ضعیف الکتریکی و به طور بالقوه سرنوشت و تکامل جهان ما را تعیین می‌کند.

اکنون برنامه ATLAS که تلاشی مشترک میان فیزیکدانان و پژوهشگران از سراسر جهان است، وارد شده است. آنها از زمان کشف این ذره به خود ماموریت داده‌اند که برای جابجایی مرزهای دقت در اندازه‌گیری جرم بوزون هیگز تلاش کنند و اکنون موفق شده‌اند.

جدیدترین دستاورد برنامه اطلس

جدیدترین دستاورد برنامه اطلس شامل ترکیب دو نتیجه مهم برای تولید دقیق‌ترین اندازه‌گیری از جرم بوزون هیگز است که تاکنون ثبت شده است. اولین اندازه‌گیری بر روی فروپاشی بوزون هیگز به دو فوتون پرانرژی متمرکز شد که به عنوان «کانال دی‌فوتون» شناخته می‌شود.

نتیجه این که جرم خیره کننده ۱۲۵.۲۲ میلیارد الکترون ولت(GeV) با عدم قطعیت ۰.۱۴ GeV به دست آمد. این یعنی دقت با خطای احتمالی ۰.۱۱ درصدی که یک سطح دقت شگفت انگیز است.

این پیشرفت بدون مجموعه داده‌های کامل اطلس حاصل از عملیات‌های ۱ و ۲ برخورد دهنده بزرگ هادرونی امکان‌پذیر نبود.

با داده‌های عملیات ۲، عدم قطعیت آماری به نصف کاهش یافت و راه را برای دقت بی‌سابقه‌ هموار کرد. اما این همه‌ی ماجرا نیست. کالیبراسیونِ(درجه بندی) اندازه‌گیری‌های انرژی فوتون با پیشرفت‌های چشمگیری مواجه شد و عدم قطعیت سیستماتیک را تقریباً ۴ برابر کاهش داد و به ۰.۰۹ گیگا ولت رساند.

سپس پژوهشگران این نتیجه را با اندازه‌گیری جرم قبلی که از «کانال چهار لپتونی» به دست آمده بود، ترکیب کردند و نتیجه این شد که جرم بوزون هیگز ۱۲۵.۱۱ میلیارد الکترون ولت با عدم قطعیت تنها ۰.۱۱ میلیارد الکترون ولتی منجر به دقیق‌ترین اندازه‌گیری جرم بوزون هیگز تاکنون شد.

آندرس هوکر(Andreas Hoecker) سخنگوی برنامه اطلس می‌گوید به تعهد بی‌امان این تیم افتخار می‌کند. وی تاکید کرد که الگوریتم‌های بازسازی قدرتمند و کالیبراسیون‌های دقیق آنها ابزار مخفی دستیابی به این نقطه عطف بوده‌اند.

اما این کشف چیزی بیش از فقط محاسبه جرم یک ذره بنیادی است. این کشف نشان دهنده گام مهم دیگری در نقشه برداری با جزئیات فزاینده در بخش جدید و حیاتی فیزیک ذرات است. همانطور که استفانو مانزونی، تشکیل دهنده زیرگروه کالیبراسیون الکترون-فوتون اطلس می‌گوید، تکنیک‌های کالیبراسیون پیشرفته و دقیق مورد استفاده در این تحلیل برای بالا بردن دقت به چنین سطح بی‌سابقه‌ای حیاتی بودند و آنها همچنین به نفع تجزیه و تحلیل‌های آینده خواهند بود.