ذرّات بنیادی[1]: بلوکهای سازندهٔ جهان
مقدمه: جهان در مقیاس میکروسکوپی
اگر یک تکه سنگ را بارها و بارها خرد کنید، به کوچکترین جزء آن چه میرسید؟ دانشمندان قرنها به این پرسش فکر کردهاند. امروزه میدانیم که همهٔ مواد از مولکولها و مولکولها از اتمها ساخته شدهاند. اما اتمها خود از ذرات کوچکتری به نام الکترون[7]، پروتون[8] و نوترون[9] تشکیل شدهاند. آیا این ذرات هم اجزای کوچکتری دارند؟ پاسخ «بله» است! پروتون و نوترون از ذراتی به نام کوارک ساخته شدهاند. الکترون هم خود یک ذرهٔ بنیادی است. به ذراتی که تاکنون نتوانستهایم آنها را به اجزای کوچکتری تقسیم کنیم، ذرّات بنیادی میگوییم.
ذرات بنیادی چه هستند و چرا مهماند؟
ذرّات بنیادی، پایهایترین اجزای تشکیلدهندهٔ ماده و حاملان نیروهای اساسی طبیعت هستند. درک آنها مانند داشتن نقشهای از الفبای فیزیک است. اگر الفبا را بلد نباشیم، نمیتوانیم کلمهها (اتمها) و جملهها (مولکولها) را بخوانیم. شناخت این ذرات به ما کمک کرده است تا منشأ جهان (مهبانگ[10])، دلیل درخشش خورشید و حتی رفتار مواد در دماهای بسیار بالا را بفهمیم.
مروری بر تاریخچه کشف ذرات
شناخت ذرات بنیادی، حاصل تلاش صدها دانشمند در طول بیش از یک قرن است. نقطهٔ آغازین، کشف الکترون توسط جی. جی. تامسون در سال 1897 بود که نشان داد اتم تجزیهپذیر است. سپس ارنست رادرفورد هستهٔ اتم را کشف کرد. در نیمهٔ دوم قرن بیستم و با ساخت شتابدهندههای ذرات[11] عظیم، دنیای جدیدی از ذرات زیراتمی گشوده شد و منجر به تدوین نظریهای جامع به نام مدل استاندارد ذرات بنیادی شد.
معرفی مدل استاندارد: نقشه راه ذرات
مدل استاندارد، بهترین نظریهای است که تاکنون برای توصیف ذرات بنیادی و سه نیروی از چهار نیروی اصلی طبیعت (نیروی هستهای قوی، نیروی هستهای ضعیف و نیروی الکترومغناطیس) ارائه شده است. این مدل، ذرات بنیادی را در دو خانوادهٔ بزرگ و یک گروه جداگانه دستهبندی میکند:
- ذرات ماده (فرمیونها[12]): آجرهای ساختمانی ماده. مانند کوارکها و لپتونها.
- ذرات حامل نیرو (بوزونها[13]): پیکهای مبادلهای که نیروها را منتقل میکنند. مانند فوتون[14].
- بوزون هیگز[15]: ذرهای ویژه که جرم به سایر ذرات میبخشد.
| خانواده | نسل اول (سبکترین) | نسل دوم | نسل سوم (سنگینترین) | توضیح |
|---|---|---|---|---|
| کوارکها | بالا[16] (u)، پایین[17] (d) | افسون[18] (c)، شگفت[19] (s) | سر[20] (t)، ته[21] (b) | هرگز به تنهایی دیده نمیشوند. پروتون از دو کوارک u و یک کوارک d ساخته شده: $p = (uud)$. |
| لپتونها | الکترون (e)، الکتروننوترینو[22] ($\nu_e$) | میون[23] ($\mu$)، میوننوترینو ($\nu_\mu$) | تاو[24] ($\tau$)، تاونوترینو ($\nu_\tau$) | الکترون ذرهای است که در مدار به دور هسته میچرخد. نوترینوها ذراتی هستند که به ندرت با ماده برهمکنش میکنند. |
نیروهای بنیادی و پیکهای آنها
همهٔ برهمکنشها در جهان از چهار نیروی بنیادی ناشی میشوند. این نیروها توسط ذرات خاصی منتقل میشوند. به این ذرات، بوزونهای پیمانهای[25] یا حامل نیرو میگویند. مانند دو نفر که با پرتاب یک توپ (ذرهٔ حامل نیرو) به یکدیگر نیرو وارد میکنند.
| نیرو | ذرهٔ حامل (بوزون) | دامنهٔ اثر | مثال کاربردی |
|---|---|---|---|
| الکترومغناطیس | فوتون ($\gamma$) | بینهایت (ولی با فاصله ضعیف میشود) | نور، آهنربا، برق، پیوند بین اتمها |
| هستهای قوی | گلئون[26] (g) | بسیار کوتاه (درون هسته) | چسبی که پروتونها و نوترونها را در هسته نگه میدارد. |
| هستهای ضعیف | بوزونهای $W^+$ ، $W^-$ و $Z^0$ | بسیار کوتاه | تبدیل پروتون به نوترون در خورشید (همجوشی هستهای[27]). |
| گرانش | گراویتون[28] (فرضی) | بینهایت | سقوط سیب، گردش سیارات. (این نیرو هنوز در مدل استاندارد جایی ندارد). |
بوزون هیگز و میدان هیگز: منشأ جرم
یکی از شگفتانگیزترین کشفهای اخیر، بوزون هیگز در سال 2012 بود. تصور کنید فضایی به نام میدان هیگز کل جهان را پر کرده است. ذراتی که با این میدان برهمکنش میکنند، کند میشوند و این کند شدن را ما به صورت جرم احساس میکنیم. ذرهٔ بوزون هیگز، آشفتگیای در این میدان است. هر چه برهمکنش یک ذره با میدان هیگز قویتر باشد، جرم بیشتری دارد. فوتون با میدان هیگز برهمکنش نمیکند، بنابراین جرمش صفر است.
کاربردهای عملی و فناوریهای برآمده از فیزیک ذرات
شاید فکر کنید فیزیک ذرات فقط تئوری است، اما بسیاری از فناوریهای روزمره از تحقیقات در این حوزه سرچشمه گرفتهاند.
- وب جهانگستر (WWW): توسط تیم برنرز-لی در سرن[29]، بزرگترین آزمایشگاه فیزیک ذرات جهان، برای تسهیل ارتباط بین دانشمندان اختراع شد.
- تصویربرداری پزشکی: فناوری پرتونگاری مقطعی (PET Scan) از پادذره[30] الکترون (پوزیترون[31]) برای تشخیص سرطان استفاده میکند.
- شتابدهندهها: علاوه بر تحقیق، برای استریل کردن تجهیزات پزشکی و حتی تولید برخی انواع نیمههادی[32]ها به کار میروند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. کوارکها به دلیل نیروی هستهای قوی، همواره به صورت گروههای دو یا سهتایی (مزون[33] و باریون[34]) کنار هم میمانند. اگر سعی کنیم آنها را با انرژی زیاد از هم جدا کنیم، این انرژی صرف تولید یک جفت کوارک-پادکوارک جدید میشود! به این پدیده حبس رنگ[35] میگویند.
پاسخ: خیر. مدل استاندارد یک شاهکار علمی است، اما پاسخگوی همهٔ پرسشها نیست. مثلاً مادهٔ تاریک[36] و انرژی تاریک[37] که بیشتر جرم-انرژی جهان را تشکیل میدهند، در این مدل جایگاهی ندارند. همچنین، این مدل نیروی گرانش را شامل نمیشود. این نارساییها نشان میدهد فیزیک ذرات هنوز راه درازی در پیش دارد.
پاسخ: در چارچوب فعلی مدل استاندارد، بله. این ذرات به عنوان نقاطی بدون ساختار داخلی در نظر گرفته میشوند. اما این ممکن است فقط یک تقریب باشد. نظریههای جدیدتر مانند ریسمان[38] پیشنهاد میکنند که این ذرات در واقع حالتهای ارتعاشی ریسمانهای بسیار ریز یکبعدی هستند.
پاورقی
[1] Elementary Particles - [2] Lego - [3] Standard Model - [4] Quarks - [5] Leptons - [6] Force Bosons - [7] Electron - [8] Proton - [9] Neutron - [10] Big Bang - [11] Particle Accelerators - [12] Fermions - [13] Bosons - [14] Photon - [15] Higgs Boson - [16] Up - [17] Down - [18] Charm - [19] Strange - [20] Top - [21] Bottom - [22] Electron Neutrino - [23] Muon - [24] Tau - [25] Gauge Bosons - [26] Gluon - [27] Nuclear Fusion - [28] Graviton - [29] CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) - [30] Antiparticle - [31] Positron - [32] Semiconductor - [33] Meson - [34] Baryon - [35] Color Confinement - [36] Dark Matter - [37] Dark Energy - [38] String.
