Home / مقالات علمی / دنیای کوانتوم / فیزیک‌ذرات و مدل‌استاندارد
فیزیک‌ذرات و مدل‌استاندارد

فیزیک‌ذرات و مدل‌استاندارد

ترجمه و گردآوری: آرش آریامنش

 

در آغاز کار اسرار کیهان و عالم ریز یکسان بوده اند . برای کاوش در اسرار لازم است گرانش یعنی نیرویی که در مقیاس های بزرگ غالب است را به نیروهای دیگر که بر ذرات به طور منحصر به فرد حاکمند ربط دهیم . این کار هنوز کامل نشده است . اما اکنون به جایی رسیدیم که میتوانیم نیروهای متفاوت و ذرات جهان زیر اتمی از یک الگو و نظام خاص پیروی میکنند .

در اوایل قرن 19 مایکل فارادی در یافت الکتریسیته و مغناطیس رابطه ای تنگاتنگ دارند یعنی مغناطیسِ متحرک و الکتریسیته و بار الکتریکیِ متحرک هم میدان مغناطیسی تولید میکند . این اصل مبنای کار موتورهای الکتریکی و دینامها شد . در سال 1864 جیمز کلارک مکسول کشفیات فارادی را به صورت 4 قانون مشهور که چگونگی تولید یک میدان مغناطیسی به وسیله یک میدان الکتریکی متغیر و برعکس را بیان میکند مدون ساخت .

جواب این معادلات در فضای خالی از ماده میدان های مغناطیس و الکتریکی که نوسان میکنند . این همان نور است . یعنی موج انرژی الکتریکی و مغناطیسی . بدین ترتیب تنها دو نیروی مجزا باقی ماند : الکترومغناطیس و گرانش . 100 سال بعد از فارادی انیشتین سالهای پسین عمر خود را صرف جستجو برای یافتن رابطه عمیق بین این دو نیرو صرف کرد . اما تلاشهای او نیز به جایی نرسید. زیرا وی هنوز از نیروهای حاکم بر ذرات اطلاعی نداشت یعنی نیروی هسته ای قوی و ضعیف .

نیروی هسته ای قوی که عامل پیوند بین پروتون و نوترون در هسته اتمهاست . و نیروی هسته ای ضعیف که برای واپاشی تشعشعی و نوترینو ها اهمیت اساسی دارد .

چالش کنونی ایجاد وحدت بین 4 نیرو هست:” یعنی بین سه نیروی که جهان ریز را اداره می‌کنند(الکترومغناطیس – هسته ای ضعیف و قوی ) + گرانش.

 

standard model

 

نخستین گام برای این مهم را فیزیک دان‌هایی با نام‌های (شلدون گلاشو – استیون واینبرگ – تیهونت – عبدالسلام) اجرایی کردند. ثمره تلاش‌های‌شان این بود که نشان دادند نیروهای الکتریکی و مغناطیسی که مکسول یکی کرده بود با نیروی ظاهرن متفاوت هسته‌ای ضعیف که اهمیتش مربوط به رادیواکتیو و نوترینوها است مرتبط‌‌ است. این نیروها در لحظات ابتدایی عالم یک نیروی واحد بودند و تنها هنگامی که کیهان به دمای بحرانی 10 به توان 15 درجه رسید(آنهم در زمان 10 به توان منفی 12 ثانیه پس از مهبانگ) هویت مجزا و جدا گانه یافتند.
وقتی آزمایش‌های سرن سوییس ذرات پیش‌بینی شده عبدالسلام و واینبرگ را یافتند این امر به منزله اثبات این نظریه آن‌ها بود.
طی دو دهه 50-60 میلادی انواع بسیاری از ذرات کشف شد و معلوم شد ذرات ریز اتمی را می‌توان در خانواده‌هایی مجزا قرار و دسته بندی کرد. در سال 1964 دو نظریه پرداز امریکایی به نامهای (ماری گلمن – جرج زوایگ) مدل “کوارک” را مطرح کردند. بار الکتریکی کوارک ها یک سوم بار الکترون بود یا دو سوم.
سپس در آزمایش‌های بعدی بعد از کوبیده شدن الکترون و پروتونها دانشمندان کوارک را نیز تایید کردند.
الگوی موسوم به “مدل استاندارد” در دهه 70 پدید امد به درک ما از جهان ریز اتمی نظمی قابل توجه بخشید. دو نیروی الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف وحدت یافتند. همچنین تعبیری برای نیروی هسته ای قوی برحسب مفهوم کوارک پیدا شد. در این تصویر ذرات دیگری به نام “گلئون‌ها” کوارکها را کنار هم نگه می‌داشتند. تعداد ذرات ریز اتمی به طرز حیرت انگیزی زیاد هستند.

هدف بعدی پس از وحدت دو نیروی الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف در واقع نیروی هسته ای قوی به این جمع و رسیدن به نظریه (وحدت) است که همه نیروهای حاکم بر عالم ریز را وحدت می‌دهد. اما یکی از مشکلاتی که این نظریه میطلبه رسیده به دمایی 10 به توان 28 که میلیون میلیون درجه بیشتر از توانایی ازمایشگاه های ماست. دست یافتند به چنین وضعیت دمایی به شتاب دهنده ای بزرگتر از منظومه شمسی نیازه! شاید عالم ابتدایی تنها جایی بوده که این نیروها امکان وحدت داشتند. در ادامه به دسته بندی دقیق تر ذرات ریز اتمی و خانواده انها و فیزیک ذرات می‌پردازیم.

فیزیک ذرات بنیادی (به انگلیسی: Fundamental particle physics) یکی از شاخه‌های علم فیزیک می‌باشد، که به بررسی این که ماده از چه چیزی ساخته شده‌است می‌پردازد. در این شاخه از فیزیک به بررسی ماده در بنیادی‌ترین حالت ممکن یعنی کوچکترین اجزا تشکیل دهنده که به ذرات بنیادی معروف هستند پرداخته می‌شود.
با اضافه شدن مفهوم نیروها بررسی آن‌ها به صورت چند ذره دیگر و برهمکنش بین ذرات ماده و ذرات حامل نیرو بخش دیگری از فیزیک ذرات بنیادی را می‌سازد. نظریه با قبول اکثریت در این شاخه از فیزیک مدل استاندارد نامیده می‌شود.

ذرات مورد بررسی در این شاخه را می‌توان توسط آشکارسازهای ذرات نشان داد. این ذرات را به صورت مستقیم نمی‌توان آزمایش کرد و برای بررسی آزمایشگاهی برروی آن‌ها از اثرات آن‌ها استفاده می‌شود. بسیاری از اثرات پیش‌بینی شده در این نظریات در انرژی‌های بالا رخ می‌هد از این رو به این شاخه فیزیک انرژی‌های بالا نیز گفته می‌شود.

ابتدای فیزیک ذرات را می‌توان به قرن ششم پیش از میلاد و کارهای فیلسوفان اتمیست نسبت داد.
دوره کلاسیک:
بررسی علمی ذرات تشکیل دهنده ماده در ۱۸۹۷ و کشف الکترون توسط تامسون شروع می‌شود. او مدل اتمی موسوم به مدل خمیری تامسون را معرفی کرد. با آزمایش پراکندگی رادرفورد این مدل رد شد و هسته اتم کشف گردید. رادرفورد مدل اتمی خود به نام مدل رادرفورد را معرفی کرد. در ۱۹۱۴ نیلز بور مدل اتمی خود را پیشنهاد کرد. توافق طیف اتم هیدروژن با نظریه بور بسیار جالب بود. در همین دوره هسته هیدروژن را پروتون نامیدند اما قادر به توضیح عدد اتمی عناصر دیگر نشدند. سرانجام با کشف نوترون توسط چادویک در سال ۱۹۳۲ دوره کلاسیک ذرات بنیادی به پایان رسید.
سه مبحث مهم در این دوره مطرح گشتند:
۱- مزون‌ها:
سوالی که پیش می‌آمد این بود که چه چیزی پروتون‌های با بار مثبت را در هسته در کنار هم نگه می‌داشت؟ در ۱۹۳۴ یوکاوا وجود نیروی قوی هسته‌ای را پیش‌بینی نمود. اینشتین قبلا ذره‌ای را حامل نیروی الکترومغناطیسی توصیف کرده بود این ذره فوتون نام داشت. حال سوال این بود که آیا این نیروی جدید را هم می‌شود با یک ذره حامل نشان داد؟ که یوکاوا نام ذره پیشنهادی حامل این نیرو را مزون گذاشت. در سال ۱۹۳۷ این ذره در آزمایشگاه کشف شد.

۲- پادذره‌ها:
در ۱۹۲۷ هنگامی که دیراک معادله شرودینگر را به صورت نسبیتی بازنویسی کرد به جواب عجیبی برخورد. به ازای هر جواب مثبت انرژی، یک جواب منفی نیز به دست می‌امد. دیراک این جواب‌ها را با نظریه حبابی توصیف کرد تا این که در دهه چهل میلادی فاینمن تعریف ساده‌تری برای این جواب ارایه داد، این جواب‌ها ذرات پادماده را توصیف می‌کردند. در ۱۹۳۱ پاد ماده الکترون، در ۱۹۵۵ پاد ماده پروتون در آزمایشگاه کشف شدند.

۳-نوترینوها:
در ۱۹۳۰ بررسی واپاشی هسته خواص عجیبی را نشان می‌داد. مقداری از انرژی طی واپاشی گم می‌شد. پاولی پیش‌بینی کرد که ذره‌ای دیگر این انرژی را با خود حمل می‌کند. این ذره را نوترینو نامیدند. نوترینو سالها بعد در آزمایشگاه کشف شد.
با این اکتشاف‌ها گمان می‌رفت که تمام ذرات بنیادی یافته شده و مشکل توضیح داده نشده‌ای مجود ندارد.
– جنگل ذرات در سال ۱۹۴۷ راچستر و باتلر در اتاقک ابر پدیده‌ای جدید را مشاهده کردند. این یک ذره جدید بود پس از آن موجی از اکتشافات ذرات جدید به راه افتاد. این ذرات نوین را ذرات شگفت نامیدند چون خواص شگفتی داشتند. تعداد زیاد ذره‌ها و این که نمی‌توانستند این ذرات را دسته بندی کنند سردرگمی زیادی در فیزیک ذرات بنیادی به وجود آورد.

– مدل کوارک و راه هشت‌گانه:
در ۱۹۶۱ موری گلمان روشی برای دسته بندی ذرات کشف شده ارایه کرد. او جدولی که که به نام راه هشتگانه بود را ساخت که توسط آن می‌شد ذرات بنیادی کشف شده را دسته‌بندی کرد. این کار شبیه به جدول تناوبی مندلیف بود.
بر اساس این جدول در ۱۹۶۴ گلمان و شوایگ پیشنهاد کردند که در واقع این ذرات کشف شده خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند که این ذرات را کوارک نامیدند.
مدل کوارک بسیاری از خواص ذرات را به درستی پیش‌بینی می‌کرد ولی بنیان تجربی برای درستی مدل کوارکی وجود نداشت.

* انقلاب نوامبر در نوامبر ۱۹۷۴ دو تیم پژوهشی به صورت همزمان مزون جدیدی به نام مزون سای را کشف کردند. به این رویداد انقلاب نوامبر گفته می‌شود. بحث‌های زیادی در مورد ماهیت این ذره در گرفت ولی سر انجام تنها مدل کوارکی بود که توصیف درستی از این ذرات ارایه داد. این در واقع بر پایه چهارمین کوارکی بود که مدل کوارکی پیشنهاد می‌داد. پس از این کشف مدل کوارکی وجود شش کوارک را پیش‌بینی کرد.

* مدل استاندارد:
در ۱۹۷۸ سرانجام یک توصیف همه‌جانبه از ذرات بنیادی به وجود آمد که با این توصیف مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته‌می‌شود. مدل استاندارد هنوز هم در فیزیک ذرات کاربرد دارد.
ذرات زیراتمی در فیزیک ذرات بنیادی ذرات زیادی مورد بررسی قرار می‌گیرند. در اینجا فهرستی از این ذرات ارایه می‌شود.

* ذرات بنیادی:
ذرات بنیادی سه خانواده اصلی وجود دارد: کوارک‌ها (Quark) لپتون‌ها (Lepton) واسطه‌ها (Preon) .

* ذرات ترکیبی از ترکیب کوارک‌ها می‌توان ذراتی را ساخت این ذرات هادرون نامیده می‌شوند. هادرون‌ها به دو دسته باریون و مزون تقسیم می‌شود.

– مدل استاندارد:
مدل استاندارد (ذرات بنیادی) رده بندی ذرات به صورتی خاص که اکنون برای توصیف ذرات بنیادی به کار می‌رود را مدل استاندارد می‌گویند. کشف تمام ذرات این رده‌بندی با کشف اخیر بوزون هیگز خاتمه یافته است.
§پژوهش‌ها در ژانویه ۲۰۱۳ فیزیکدانان ذرات یک گاز کوانتومی بر پایه پتاسیم ساختند. این گاز هنگامی که تحت تأثیر لیزر و میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد به دماهای منفی می‌رسد. در این دمای ترمودینامیکی، ماده شروع به بروز دادن خواص ناشناخته پیشین می‌کند.

 

رده بندی ذرات به صورتی خاص که اکنون برای توصیف ذرات بنیادی به کار می‌رود را مدل استاندارد می‌گویند. بر اساس مدل استاندارد (ذرات بنیادی) ماده از ۶۱ ذره تشکیل شده که این ذرات در سه دسته قرار می‌گیرند:
لپتون‌ها کوارک‌ها واسطه‌ها مدل استاندارد برهمکنشهای قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف بنیادی را با بکارگیری نظریه میدانهای کوانتومی بیان می کند. نظریه پیمانه ای آن بر پایۀ تقارن موضعی گروه هایSU(3)C* SU(2)L *U(1)Y می باشد. C نشان دهندۀ رنگ، L کایرالیتی چپگرد و Y فوق بار ضعیف است.
لپتون‌ها سه نسل دارند که هر نسل از یک ذره و نوترینوی آن ذره تشکیل شده است.
الکترون میون تاو هرکدام از آنها هم یک پاد ذره دارند. به این ترتیب تعداد کل لپتون‌ها ۱۲ عدد می‌گردد. (به عنوان مثال الکترون، نوترینوی الکترون، پوزیترون (پاد ذره الکترون)، نوترینوی پوزیترون برای نسل اول)
کوارک‌هاکوارک‌ها هم سه نسل دارند که هر نسل از دو نوع کوارک تشکیل شده است. این انواع کوارک‌ها را طعم کوارک می‌نامند.
نسل اول:u(بالا) ، d(پایین) نسل دوم:s(شگفت) ،c(افسون) نسل سوم:t(سر یا کوارک حقیقت) ،b(ته یا کوارک زیبایی) کوارک‌ها شش طعم دارند و هر طعم یک پاد کوارک دارد و هرکدام از آنها در سه رنگ گوناگون هستند.

بدین ترتیب در مجموع ۳۶ نوع کوارک وجود دارند.
میانجی‌ها برای حمل نیروهای بنیادی طبیعت به ذرات میانجی نیاز است.
برای نیروی الکترومغناطیسییک ذره(فوتون
برای نیروی ضعیف سه ذره
برای نیروی قوی هشت ذره (گلوئون)
همچنین در صورت پذیرفتن نظریه الکترو ضعیف به یک ذره هیگز نیازاست.

بدین ترتیب، در دسته ذرات میانجی، رویهم رفته ۱۲ ذره پذیرفته شده و ۱ ذره پیش‌بینی شده وجود دارند. به این ترتیب ۶۱ ذره مدل استاندارد را تشکیل می‌دهند. البته به تازگی بنا بر اعلام سرن ذراتی به با رفتار شبیه به بوزون هیگز مشاهده شده اند که با این حساب همۀ ذرات مدل استاندارد در آمایشگاه مشاهده شده اند.

– فیزیک ذرات بنیادی:
امروزه مدت زیادی نگذشته که ثابت شده تمامی مواد از مولکول ها، مولکول ها هم از اتم ها، اتم ها از هسته ها و الکترون ها و هسته ها از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند اما پروتون ها و نوترون ها والکترون ها از چه چیزی ترکیب یافته اند؟ این ذزات ، ذرات بنیادی یعنی ذرات غیر قابل تجزیه نام دارند. با فرض اینکه تجزیه بیشتر آنها باعث می شود که به ذرات دیگری تبدیل شود.

«تاریخ‌چه» :
در اواخر قرن بیستم دانشمندان درباره ساختمان پنهانی ذرات بنیادی به یک مطالعه سیستماتیک و مداوم پرداختند. این مطالعه ابتدا از نوکلئون ها (اجزای هسته ) یعنی پروتون ها و نوترون ها شروع شد. عموما در فیزیک هسته ای این کار می توانست دردوخط اصلی ادامه یابد.

بررسی پدیده های شامل ذرات بنیادی با فیزیک هسته ای:
کوشش برای شکستن یا خرد کردن یک ذره بنیادی در صورت امکان و تبدیل آن به اجزا تشکیل دهنده اش اگر اجزا تشکیل دهنده ای داشته باشد. برای این منظور ذرات مشابه دیگر را با سرعت های حتی المقدور نزدیک به سرعت نور شتاب داده و این گلوله های شتاب دار را به ذرات بنیادی موجود در اتم های دیگر برخورد می دهند. برای مثال برای بمباران هیدروژن یونیزه شده (یعنی پروتون) از پروتون های شتابدار یا برای بمباران پروتون و ذرات آلفا از پروتون و ذرات آلفا ی دیگر استفاده گردد.

انرژی لازم برای این عمل فقط می تواند به کمک شتابدهنده های قوی ذرات باردار فراهم شود تولید ذرات باردار شتابدار برای دسترسی به انرژی های دهها میلیون و بالاخره دهها هزار میلیون الکترون ولت زمانی یک کار بزرگ تلقی می شد.

بررسی ساختمان ذرات بنیادی:
این روش بر اساس پدیده آشنای نوری قرار داشت. هر چه ماده مورد مشاهده کوچکتر باشد طول موج نور تابانده شده به این ماده بایستی کوتاهتر گردد. اگر طول موج نور از طول جسم بزرگتر باشد موج به آسانی از اطراف جسم عبور کرده و چیزی دیده نمی شود. و اگر از طول جسم کوچکتر باشد موج منعکس شده بازتاب نور) و جسم روشن شده و قابل رویت می گردد.

دیدگاه موجی ذرات:
دوبروی (De Broglie) کشف کرد که هر چه ذرات سریعتر حرکت کنند خواص موجی بیشتری از خود نشان می دهد. پس از این کشف تهیه نوعی میکروسکوپ الکترونی ممکن گردید که در آنها الکترون با انرژی 100Kev شتاب داده می شد. این میکروسکوپ رویت اجسام با قطر چند انگستروم را میسر می سازد. که هر آنگستروم برابر 8- ^ 10 سانتیمتر می باشد.

مطابق نظریه دوبروی هرچه ذرات سنگین تر بوده و سریعتر حرکت کند ، طول موج معادل آن کوتاهتر خواهد بود. این مطالب نشان می دهد اگر الکترونی تا انرژی چند صد میلیون الکترون ولت شتاب داده شود طول موجش آنقدر کوچک می شود که متناسب با اندازه ذرات هسته ای شده و می تواند برای بررسی ساختمان هسته اتمی بکار رود.

ساختار فیزیک ذرات بنیادی:
– از بازتاب و پخش این فیزیک امواج برای اندازه گیری ذرات داخل هسته استفاده می شود. اگر الکترونی تا انرژی یک یا دو هزار میلیون الکترون ولت شتاب یابد طول موج الکترون چندین مرتبه کوچکتر از قطر ذرات هسته ای می شود. این فیزیک امواج تحقیق ساختمان پروتون هاو نوترون ها را ممکن می سازد از روزی که دانشمندان به یک “توپخانه اتمی قوی” مسلح شدند.ذرات جدید اتمی یکی پس از دیگری کشف گردید.
– انرژی معادل با یک میلیون الکترون ولت موجب کشف الکترون مثبتی به نام پوزیترون شد. شتاب دهنده هایی با صدها میلیون الکترون ولت تهیه مصنوعی مزون ها را ممکن ساخت. مزون ها اولین بار در پرتوهای کیهانی کشف شدند.توسعه شتابدهنده های با انرژی بسیار زیاد موجب کشف ضد ذرات گردید.ضد ذرات تشکیل دهندگان اصلی ضد ماه می باشد که عمده ترین انها عبارتند از: ضد پروتون ، ضد نوترون و غیره.
– بسیاری از ذرات کشف شده ، ذرات ناپایدارند آنها پس از یک دوره زمانی بسیار کوتاه تجزیه شده و به تعدادی ذرات کوچکتر و پایدارتر تبدیل می شود این ذرات کوچکتر پایدارتر شامل : الکترون ها ، نوترون ها ، اشعه گاما و یا نوترینو ها می باشند.
– ذرات ناپایدار ممکن است به ضد ذرات معادل خود که اصولا پایدارترند ، تبدیل می گردند.
– همانگونه تا بحال معلوم شده هیچیک از ذرات بنیادی شناخته شده نمی توانند به اجزا کوچکتر شکسته شوند. آنها همگی به نام ذرات بنیادی معرفی شده است به همین دلیل نشان می دهد که ساختمانی ندارند.

تقسیم بندی ذرات ناپایدار :
ذرات ناپایدار بدو گروه به صورت زیر تقسیم می شوند:
– یک دسته از آن شامل ذرات سنگین تر از الکترون ولی سبک تر از پروتون است که مزون (Meson) نام دارند.
– گروه دیگر شامل ذرات سنگین تر از پروتون است که هیپرون(Hyperon) خوانده می شوند. هیپرون ها فقط به ذرات هسته ای از جمله پروتون ها و نوترون ها تجزیه می شوند.

 

منبع: ویکی‌پدیا ، مارتین ریس(کتاب شش عدد)

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

Scroll To Top