این پژوهش نشان میدهد که چگونه میتوان منشأ جرم ذرات را تنها با اتکا به ساختار هندسی فضا توضیح داد؛ رویکردی که نهتنها راهی تازه برای دور زدن میدان هیگز پیشنهاد میکند، بلکه میتواند سرنخهایی درباره چگونگی پیدایش خود میدان هیگز و نیز برخی از خلأهای حلنشده در مدل استاندارد فیزیک ذرات ارائه دهد.
«در چارچوبی که ما پیشنهاد میکنیم،» ریچارد پینچاک، فیزیکدان نظری از آکادمی علوم اسلواکی، میگوید: «ماده از مقاومت خودِ هندسه پدیدار میشود، نه از یک میدان خارجی.» به بیان دیگر، جرم نتیجه برهمکنش ذرات با یک میدان نامرئی نیست، بلکه حاصل پیچش و ساختار درونی فضا در ابعادی فراتر از تجربه روزمره ماست.
میدان هیگز نخستینبار در دهه ۱۹۶۰ میلادی مطرح شد تا یکی از بزرگترین معماهای فیزیک ذرات را حل کند: اینکه چرا ذرات بنیادی جرم دارند. این پرسش سالها مانع شکلگیری یک نظریه منسجم در فیزیک ذرات شده بود. معرفی میدان هیگز نقش کلیدی در تکمیل مدل استاندارد ایفا کرد؛ مدلی که امروزه چارچوب اصلی ما برای درک رفتار ذرات بنیادی است.
برای توضیح ساده سازوکار هیگز، اغلب از یک تشبیه استفاده میشود. تصور کنید کل جهان از نوعی ماده چسبناک نامرئی پر شده است. هر ذرهای که در فضا حرکت میکند، ناچار است از میان این ماده عبور کند. برخی ذرات تعامل شدیدی با این «چسب کیهانی» دارند؛ گویی در گل و لای حرکت میکنند، و به همین دلیل سنگین به نظر میرسند، مانند بوزونهای W و Z. برخی دیگر تعامل ضعیفتری دارند و سبکترند، مانند الکترون. فوتونها اصلاً با این ماده برهمکنش نمیکنند و بنابراین بدون جرم باقی میمانند. این فرآیند به «سازوکار هیگز» معروف است و به شکلی بسیار منظم جرم ذرات را توضیح میدهد.
ما میدانیم میدان هیگز واقعاً وجود دارد، زیرا نوسان کوانتومی آن، یعنی بوزون هیگز، سرانجام در سال ۲۰۱۲ با اطمینان بالا در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) کشف شد. با این حال، این کشف به معنای بستهشدن کامل پرونده نیست. هنوز پرسشهای اساسی بسیاری بیپاسخ ماندهاند.
برای مثال، چرا میدان هیگز دقیقاً چنین ویژگیهایی دارد؟ چرا شدت آن این مقدار است و نه بیشتر یا کمتر؟ چرا این میدان اصلاً وجود دارد؟ افزون بر این، سازوکار هیگز هیچ توضیحی برای ماده تاریک، انرژی تاریک یا شتاب گرفتن انبساط جهان ارائه نمیدهد. بهروشنی، بخشی از تصویر هنوز گم شده است.
پینچاک و همکارانش بر این باورند که برخی از این پاسخها ممکن است در هندسه پنهان فضا نهفته باشد؛ هندسهای که در قالب مطالعه آنها بر روی فضایی هفتبُعدی موسوم به منیفلد G2 آشکار میشود.
(یوانیوان یان / مومنت / گتی ایمیجز)
منیفلد در ریاضیات به نوعی فضای انتزاعی گفته میشود؛ اصطلاحی کلی برای هر «شکل» هندسی که میتواند خمیده، تاخورده یا پیچخورده باشد. فیزیکدانان اغلب از منیفلدها برای توصیف هندسه فضا–زمان یا ابعاد اضافی پنهانی استفاده میکنند که در نظریههایی مانند نظریه ریسمان پیشنهاد شدهاند.
در چنین نظریههایی، جهان فقط به سه بُعد مکانی آشنای بالا–پایین، چپ–راست و جلو–عقب محدود نمیشود. برخی از این فضاها به تعداد بیشتری جهت مستقل نیاز دارند؛ گاهی تا هفت بُعد یا حتی بیشتر. منیفلد G2 نوع خاصی از فضای هفتبُعدی است که ساختار آن بهشدت محدود و منظم است و تنها در شرایط خاصی میتواند وجود داشته باشد.
پژوهشگران در این مطالعه، معادلهای جدید به نام جریان ریچی G2 (G2-Ricci flow) معرفی کردند که به آنها اجازه میدهد بررسی کنند یک منیفلد G2 چگونه در گذر زمان تغییر میکند و به چه حالتی میرسد.
پینچاک توضیح میدهد: «همانطور که در سامانههای زیستی میبینیم—مانند پیچخوردگی DNA یا راستدستی و چپدستی اسیدهای آمینه—این ساختارهای بُعدِ اضافه نیز میتوانند دارای پیچش ذاتی یا تورشن باشند؛ نوعی پیچ درونی که جزئی از هندسه آنهاست.»
وقتی پژوهشگران اجازه دادند این ساختارهای هندسی در زمان تکامل پیدا کنند، دریافتند که آنها میتوانند به حالتهای پایدار خاصی برسند که «سولیتون» نام دارند. سولیتونها ساختارهایی شبیه موج هستند که میتوانند شکل خود را برای مدت بسیار طولانی، حتی بهطور نظری برای همیشه، حفظ کنند.
نکته شگفتانگیز این بود که منیفلد G2 در این مدل به یک پیکربندی پایدار با پیچش مشخص آرام میگرفت. این پیچش یا تورشن، بهنوعی بر بوزونهای W و Z «نقش میبست» و اثری دقیقاً معادل اثر جرمدهی میدان هیگز ایجاد میکرد. به بیان سادهتر، جرم این ذرات نه از یک میدان، بلکه مستقیماً از هندسه فضا ناشی میشد.
نتایج این پژوهش همچنین بهطور مقدماتی نشان میدهد که انبساط شتابدار جهان ممکن است با نوعی خمیدگی مرتبط باشد که از همین تورشن در منیفلدهای G2 ناشی میشود. اگر این تورشن رفتاری شبیه یک میدان داشته باشد، آنگاه باید ذراتی را نیز پدید آورد؛ درست همانطور که میدان هیگز به بوزون هیگز منجر میشود.
پژوهشگران نام این ذره فرضی را تورستون (Torstone) گذاشتهاند و ویژگیهای احتمالی آن را توصیف کردهاند. اگر تورستون واقعاً وجود داشته باشد، ممکن است نشانههای آن در ناهنجاریهای برخورددهندههای ذرات، اختلالات غیرعادی در تابش زمینه کیهانی یا حتی سیگنالهای غیرمنتظره در امواج گرانشی آشکار شود.
البته وجود تورستون هنوز بههیچوجه اثبات نشده است. اما اگر میدان تورشن واقعاً در طبیعت وجود داشته باشد، این پژوهش دستکم نشان میدهد که از کجا و چگونه باید به دنبال آن گشت.
بیتردید، این ایدهها جسورانه و پیچیدهاند. اما نباید فراموش کرد که میدان هیگز نیز زمانی ایدهای بسیار عجیب و حتی نامحتمل به نظر میرسید؛ ایدهای که نزدیک به ۵۰ سال طول کشید تا شواهد تجربی آن بهدست آید. امیدواریم برای پاسخ درباره منیفلدهای G2 و هندسه بُعدهای پنهان، مجبور نباشیم نیمقرن دیگر صبر کنیم.
پینچاک در پایان میگوید: «طبیعت اغلب راهحلهای ساده را ترجیح میدهد. شاید جرم بوزونهای W و Z نه از میدان مشهور هیگز، بلکه مستقیماً از هندسه فضای هفتبُعدی ناشی شده باشد.»
این دیدگاه، اگر روزی تأیید شود، میتواند درک ما از جرم، فضا، و ساختار بنیادین جهان را بهطور اساسی دگرگون کند.
