یافته‌ها درباره‌ی بوزون هیگز ممکن است برای پیش‌گام بودنِ نظریه‌ی مه‌بانگ دردسرساز باش

[∆ MeRzaD ∆]

یافته‌های جدید در LHC به همراهِ تازه‌ترین تصویرِ به دست آمده از کیهانِ نخستین، پرسش‌های نوینی را درباره‌ی «تورمِ» کیهانی مطرح کرده است. تاکنون در آزمایش‌های LHC هیچ نشانه‌ای مبنی بر ناسازگاری با مدلِ استانداردِ ذراتِ بنیادی مشاهده نشده است. بنابراین اگر داده‌های به دست آمده درباره‌ی بوزون هیگز در LHC را به عنوانِ اساس در نظر بگیریم، با بررسیِ مدل‌های تورمیِ هم‌وار که تاکنون توسطِ داده‌های ماموریتِ پلانک تایید شده‌اند به این نتیجه می‌رسیم که روندِ تورم در کیهانِ نخستین باید به تندی متوقف شده و کیهان از رشدِ تورمیِ خود باز می‌ایستاد. این به این معنی‌ست که اگر کیهانِ نخستین را با مدل‌های تورمیِ هم‌وار توصیف کنیم، کیهانِ کاملاً بالغِ امروزین نتیجه نمی‌شود.

در ماهِ مارچِ 2013 اعضای گروهِ ماموریتِ پلانک از آژانسِ فضاییِ اروپا، از نقشه‌ای رونمایی کردند که تا به امروز بیش‌ترین جزییات از افت‌وخیز‌های موجود در تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی را در بر داشته است. تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی هم‌چون شفقی‌ست که پس از مه‌بانگ به جای مانده است. چنین به نظر می‌رسید که بخش‌های بسیاری از این نقشه در هم‌خوانی با مدلِ استانداردِ کیهان‌شناختی‌ست. اما هم‌اینک بررسیِ بحث‌انگیزی در جریان است که یافته‌های (ماموریتِ) پلانک را با داده‌های تازه درباره‌ی (ذره‌ی) بوزونِ هیگز ترکیب کرده و نظریه‌ی رایجِ (مدلِ استانداردِ کیهان‌شناختی) را به ورطه‌ی ابهام می‌کشاند.

تحلیلِ اولیه‌ی داده‌های رصدخانه‌ی فضایی که در سرورِ پیش‌ازچاپِ arXiv منتشر شده نشان می‌دهد که الگوی دقیقِ دمایی که در تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی (یا به اختصار CMB) مشاهده شده در سازگاری با پیش‌بینی‌های مدلِ استانداردِ کیهان‌شناختی است. این مدل بر این ادعا است که اندک‌زمانی پس از مه‌بانگ، کیهانِ نخستین انبساطی نمایی و انفجارگونه را تجربه کرده که این بازه را با نامِ «تورم» می‌شناسیم. اما به تازگی  پائول اِشتاین‌هارت (Paul Steinhardt) اخترفیزیک‌دانی از دانش‌گاهِ پرینستون واقع در نیوجرسی به هم‌راهِ هم‌کارانش، در پاسخ به مقاله‌ی انتشاریافته در arXiv مقاله‌ای منتشر کرده و در آن اشاره کرده‌اند که هنوز برای خوش‌آمدگویی به مدلِ تورمی به عنوانِ یک پیروزی، بسیار زود است.

داده‌هایی درباره‌ی بوزونِ هیگز که از برخورددهنده‌ی بزرگِ هادرونی (LHCکه در تصویرِ بالا نشان داده شده) در کنارِ تازه‌ترین نقشه‌برداری از امواجِ میکروموجِ آسمان، برخی از فیزیک‌دانان را بر آن داشته که پرسش‌هایی درباره‌ی مدلِ استانداردِ کیهان‌شناختی مطرح سازند.

در واقع مدلِ تورمی در دهه‌ی 1980 برای توضیحِ این مسئله ارایه شد که چرا تابشِ CMB حتی در بخش‌هایی که امروز در دو انتهای کیهانِ قابلِ مشاهده‌ی ما قرار گرفته‌اند، هم‌دما است. پاسخِ این مدل آن است که پیش از آن‌که گسترشِ ناگهانیِ کیهان در دوره‌ی تورمی، نواحیِ مختلفِ کیهان را از هم دور کند این نواحیِ دورافتاده (که اینک در دو سوی کیهان قرار گرفته‌اند) با یک‌دیگر ارتباطِ تنگاتنگی داشته و بنابراین ویژگی‌های فیزیکیِ خود را با هم به اشتراک گذاشته‌اند.

کیهان‌شناسان به طورِ دقیق نمی‌دانند که چه چیز موجبِ آغازِ تورم (در کیهان) شده است، اما بر این باورند که برهم‌کنش و تاثیرِ متقابلِ شماری از میدان‌های فراگیر در سرتاسرِ کیهان، حالتِ امروزیِ آن را تعیین کرده است که این میدان‌ها شاملِ میدانِ هیگز و «اینفلاتون (inflaton)» هستند. مدلِ تورمی چنین ادعا می‌کند که هرگاه انرژیِ میدانِ اینفلاتونی بر دیگر میدان‌ها چیره شود، آغازِ روندِ تورمی را سبب می‌شود. تاکنون میدان‌های اینفلاتونیِ متفاوتی پیش‌نهاد شده اند که هر کدام با انرژیِ پتانسیلِ متفاوتی تعریف شده و بنابراین میزانِ انبساطِ کیهان را متفاوت به دست می‌دهند، درست مانندِ آن‌که می‌دانیم سرعتِ توپی که از بالای تپه‌ای به پایین بغلتد، به ارتفاعِ تپه بستگی دارد.

در کل همه‌ی مدل‌های تورمی بر این پیش‌بینیِ مشترک تکیه دارند که تغییراتِ دما در تابشِ CMB (در بخش‌های مختلفِ کیهان) باید توزیعی گاوسی داشته باشد یا به عبارتِ دیگر از منحنیِ زنگوله‌ای‌شکل پیروی کند. تاکنون داده‌های پلانک این پیش‌بینی را تایید کرده و پشتوانه‌ی محکمی برای مدلِ تورمی به شما می‌آید. اما اشتاین‌هارت و هم‌کارانش بر این باورند که «این داده‌ها ایرادهایی تازه و جدی بر این نظریه وارد می‌کنند».

گروهِ پلانک روزبه‌روز لیستِ مربوط به میدان‌های اینفلاتونیِ مجاز را کوتاه‌تر می‌کنند. در این میان مدل‌هایی که به بهترین شکل با داده‌ها هم‌خوانی دارند «مدل‌های هم‌وار» نامیده می‌شوند، چراکه نمودارِ انرژیِ پتانسیلِ این مدل‌ها در انرژی‌های نسبتاً کم، هم‌وار و افقی می‌شود. نگرانیِ اصلیِ پژوهش‌گران این است که احتمالِ پدیدارشدنِ مدل‌های هم‌وار به طورِ طبیعی، بسیار کم‌تر از مدل‌هایی‌ست که داده‌های پلانک تاکنون آن‌ها را رد کرده است.

اما به گفته‌ی پژوهش‌گران اگر نتایجِ مربوط به مدل‌های هم‌وار را به همراهِ واپسین‌نتایج درباره‌ی میدانِ هیگز (که از برخورددهنده‌ی بزرگِ هادرونی در سرن (LHC) نزدیکِ جنوا به دست آمده) تحلیل کنیم، خبرهای بدی برای مدل‌های هم‌وار به دست خواهد آمد. فیزیک‌دانانِ ذرات که در LHC کار و پژوهش می‌کنند دریافته‌اند که میدانِ هیگز احتمالاً در حالتی شبهِ پایدار با انرژیِ بالا پدید آمده است و نه در حالتی با پیکربندیِ پایدار و کم‌انرژی .

 با نگاه به نمودارِ انرژیِ پتانسیل درمی‌یابیم که حالتِ شبهِ پایدار هم‌چون استعاره‌ای از لبه‌ی پرتگاه است (برای درکِ هرچه‌بهترِ رفتارِ فیزیکیِ حالت‌ها در نمودارِ انرژیِ پتانسیل، شکل را در این پیوندگاه ببینید). اشتاین‌هارت بر این باور است که احتمالِ آن‌که در ابتدا میدانِ هیگز در حالتی شبهِ پایدار و بی‌ثبات پدید آمده باشد همانندِ آن است که جسمی از آسمان بر فرازِ قله‌ی ماترهورن (از بلندترین قله‌های رشته‌کوهِ آلپ) فرود آمده و به جای آن‌که به کوه‌پایه سقوط کند، به آسانی در چاله‌ای نزدیکِ قله‌ی کوه فرود آید. به علاوه به هنگامِ آغازِ دوره‌ی تورم، افت‌وخیزهای کوانتومیِ به وجودآمده به سرعت میدانِ هیگز را سرکوب کرده و موجبِ سقوطِ آن به حالتی با انرژیِ بسیار بسیار اندک (حالتی مانندِ حالتِ 3 در تصویرِ پیوندگاه) می‌شوند.

اشتاین‌هارت توضیح می‌دهد که در برخی از سناریوهای قدیمی درباره‌ی تورم، این موضوع جای نگرانی نبود. اما در مدل‌های تورمیِ هم‌وار، سقوطِ میدانِ هیگز از حالتِ نخستین (حالتی شبهِ ایستا با انرژیِ زیاد) به حالتی با انرژیِ بسیار کم سببِ توقفِ بسیار سریعِ تورم می‌شود که این به معنای توقفِ رشدِ کیهان است. اگر چنین می‌شد احتمالِ آن‌که کیهانِ نوپا به درونِ یک سیاه‌چاله فرو رود بیش‌تر از آن بود که به صورتِ کیهانِ کاملاً بالغِ امروزی درآید.

اشتاین‌هارت تاکید می‌کند که تحلیلِ وی تنها به این دلیل برقرار است که LHC تاکنون در آزمایش‌های خود، هیچ نشانه‌ای مبنی بر ناسازگاری با مدلِ استانداردِ ذراتِ بنیادی مشاهده نکرده است. اگر در راه‌اندازی‌های آینده‌ی LHC ذراتِ شگفت‌انگیز و ناآشنای تازه‌ای کشف شوند آن‌گاه نمودارِ انرژیِ میدانِ هیگز نیز به همان ترتیب نیاز به بازنگری خواهد داشت. اما وی می‌گوید: «اگر تنها داده‌هایی را در نظر بگیرید که در اختیارِ ما قرار گرفته است، آن‌گاه با پیمودنِ مسیری سرراست و منطقی درمی‌یابید که مدلِ تورمی و کلِ الگوی مه‌بانگ در دردسرِ بزرگی خواهند افتاد».

اشتاین‌هارت در ساختن و پیش‌نهادکردنِ ادعاهای بحث‌برانگیز درباره‌ی کیهان، پژوهش‌گرِ تازه‌کاری نیست. وی و برخی از هم‌کارانش به مدتِ چندین سال بر روی پیش‌بردِ «نظریه‌ی‌ چرخه‌ای» جای‌گزینی کار می‌کردند که در آن کیهان، زنجیره‌ای از مه‌بانگ‌ها و فشردگی‌ها را تجربه می‌کند، یعنی بازه‌های انبساطِ برون‌گرا و انقباضِ درون‌گرا به طورِ پی‌درپی در آن رخ می‌دهند. چنین نظریه‌ای بر خلافِ مدل‌های تورمی، انحراف‌های کوچکی از توزیعِ هم‌وارِ گاوسی را در افت‌وخیزهای دما پیش‌بینی می‌کند.

گروهِ پژوهشیِ پلانک هم‌چنان در پیِ یافتنِ چنین انحراف‌هایی هستند و برخی از اعضای این گروه بر این باورند که نتایجِ مربوط به تابشِ CMB فشارِ سختی به سناریوهای چرخه‌ای خواهد آورد. اما اشتاین‌هارت و ژان-لوک لِینرز (Jen-Luc Lehners) اخترفیزیک‌دانی در بخشِ گرانش از موسسه‌ی ماکس پلانک واقع در پوتزدامِ آلمان در مقاله‌ای جداگانه که چندی پیش متنشر شده ادعا کرده‌اند که با در نظر گرفتنِ گستره‌ی خطاها در داده‌های پلانک، مدل‌های چرخه‌ای هم‌چنان ممکن و معتبر خواهند بود.

پیش از این نیز روبش‌گرِ ویلکینسونِ ناسا که در جست‌وجوی ناهمسان‌گردی‌ها در (امواجِ) میکرموجِ پس‌زمینه‌ی کیهانی‌ست، داده‌هایی درباره‌ی تابشِ CMB گردآورده بود و دیوید اِسپِرگِل (David Spergel) اخترفیزیک‌دانی از دانش‌گاهِ پرینستون سرپرستیِ گروهی از پژوهش‌گران را برای تحلیلِ این داده‌ها بر عهده داشته است. وی با این نکته هم‌نظر است که توصیفِ شرایطِ اولیه‌ی موردِ نیاز برای کیهان، به‌گونه‌ای که آن را به صورتِ امروزینش به دست دهد دارای پیچیدگی‌هایی‌ست. او می‌افزاید: «همه‌ی ایده‌های ما درباره‌ی کیهانِ نخستین دارای مشکلاتِ مفهومیِ برجسته‌ای‌ست». اسپرگل هم‌چنین می‌پذیرد که برخی مدل‌های چرخه‌ای با داده‌های پلانک هم‌خوانی و سازگاری دارند.

چندی پیش برنامه‌ای با عنوانِ «کیهان‌شناسیِ نخستین» در موسسه‌ی فیزیکِ نظریِ کاولی واقع در سانتاباربارای کالیفرنیا برگزار شد و برخی شرکت‌کنندگان، نگرانی‌های اشتاین‌هارت را موردِ بحث قرار داده و آن‌ها را رد کردند. البته اعضای پروژه‌ی پلانک هم در میانِ این دسته از شرکت‌کنندگان بودند.

اِوا سیلوراشتاین (Eva Silverstein) فیزیک‌دانِ نظری از دانش‌گاهِ استنفورد در کالیفرنیا و یکی از ترتیب‌دهنده‌های این برنامه می‌گوید: «نویسندگانِ این مقاله (اشتاین‌هارت و هم‌کارانش) چنین ادعا می‌کنند که مدل‌های تورمیِ مجاز و به جا مانده (که نتایجِ پلانک هنوز آن‌ها را رد نکرده است) به گفته‌ی آن‌ها «نامحتمل» هستند. خودِ واژه‌ی «نامحتمل» مفهومِ مبهم و نامشخصی‌ست». وی اشاره می‌کند که سازوکارهای تورمی وجود دارند که از دیدگاهِ نظری کامل بوده و مدل‌های هم‌وارِ مجاز را نیز به دست می‌دهند.

سیلوراشتاین می‌افزاید: «من بر این باورم که بیش‌ترِ فیزیک‌دانان می‌پندارند که هنوز هم دانستنی‌های بسیار بیش‌تری درباره‌ی شرایطِ اولیه‌ی پیش از تورم وجود دارد. با این حال باید توجه کرد که نتایجِ پلانک، هم‌خوانیِ چشم‌گیری با الگوی تورمی دارد».