مجال هيغز

مجال هيجز

هو مجال من الطاقة غير المرئية الذي يعتقد بأنه موجود في كل مكان في الكون. هذا المجال يترافق دائمًا مع بوزونات هيجز، هذه البوزونات تستخدم هذا المجال من أجل التفاعل المستمر مع الجزيئات الأخرى. ونتيجة لمرور هذه الجزيئات خلال هذا المجال فإنها تكتسب كتلة إضافية وتنخفض سرعتها في المقابل.الكتلة المكتسبة لا يتم توليدها من خلال المجال نفسه، لأن هذا الأمر سيتعارض مع قوانين بقاء المادة، ولكن الكتلة تنقل للجزيئات عبر مجال هيجز الذي يحتوي على الكتل النسبية في صورة طاقة مرتبطة به. ومجال هيغز بشكل عام لا يختلف كثيرًا عن المجالات المغناطيسية الأخرى التي تتخلل الكون.الفيزياء تقول إن البوزونات (سنسميها البوزونات القياسية) ستقوم بامتصاص كتلة معينة قادمة لها من نوع آخر من البوزونات تسمى «بوزونات نامبو-جولدستون»، هذه الأخيرة تكون ناتجة عن عملية تسمى «كسر التناظر التلقائي» والتي يجري فيها كسر التناظر لمستوى فراغي ما، لتتكون جسيمات الذرة من بروتونات ونيوترونات وإلكترونات.قد تكون الجملة الأخيرة التي قلناها صعبة الفهم على كثيرين، لكن الهدف منها هو التوضيح أن هناك عملية اكتساب للكتلة تتم من خلال جسيمات متناهية الصغر، وأن هذه العملية لا تتم إلا من خلال عبور هذه الجسيمات من خلال مجال هيجز. ودون وجود مجال هيجز لكانت البوزونات كلها عديمة الكتلة وغير قادرة على منح كتل جديدة لبقية الجسيمات أو توليد جسيمات جديدة.المعضلة الأكبر في علم الفيزياء هي تلك التي يواجهها العلماء نتيجة محاولة التوفيق بين نظريتي ميكانيكا الكم ونسبية أينشتاين العامة. فحتى نهاية فترة العشرينات من القرن الماضي، كانت النظرية النسبية العامة لأينشتاين قد انتشرت انتشارًا واسعًا بعد أن قدمت تفسيرًا مقبولًا لدى العلماء في فهم ما يحدث على مستوى الكون الكبير أو الفضاء الخارجي، بعدما تمكنت من وصف كيفية تحكم قوة الجاذبية في حركة الأجرام السماوية.شكل بياني لمجال هيجزوفي بداية الثلاثينات بدأت ميكانيكا الكم العمل على الكون الصغير، أو على المستوى الذري لتفك أسرار الذرة ومكوناتها. تمكنت هذه النظرية بشكل ممتاز من تقديم وصف دقيق لعمل كل القوى الطبيعية في العالم متناهي الصغر، أو العالم المجهري عدا قوة الجاذبية. وفي الوقت الذي قدمت فيه النظرية النسبية تفسيرًا لكيفية عمل الجاذبية بالنسبة للأجرام السماوية، لم تتمكن ميكانيكا الكم من تقديم فهم ملائم لكيفية عمل الجاذبية على مستوى الذرات والجزيئات الأصغر من الذرة. ولعشرات السنين باءت كل محاولات وصف الجاذبية بنفس طريقة القوى الأخرى بلغة الكم بالفشل.من هنا فإن كلا النظريتين تتكاملان كلّ على حدة، لكن الجمع بينهما يؤدي إلى نتائج توصف بالكارثية في فهم الكون من أصغر الأجزاء إلى أكبرها، لأنه عند الجمع بين النظريتين فإنهما تتنافيان بحيث لابد أن تكون واحدة منهما فقط على صواب. والفكرة من محاولة جمع النظريتين من الأساس ترجع إلى التخيل بأنك تعيش في مدينة ما يسودها نظامان مختلفان من أنظمة المرور، فما الذي يمكن أن يحدث؟وطبقًا لهاتين النظريتين، فإننا سنكون أمام أحد خيارين، إما أن مجال هيجز مطفأ، وبالتالي فإن قيمته تساوي صفر، وهو ما يعني عدم قدرته على منح الجسيمات والجزيئات كتلة إضافية. هذا الأمر معناه عدم تكون أي أجسام جديدة في الكون، لن تتكون نجوم أو كواكب أو مجرات أو أي شيء. والاحتمال الثاني هو أن مجال هيجز فعال بشكل كامل وبالتالي فإن قيمته ستصبح رقمًا ضخمًا للغاية. المذهل هنا أن كلا الاحتمالين لم يكن صحيحًا.

رقم غير مسبوق

ما توصل له العلماء هو أن مجال هيجز فعال، لكن بقيمة متناهية الصغر، تكاد أن تكون صفرًا. ويوضح عالم فيزياء الجسيمات في المنظمة الأوروبية للأبحاث (سيرن)، هاري كليف، أن قيمة مجال هيجز أصغر بمقدار 10 آلاف تريليون مرة من قيمته المفترضة إذا ما كان المجال فعالًا بشكل كامل.هذا الرقم على الرغم من أنه أحد أصغر الأرقام في علم الفيزياء كلها إلا أنه رقم في منتهى الأهمية والخطورة. فلو نقص الرقم لما كانت هناك أي أجسام جديدة تتكون، ولو زاد الرقم لتحولت كل الجسيمات الأولية إلى أجسام كبيرة 
بوزون هيغز . جسيم أولي يُظن أنه المسؤول عن اكتساب المادة لكتلتها. وقد تم رصد إشارات لجسيم هيغز عملياً في عام 2011 في مايعرف بـ مصادم الهادرونات الكبير، وأعلن مختبر سيرن في 4 يوليو 2012 أنه متأكد بنسبة 99.999% من وجود بوزون هيغز فعلياً. وكان قد تنبأ الفيزيائي الإسكتلندي "بيتر هيغز" عام 1964 بوجوده في إطار النموذج الفيزيائي القياسي الذي يفترض أن القوى الأساسية قد انفصلت عند الانفجار العظيم ، وكانت قوة الجاذبية هي أول ما انفصل ثم تبعتها بقية القوى. ويُعتقد طبقا لهذه النظرية أن البوزون - وهو جسيم أولي افتراضي ثقيل ، تبلغ كتلته نحو 200 مرة كتلة البروتون حسب نظرية هيغز - هو المسؤول عن طريق ما ينتجه من مجال هيجز على حصول الجسيمات الأولية لكتلتها ، مثل الإلكترون والبروتون والنيوترون وغيرها . فالتصور هو انه عندما يتحرك فهو يعاني مقاومة من مجال هيغز ، تلك المقاومة تظهر على اللإلكترون في هيئة كتلة. كل جسيم أولى يكتسب كتلته عندما يتحرك في مجال هيغز "الأساسي" ويتأثر بهذا المجال . فالبروتون مثلا يعاني في مجال هيغز أكثر مما يعاني الإلكترون ، وهذا هو تفسير هيغز بأن البروتون أكبر كتلة نحو 1840 مرة من كتلة الإلكترون . وطبقا لنظرية هيغز كل جسيم أولى يكتسب كتلته بقدر تأثره وتفاعله مع مجال هيغز . صاغ هيغز نظريته هذه خلال الستينيات من القرن الماضي.

لإثبات صحة نظرية هيغز من عدمها كان لابد للعلماء أن يبنوا معجلا للجسيمات تكفي قدرته على "تخليق" جسيم هيغز ، الذي تصل كتلته طبقا للنظرية نحو 200 ضعف كتلة البروتون. وبالفعل بني مصادم الهادرونات الكبير LHC على مدى نحو 15 عاما - وهو يعتبر أكبر جهاز علمي على الأرض ، حيث تكلف نحو 7.5 مليار أورو (حوالي 9 مليار دولار أمريكي حتى جوان 2010). بدأ مصادم الهادرونات الكبير العمل في عام 2011 ، وتمكن العلماء من رصد بوزون هيغز عمليا بنسبة ثقة 99.999% .

يقع مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في مختبر سيرن حيث تصل فيه سرعة البروتونات إلى سرعة الضوء تقريبا. وهو يشمل دائرة تسريع للبروتوتات محيطها 27 كيلومتر تحت الأرض . تسرّع البروتونات في اتجاهين متضادين إلى سرعة مقاربة من سرعة الضوء ، ثم تصوّب البروتونات ضد بعضها البعض بتلك السرعتين الهائلتين ، ويتم رصد جميع ما ينتج من جسيمات وإشعاعات من هذا التصادم وتحليلها. ثم تمت دراسة نتائج هذا الاصطدام الذي يماثل ظروف الانفجار العظيم على مستوى مصغر. ولتمثيل ظروف اللحظة الزمنية 10−35 من الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم، والتي يُعتقد أن بوزونات هيجز تكونت عندها, يتطلب تخليقها ظروفا قد تصل إلى 5000 مليار إلكترون فولت. تم تأكيد وجود جسيم هيغز من قبل سيرن يوم الأربعاء في 4 يوليو 2012