بوزون هیگز و ماده تاریک

عالم شامل ماده و انرژی بیشتری نسبت به آن چیزی است که دیده می‌شود. ماده تمام ستارگان و کهکشان‌ها در حدود پنج درصد از کل اجزای عالم محاسبه‌ شده است. بزرگ‌ترین سهم، 68 درصد به شکل نوعی انرژی ناشناخته بوده و بسیار اسرارآمیز باقی مانده است. بقیه آن، یعنی 27 درصد عالم شامل ماده تاریک، نوعی از ماده است که هیچ نوری ساطع یا جذب نمی‌کند، به همین دلیل عنوان ماده تاریک را روی آن گذاشته‌اند. ماده تاریک به نظر می‌رسد که موارد مشابه کمی با ذرات بنیادی مدل استاندارد داشته باشد. به‌ هر حال، در وجود ماده تاریک شکی نیست و توانسته‌ایم حضور آن را به شیوه‌های مختلف بسیاری از طریق تأثیرات گرانشی آن آشکارسازی کنیم. وجود ماده تاریک بدون شک تأیید شده است. ماده تاریک همچنین عنصر ضروری در تشکیل کهکشان‌هاست. بدون ماده تاریک، مدل‌های کیهان‌شناسی نمی‌توانستند تحول عالم از مهبانگ 13.8 میلیارد سال پیش را مانند آنچه امروزه در اطراف خود می‌بینیم دوباره بازسازی کنند.
آزمایش‌های متعددی در زیر زمین، در مدار دور زمین و در برخورددهنده بزرگ هادرونی در حال انجام است تا ذرات ماده تاریک را آشکارسازی کنند. آشکارسازی تنها زمانی ممکن است که ماده تاریک به نوعی با ماده معمولی برهمکنش داشته باشد و این مورد هنوز هم شناخته‌شده نیست. تعدادی آزمایش گزارش کرده‌اند که ذرات ماده تاریک را کشف کرده‌اند، اما چند آزمایش دیگر با آن نتایج در تضاد هستند. کارهای زیادی در دست انجام هستند و ما منتظر پیشرفت‌های جدیدی هستیم. وقتی ماده تاریک میدان‌های گرانشی تولید می‌کند، این‌طور به نظر می‌‌آید که ذرات تاریک دارای جرم هستند. اگر این‌طور باشد، این ذرات احتمالا با میدان برو-آنگلرت-هیگز برهمکنش دارند؛ بنابراین یک بوزون هیگز می‌تواند به ذرات ماده تاریک واپاشی کند. این واپاشي، احتمالی است که دانشمندان وقت بسیاری صرف کاوش آن کرده‌اند.
در LHC بوزون‌های هیگز گاهی در ارتباط با بوزون Z تولید می‌شود. دو کوارک که به دو پروتون برخوردی در LHC تعلق دارند، می‌توانند بوزون Z برانگیخته را تولید کنند. بوزون َZ با تکاندن انرژی مازاد و ساطع‌کردن بوزون هیگز به حالت پایه یا طبیعی خود برمی‌گردد. این فرایند بسیار مانند آنچه چیزی است که وقتی یک اتم برانگیخته با گسیل فوتونی به حالت عادی برمی‌گردد و دلیل اینکه چرا هر ماده از قبیل یک تکه فلز وقتی گداخته می‌شود، نور ساطع می‌کند. وقتی این اتفاق در LHC رخ می‌دهد، با بوزون Z نرمال و بوزون هیگز پایان می‌پذیرد. سپس هر دو می‌توانند به ذرات پایدار واپاشی کنند.
بوزون Z گاهی دو لپتون (دو الکترون یا دو میون) تولید خواهد کرد که نشان می‌دهد کدام ذره از آشکارساز عبور می‌کند. اگر به فرضیه اولیه خود بازگردیم، بوزون هیگز ما احتمالا گاهی به دو ذره ماده تاریک واپاشی می‌کند که در فیزیک با حروف یونانی نشان داده می‌شود. درنهایت، تنها پاره‌هایی / ترکش‌هایی از بوزون Z در آشکارساز قابل‌مشاهده خواهند بود، نه محصولات واپاشی بوزون هیگز. از این ‌رو، هدف چنین تجزیه ‌و تحلیلی یافتن رویدادهایی است که دارای دو لپتون (الکترون‌ها یا میون‌ها) هستند یا یافتن انرژی ازدست‌رفته که دو ذره غیرقابل مشاهده را ارائه می‌دهند.
ATLAS و CMS با دقت تمام رویدادهای منتخب در تحقیق را برای رویدادهایی با این ویژگي‌­ها مورد آزمایش قرار دادند، اما با افزایش آنچه انتظار می‌رفت از زمینه بیاید چیزی پیدا نکردند. ‌زمینه اصلی در این مورد شامل رویدادهایی است که شامل دو بوزون هستند. اولی به دو لپتون و دیگری به دو نوترینو واپاشی می‌کنند که به‌اندازه ذرات ماده تاریک غیرقابل رؤیت هستند. با استفاده از روش‌های آماری مشابه كه برای کشف بوزون هیگز توضیح داده‌ شده است، باید نتیجه بگیریم که هیچ‌چیز بیشتر از زمینه کشف نشده است. این به ما اجازه می‌دهد برای احتمال دیدن ذرات ماده تاریک که در برهمکنش با ماده معمولی هستند، محدودیت قائل شویم. این نوع از تجزیه‌ و تحلیل در LHC حتی نسبت به ذرات ماده تاریک بسیار سبک نیز حساس است. همکاری‌های CMS و ATLAS می‌تواند به روشن‌‌كردن شرایط کمک کند، حتی اگر نتایج آنها برخلاف نتایج تحقیقات مستقیم، بستگی به فرضیه‌های نظری متعدد داشته باشد.
تلاش‌ها ادامه دارد و چیزهای زیادی برای امیدداشتن وجود دارد زیرا در بهار 2015 شتاب‌دهنده ‌با انرژی بیشتر دوباره آغاز به کار کرد. بوزون‌های هیگز بیشتری تولید خواهند شد و اقبال آشکارشدن حتی نادرترین واپاشی‌های بوزون هیگز از قبیل ذرات ماده تاریک را بیشتر می‌کند. لازم به توضیح است که کشف بوزون هیگز برای فیزیک‌دان انگلیسی، پیتر هیگز، جایزه نوبل سال 2013 را به ارمغان آورد.

عالم شامل ماده و انرژی بیشتری نسبت به آن چیزی است که دیده می‌شود. ماده تمام ستارگان و کهکشان‌ها در حدود پنج درصد از کل اجزای عالم محاسبه‌ شده است. بزرگ‌ترین سهم، 68 درصد به شکل نوعی انرژی ناشناخته بوده و بسیار اسرارآمیز باقی مانده است. بقیه آن، یعنی 27 درصد عالم شامل ماده تاریک، نوعی از ماده است که هیچ نوری ساطع یا جذب نمی‌کند، به همین دلیل عنوان ماده تاریک را روی آن گذاشته‌اند. ماده تاریک به نظر می‌رسد که موارد مشابه کمی با ذرات بنیادی مدل استاندارد داشته باشد. به‌ هر حال، در وجود ماده تاریک شکی نیست و توانسته‌ایم حضور آن را به شیوه‌های مختلف بسیاری از طریق تأثیرات گرانشی آن آشکارسازی کنیم. وجود ماده تاریک بدون شک تأیید شده است. ماده تاریک همچنین عنصر ضروری در تشکیل کهکشان‌هاست. بدون ماده تاریک، مدل‌های کیهان‌شناسی نمی‌توانستند تحول عالم از مهبانگ 13.8 میلیارد سال پیش را مانند آنچه امروزه در اطراف خود می‌بینیم دوباره بازسازی کنند.
آزمایش‌های متعددی در زیر زمین، در مدار دور زمین و در برخورددهنده بزرگ هادرونی در حال انجام است تا ذرات ماده تاریک را آشکارسازی کنند. آشکارسازی تنها زمانی ممکن است که ماده تاریک به نوعی با ماده معمولی برهمکنش داشته باشد و این مورد هنوز هم شناخته‌شده نیست. تعدادی آزمایش گزارش کرده‌اند که ذرات ماده تاریک را کشف کرده‌اند، اما چند آزمایش دیگر با آن نتایج در تضاد هستند. کارهای زیادی در دست انجام هستند و ما منتظر پیشرفت‌های جدیدی هستیم. وقتی ماده تاریک میدان‌های گرانشی تولید می‌کند، این‌طور به نظر می‌‌آید که ذرات تاریک دارای جرم هستند. اگر این‌طور باشد، این ذرات احتمالا با میدان برو-آنگلرت-هیگز برهمکنش دارند؛ بنابراین یک بوزون هیگز می‌تواند به ذرات ماده تاریک واپاشی کند. این واپاشي، احتمالی است که دانشمندان وقت بسیاری صرف کاوش آن کرده‌اند.
در LHC بوزون‌های هیگز گاهی در ارتباط با بوزون Z تولید می‌شود. دو کوارک که به دو پروتون برخوردی در LHC تعلق دارند، می‌توانند بوزون Z برانگیخته را تولید کنند. بوزون َZ با تکاندن انرژی مازاد و ساطع‌کردن بوزون هیگز به حالت پایه یا طبیعی خود برمی‌گردد. این فرایند بسیار مانند آنچه چیزی است که وقتی یک اتم برانگیخته با گسیل فوتونی به حالت عادی برمی‌گردد و دلیل اینکه چرا هر ماده از قبیل یک تکه فلز وقتی گداخته می‌شود، نور ساطع می‌کند. وقتی این اتفاق در LHC رخ می‌دهد، با بوزون Z نرمال و بوزون هیگز پایان می‌پذیرد. سپس هر دو می‌توانند به ذرات پایدار واپاشی کنند.
بوزون Z گاهی دو لپتون (دو الکترون یا دو میون) تولید خواهد کرد که نشان می‌دهد کدام ذره از آشکارساز عبور می‌کند. اگر به فرضیه اولیه خود بازگردیم، بوزون هیگز ما احتمالا گاهی به دو ذره ماده تاریک واپاشی می‌کند که در فیزیک با حروف یونانی نشان داده می‌شود. درنهایت، تنها پاره‌هایی / ترکش‌هایی از بوزون Z در آشکارساز قابل‌مشاهده خواهند بود، نه محصولات واپاشی بوزون هیگز. از این ‌رو، هدف چنین تجزیه ‌و تحلیلی یافتن رویدادهایی است که دارای دو لپتون (الکترون‌ها یا میون‌ها) هستند یا یافتن انرژی ازدست‌رفته که دو ذره غیرقابل مشاهده را ارائه می‌دهند.
ATLAS و CMS با دقت تمام رویدادهای منتخب در تحقیق را برای رویدادهایی با این ویژگي‌­ها مورد آزمایش قرار دادند، اما با افزایش آنچه انتظار می‌رفت از زمینه بیاید چیزی پیدا نکردند. ‌زمینه اصلی در این مورد شامل رویدادهایی است که شامل دو بوزون هستند. اولی به دو لپتون و دیگری به دو نوترینو واپاشی می‌کنند که به‌اندازه ذرات ماده تاریک غیرقابل رؤیت هستند. با استفاده از روش‌های آماری مشابه كه برای کشف بوزون هیگز توضیح داده‌ شده است، باید نتیجه بگیریم که هیچ‌چیز بیشتر از زمینه کشف نشده است. این به ما اجازه می‌دهد برای احتمال دیدن ذرات ماده تاریک که در برهمکنش با ماده معمولی هستند، محدودیت قائل شویم. این نوع از تجزیه‌ و تحلیل در LHC حتی نسبت به ذرات ماده تاریک بسیار سبک نیز حساس است. همکاری‌های CMS و ATLAS می‌تواند به روشن‌‌كردن شرایط کمک کند، حتی اگر نتایج آنها برخلاف نتایج تحقیقات مستقیم، بستگی به فرضیه‌های نظری متعدد داشته باشد.
تلاش‌ها ادامه دارد و چیزهای زیادی برای امیدداشتن وجود دارد زیرا در بهار 2015 شتاب‌دهنده ‌با انرژی بیشتر دوباره آغاز به کار کرد. بوزون‌های هیگز بیشتری تولید خواهند شد و اقبال آشکارشدن حتی نادرترین واپاشی‌های بوزون هیگز از قبیل ذرات ماده تاریک را بیشتر می‌کند. لازم به توضیح است که کشف بوزون هیگز برای فیزیک‌دان انگلیسی، پیتر هیگز، جایزه نوبل سال 2013 را به ارمغان آورد.