قيزيك ذرات بنيادي چيست؟

فيزيك ذرات بنيادي بخشي از فيزيك است. موضوع مورد مطالعه ي فيزيكدانان ذرات بنيادي اين است

كه بدانند جهان از چه ذراتي ساخته شده و اين ذرات چگونه در كنش با يكديگر هستند. اما اين ذرات چه هستند؟

در حدود سال 1900 تصور مي شد كه اتم سنگ بناي جهان است و غير قابل تجزيه مي باشد

بزودي مشخص شد كه اتم از يك هسته ي مركزي با الكتريكي مثبت و تعدادي الكترون كه در اطراف آن در گردشند، تشكيل شده است

هنگاميكه هسته مورد مطالعه قرار گرفت، فيزيكدانان متوجه شدند كه هسته از پروتون با بار الكتريكي مثبت و نوترون كه از نظر الكتريكي حنثي است تشكيل شده و الكترونها در اطراف آن در گردشند

ماده از چه ذراتي ساخته شده است؟ هرچه تحقيقات روي هسته بيشتر انجام مي شد، ذرات جديدي كشف مي شدند. همچنين تحقيقات بيشتر نشان داد  كه پروتونها و نوترونها نيز از ذرات ديگري كه  كوارك ناميده شدند ساخته شده است سرانجام فيزيكدانان  ذرات سازنده ي  ماده را به دو دسته  لپتونها و كواركها  تقسيم كردند  در اين تقسيم بندي هادرونها از جمله پروتون و نوترون ذره ي بنيادي نيستند و از كواركها ساخته شده اند

 

پاد ماده يكي از كشفيات بسيار جالب، كشف پاد ماده است  براي هر ذره ي بنيادي يك ذره ديگري وجود دارد  كه آن را پا ماده ي آن مي نامند  به عنوان مثال پاد ماده ي الكترون، پوزيترون است  كه تنها از نظر الكتريكي با هم تفاوت دارند  ماده و پاد ماده يكديگر را جذب كرده و به انرژي تبديل مي شوند  بهمين دليل آنها را پاد ماده مي نامند  توجه شود كه پاد ماده تنها يك اصطلاح است و از نظر فيزيكي هر دوي آنها ماده مي باشند

 

اسپين

اسپين يكي از خواص ذرات مانند جرم و بار است. اسپين اندازه ي حركت زاويه اي ذره است

و ساده ترين راه براي اندازه گيري اندازه حركت زاويه اي ذره بر اثر گردش آن است

 در واقع سخن از گردش ذره درست نيست، بلكه اندازه حركت زاويه اي ذره يكي از خواص ذاتي ذرات است

 اسپين نظير اندازه حركت و انرژي در تمام مراحل ثابت است

كواركها

شش كوارك و شش پاد كوارك وجود دارد كه كه سه دسته دوتايي تشكيل مي دهند. اين گروهها عبارتند از

up-down

بالا-پايين

charm-strange

عجيب-افسون

top-bottom

سر- ته

 

يك خاصيت ديگر جالب كواركها اين است كه هيچگاه كواركها به تنهايي مشاهده نمي شوند

و آنها در كنار يكديگر قرار دارند و ذرات مركب را مي سازند

 اين ذرات مركب هادرون ناميده مي شوند

كواركها نطير الكترون و پروتون داراي بار الكتريكي هستند. اما بار الكتريكي كواركها كسري از بار الكتريكي پايه است

 

Flavour		Mass (GeV/c2)	Electric Charge (e)
u	up	0.004	+2/3
d	down	0.08	-1/3
c	charm	1.5	+2/3
s	strange	0.15	-1/3
t	top	176	+2/3
b	bottom	4.7	-1/3

 

Leptons

Flavour		Mass (GeV/c2)	Electric Charge (e)
	electron neutrino	<7 x 10-9	0
	electron	0.000511	-1
	muon neutrino	<0.0003	0
	muon (mu-minus)	0.106	-1
	tau neutrino	<0.03	0
	tau (tau-minus)	1.7771	-1

نيروهاي اساسي

نيروهاي اساسي طبيعت عبارتند از

نيروي الكترومغناطيسي

هسته اي ضعيف

هسته اي قوي

گرانش

همه ي اين نيروها توسط ذرات تبادلي حمل مي شوند به عنوان مثال ذرات تبادلي نيروي الكترومغناطيسي فوتون ناميده مي شود الكترون و پروتون با انتشار و جذب فوتون همديگر را جذب مي كنند همچنين نوترينو يك ذره بدون بار الكتريكي است، بنابراين فوتون منتشر يا جذب نمي كند

نيروي هسته اي ضعيف

همه ي اجسام پايدار موجود در جهان از يك نوع لپتون (الكترون) و دو كوارك (بالا-پايين) ساخته شده اند

 كه تركيب اين دو كوارك بصورت پروتون و نوترون ظاهر مي شود

 در هر صورت شش تاي آنها پيشگويي و مشاهده شده اند و شش تاي ديگر مشاهده نشده اند، زيرا

كواركها و لپتونهاي سنگين به دليل وجود نيروي هسته اي ضعيف قابل مشاهده نمي باشند  نيروي هسته اي ضعيف باعث مي شود كه  كواركها و لپتونهاي سنگين به كواركها و لپتونهاي سبكتر واپاشيده شوند ذره ي حامل نيروي واپاشي لپتونها و كواركهاي سنگين  W+ and W- هر كدام از اينها شامل يك ذره ي باردار و يك ذره ي خنثاي  Z است

علاوه بر بار الكتريكي، كواركها داراي خاصيت ديگري هستند كه بار - رنگ ناميده مي شود

 colour charge

نيروي بين درات بار - رنگب سيار قوي است كه آنرا نيروي قوي مي نامند نيروي قوي بسيار سخت و جاذبه است كه روي پروتونها و نوترونها اعمال مي شود اين نيرو بر نيروي دافعه الكتريكي بين پروتونها غلبه مي كند  و موجب مي شود هسته پايدار بماند

در واقع نيروي قوي بين كواركها اعمال مي شود ذره اي كه اين نيرو را حمل مي كند گلوئون gluon  ناميده مي شود

 

مدل استاندارد ذرات بنيادي

 

با توجه به مطالب بالا مدل استاندارد ذرات بنيادي به شرح زير است شش عدد كوارك شش عدد لپتون و چهار بوزون كه نيروها را حمل مي كنند بطور كلي ذراتي كه ماده را مي سازند فرميون و ذراتي كه نيرو ها را حمل مي كنند بوزون ناميده مي شوند

 

 اين نظريه در گذشته براي توضيح جرم حالت سكون مورد استفاده قرار گرفته بود. مقصود از جرم حالت سكون خاصيت مقاومت اجسام در مقابل تغيير سرعت (شتاب) است

اما اكنون اين نظريه براي تعريف جرم گرانشي نيز مورد استفاده قرار گرفته است. مقصود از جرم گرانشي نيرويي است كه ماده يا يك جسم مادي در درون يك ميدان جاذبه احساس مي‌كند

سالهاي سال نظر متعارف در ميان دانشمندان داير بر آن بود كه چيزي كه از آن با عنوان ميدان هيگز ياد مي‌كردند و معتقد بودند به وسيله ذره‌اي موسوم به بوزون هيگز توليد مي‌شود مسوول بروز جرم در اجسام است

اما مشكلي كه وجود دارد آن است كه به رغم هزينه و زمان زيادي كه صرف شده و استفاده زيادي كه از دستگاههاي شتاب‌دهنده به عمل آمده هنوز هيچكس بوزون هيگز را در آزمايشگاه يا در عرصه كيهان رديابي نكرده است

ذره هيگز در دهه ‪ ۱۹۷۰به افتخار فيزيكدان انگليسي پيتر هيگز نام گذاري شده و فرض بر آن است كه اين ذره دو ميدان الكترومغناطيس و اندركنش ضعيف بين هسته اي را به يكديگر پيوند مي‌زند و يكي مي‌سازد

در دهه ‪ ۱۹۹۰آلفونسو روئيدا از دانشگاه دولتي كاليفرنيا در لانگ بيچ و برنارد هايش كه در آن هنگام در موسسه فيزيك و اخترفيزيك كاليفرنيا تحقيق مي كرد و اكنون در موسسه "مني وان نت وركس ‪= ManyOne Networksشبكه هاي تكي-چندتايي" فعاليت مي‌كند پيشنهاد كردند كه يك ميدان كاملا متفاوت موسوم به ميدان خلا كوانتومي احتمالا مسوول توليد جرم است

اين ميدان كه وجود آن به وسيله نظريه مكانيك كوانتومي پيش بيني شده، كمترين تراز و مقياس انرژي در عالم به شمار مي‌آيد و به وسيله بقاياي نوسانات الكترومغناطيس در هر جاي كيهان به وجود مي‌آيد

به اين ميدان همچنين نام ميدان نقطه صفر اطلاق شده و تصور مي‌شود كه اين ميدان خود را به صورت اقيانوسي از فوتونهاي مجازي ظاهر مي‌سازد كه در سراسر كيهان دائم سر از اين اقيانوس بيرون مي‌آورند و لحظه اي مي‌درخشند و دوباره به اقيانوس عدم فرو مي‌روند

روئيدا و هايش استدلال كردند كه ذرات باردار مادي مانند الكترونها دائما به واسطه ميدان صفر دچار نوسان و بالا و پائين رفتن مي‌شوند اما اين نوسانات به صورتي انجام مي‌شود كه اگر اين ذرات با سرعتي ثابت نسبت به اين ميدان در حال حركت باشند آنگاه اثر برآيندي اين نوسانات صفر خواهد بود. به عبارت ديگر هيچ نيروي منتج مستقلي بر روي اين ذرات عمل نمي‌كند

اما اگر ذرات در حال حركت شتابدار باشند آنگاه بر اساس محاسباتي كه در سال ‪ ۱۹۹۴به وسيله اين دو فيزيكدان به انجام رسيده بود، روشن مي‌شد كه تعداد فوتونهايي كه از درون اقيانوس فوتونهي مجازي در برابر اين ذرات ظاهر مي‌شوند از تعداد فوتونهايي كه در پشت سرشان قرار مي‌گيرند بيشتر خواهد بود و به اين ترتيب يك نيروي برآيند بر ذرات وارد خواهد شد كه با حركت ذرات مخالفت مي‌كند و به اين ترتيب موجب توليد جرم حالت سكون يا اينرسيال ذرات مي‌شود

اما اين تحقيق كه در آن هنگام در نشريه فيزيكال ريويو به چاپ رسيد تنها يك نوع جرم را توضيح مي‌داد. اكنون فيزيكدانان مدعي شده‌اند كه از همين مكانيزم مي‌توان براي توضيح جرم گرانشي نيز استفاده به عمل آورد

يك جرم بسيار سنگين را در نظر بگيريد كه ساختار زمان-مكان را در اطراف خود دچار خمش كرده است. درست نظير يك وزنه سنگين كه روي يك تشك فنري قرار داده شود اين شي سنگين در عين حال ميدان صفر يا ميدان كوانتومي را نيز دچار خمش خواهد كرد بطوريكه ذره اي كه در نزديك اين شي سنگين قرار دارد و در محدوده خميدگي زمان-مكان كه به وسيله آن ايجاد شده قرار گرفته در جهتي كه رو به سمت شي دارد با شمار كمتري فوتون در اين اقيانوس مجازي مواجه مي شود تا در جهتي كه دور تر از شي است

اين امر بدين معناست كه يك نيروي برآيند به ذره وارد مي‌شود كه آن را به سمت شي سنگين مي‌راند و بنابراين ذره احساس مي‌كند كه در چنبر گرانش شي سنگين گير كرده است، اين نيرو همان جرم گرانشي يا وزن ذره را بوجود مي آورد

به اعتقاد رويئدا و هايش كه تحقيق اخير خود را در نشريه علمي "آنالن در فيزيكي ‪ = Annalen der Physikسالنامه فيزيك" درج كرده‌اند اين نظريه نشان مي‌دهد سخن اينشتين در خصوص معادل بودن جرم گرانشي و جرم حاصل از شتاب درست بوده است

در جرم حاصل از شتاب اين ذره است كه در درون اقيانوس خلا يا ميدان صفر با شتاب در حال حركت است و در حالت جرم گرانشي اين ميدان صفر است كه با همان شتاب ذره را در مي‌نورد

به اين ترتيب منشا توليد وزن ذرات مادي همان منشا توليد جرم حالت سكون آنها است

اما اين فرضيه هنوز با موافقت ديگر فيزيكدانان روبرو نشده است. يكي از مسائل اصلي اين فرضيه موقعيت خود ميدان صفر است كه راز سر به مهري است و درباره آن اطلاعات زيادي در دست نيست

كل انرژي ذخيره شده در اين ميدان به نحو حيرت انگيزي زياد است و مقدار آن چنان است كه مي‌تواند كل كيهان را در خود مچاله كند و آن را همچون يك قلب تپنده به نوسانات ضرباهنگ دار وادارد

اما واضح است كه چنين حالتي در كيهان مشاهده نمي‌شود. محدوديت ديگر اين فرضيه آن است كه تنها درباره ذرات باردار كاربرد دارد

شلدون گلاشو فيزيكدان برنده جايزه نوبل از دانشگاه بوستن درباره اين فرضيه نظر منفي دارد

او مي‌گويد: اين فرضيه، به قول ولفگانگ پائولي حتي نادرست هم نيست

اما پائول وسن از دانشگاه استنفورد بر اين باور است كه رويكرد غير متعارف روئيدا و هايش حاوي نكات درخور توجهي است. اما اين دو تن بايد شواهدي نيز در تاييد آن ارائه دهند. به عنوان مثال اگر اين دو تن يك پيش بيني بديع با استفاده از نظريه خود ارائه دهند آنگاه همه نظرها به سمت فرضيه شان جلب خواهد شد

منبع :/cph-theory.persiangig.ir

به علت اتفاقات خاصی که افتاد یک مدت وبلاگ راکت مانده بود ولی از این پس دوباره مثل قبل در کنار شما خواهیم بود