کوارک: ذرههای ریز بنیادی سازنده جهان
داستان کشف: چرا به کوارک نیاز داشتیم؟
تصور کنید یک قالب لِگو را آنقدر میشکنید تا به کوچکترین قطعهی آن برسید. فیزیکدانها نیز قرنها در حال شکستن ماده برای یافتن کوچکترین قطعه آن بودهاند. ابتدا اتم را کوچکترین ذره میدانستند، سپس الکترون4، پروتون و نوترون کشف شدند. اما آزمایشها نشان داد که پروتون و نوترون رفتاری شبیه به یک ذره ساده و توپمانند ندارند. آنها گویی خود از اجزای کوچکتری تشکیل شدهاند. در سال ۱۹۶۸، آزمایشهای پراکندگی عمیق غیرالاستیک در شتابدهندهها این موضوع را ثابت کرد. دو سال قبل از آن، موری گِل-مان و جرج زویگ بهطور مستقل نظریه وجود ذراتی بنیادیتر را مطرح کرده بودند که گِل-مان آنها را «کوارک» نامید، نامی که از رمان «شبزندهداری فینگانها» گرفته شده بود.
انواع کوارکها: یک خانواده ششنفره
کوارکها تنها یک نوع نیستند. آنها در شش نوع یا "طعم"5 مختلف وجود دارند که به سه نسل گروهبندی میشوند. نسل اول سبکترین و پایدارترین است و سازنده ماده معمولی پیرامون ماست. نسلهای بعدی سنگینتر و ناپایدار هستند و فقط در برخوردهای پرانرژی یا پرتوهای کیهانی ایجاد میشوند.
| نسل | نام کوارک | بار الکتریکی | نماد | توضیح و مثال |
|---|---|---|---|---|
| اول | بالا6 | $ +\frac{2}{3}e $ | u | سازنده اصلی پروتون و نوترون. مثل آجر سبک و پایدار ساختمان. |
| پایین7 | $ -\frac{1}{3}e $ | d | همراه کوارک بالا، ماده معمولی را میسازد. بار منفی کسری دارد. | |
| دوم | افسون8 | $ +\frac{2}{3}e $ | c | در برخی ذرات ناپایدار مثل مزونها9 یافت میشود. |
| شگفت10 | $ -\frac{1}{3}e $ | s | در ذرات سنگینتر و ناپایدار هستهای وجود دارد. | |
| سوم | سر11 | $ +\frac{2}{3}e $ | t | سنگینترین کوارک؛ تنها در شتابدهندههای بسیار قدرتمند تولید میشود. |
| ته12 | $ -\frac{1}{3}e $ | b | کوارک سنگین که در فیزیک انرژیهای بالا مطالعه میشود. |
کوارکها چگونه پروتون و نوترون میسازند؟
پروتون و نوترون، که با هم «نوکلئون»13 نامیده میشوند، هر کدام از سه کوارک ساخته شدهاند. اما این کوارکها آزادانه داخل نوکلئون حرکت نمیکنند. آنها توسط نیرویی بسیار قدرتمند به نام نیروی هستهای قوی14 در کنار هم نگه داشته میشوند. این نیرو توسط ذرات دیگری به نام «گلئون»15 مبادله میشود. ترکیب کوارکها و بارهای آنها مشخص میکند که نتیجه نهایی یک پروتون است یا یک نوترون.
پروتون (بار +1): از دو کوارک «بالا» (u) و یک کوارک «پایین» (d) تشکیل شده. بیاییم جمع بارها را حساب کنیم:
$ (+ \frac{2}{3}e) + (+ \frac{2}{3}e) + (- \frac{1}{3}e) = +1e $
نوترون (بار 0): از یک کوارک «بالا» (u) و دو کوارک «پایین» (d) تشکیل شده:
$ (+ \frac{2}{3}e) + (- \frac{1}{3}e) + (- \frac{1}{3}e) = 0 $
پس تفاوت یک پروتون (با بار مثبت) و یک نوترون (بدون بار) تنها در جایگزینی یک کوارک «بالا» با یک کوارک «پایین» است! این یکی از زیباییهای مدل استاندارد ذرات بنیادی است.
نیروی هستهای قوی: چسب کیهانی که کوارکها را محبوس میکند
یک ویژگی شگفتانگیز کوارکها این است که هرگز به تنهایی دیده نمیشوند. این پدیده «حبس کوارک»16 نام دارد. نیروی هستهای قوی بین کوارکها، برخلاف نیروی جاذبه یا الکترومغناطیس، با افزایش فاصله قویتر میشود! مانند یک کش لاستیکی که هرچه بیشتر بکشید، محکمتر میکشد. اگر سعی کنید یک کوارک را از پروتون جدا کنید، انرژی زیادی صرف میکنید و این انرژی آنقدر زیاد میشود که به جای بیرون کشیدن یک کوارک، یک جفت کوارک-پادکوارک17 جدید تولید میشود. به همین دلیل است که ما کوارکهای آزاد را در طبیعت مشاهده نمیکنیم. آنها همیشه به صورت گروههای دوتایی (مزون) یا سهتایی (باریون18 مانند پروتون و نوترون) در کنار هم هستند.
کوارکها در عمل: از شتابدهندهها تا ستارههای نوترونی
مطالعه کوارکها فقط یک بازی تئوری نیست. این دانش در فناوریهای پیشرفته و درک جهان کاربردهای مهمی دارد.
شتابدهندههای ذرات: دانشمندان در دستگاههای عظیمی مانند برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) پرتوهای پروتون را با سرعت نزدیک به نور به هم میکوبند. در این برخوردهای پرانرژی، برای لحظهای بسیار کوتاه، کوارکها و گلئونها آزاد میشوند و شرایط مشابه اولین لحظات پس از مهبانگ19 ایجاد میشود. این آزمایشها به ما کمک میکند تا نیروهای بنیادی و ماده تاریک را بهتر بشناسیم.
ستارههای نوترونی: این ستارههای فوقالعاده چگال باقیمانده از انفجار ابرنواخترها، آزمایشگاه طبیعی کوارکها هستند. فشار و چگالی در هسته یک ستاره نوترونی آنقدر زیاد است که ممکن است نوترونها در هم شکسته شده و ماده به حالتی عجیب از کوارکهای آزاد تبدیل شود که به آن «ماده کوارکی»20 میگویند. مطالعه این ستارهها به ما در درک رفتار ماده تحت شرایط حد کمک میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. به دلیل پدیده حبس کوارک، جدا کردن یک کوارک از ذره میزبانش غیرممکن است. برای جدا کردن آن، انرژی بینهایت زیادی لازم است و پیش از آن، انرژی صرف شده برای کشیدن، به تولید ذرات جدید تبدیل میشود.
پاسخ: بله، بار هر کوارک به تنهایی کسری از بار الکترون (پایه) است. اما نکته کلیدی اینجاست که کوارکها هرگز به صورت تنها وجود ندارند. آنها همیشه در ترکیبهایی جمع میشوند که بار کل حاصل یک عدد صحیح (مانند ۰ یا +۱) است. بنابراین کوچکترین بار آزاد مشاهدهشده در طبیعت همچنان بار الکترون ($ 1e $) است.
پاسخ: خیر. کوارکهای نسل دوم و سوم بسیار سنگین و ناپایدار هستند و بلافاصله پس از تولید، به سرعت واپاشی21 میشوند و به کوارکهای سبکتر نسل اول تبدیل میگردند. تمام ماده پایدار جهان از اتمهایی ساخته شده که پروتون و نوترون آنها فقط از کوارکهای «بالا» و «پایین» (نسل اول) تشکیل شدهاند.
پاورقی
1 Proton
2 Neutron
3 Quark
4 Electron
5 Flavor
6 Up quark
7 Down quark
8 Charm quark
9 Meson: ذراتی متشکل از یک کوارک و یک پادکوارک.
10 Strange quark
11 Top quark
12 Bottom quark
13 Nucleon
14 Strong nuclear force
15 Gluon
16 Quark confinement
17 Antiquark: پادذره متناظر با هر کوارک.
18 Baryon: دستهای از ذرات متشکل از سه کوارک (مانند پروتون و نوترون).
19 Big Bang
20 Quark matter
21 Decay
