فیزیک ذرات بنیادی (2)

قسمت اول

فیزیک ذرات، موضوعی جدید است و همه کشف های جدید مربوط به آن، از آغاز قرن بیستم به بعد انجام شده است. لحظه به لحظه کشف های هیجان انگیزی انجام و گزارش شده است و موجب بازنویسی فصل های مشخصی از این علم شده است، البته اگر باعث به وجود آمدن سوال های جدیدی نشود! به همین دلیل، تنها واقعیت هایی که فکر می کنیم «به طور کامل» پایه ریزی شده اند در اینجا مطرح می شوند.

اتم ها: ممکن است از دروس شیمی پایه آموخته باشید که مواد، از ذرات بنیادینی به نام اتم تشکیل شده اند. امروزه همه ما می دانیم که تمام مواد تقریبا از ترکیب بیش از 100 گونه اتم های مختلف تشکیل شده اند که آنها را عنصر می نامیم.

به هر حال، از اوایل قرن بیستم می دانیم که هر اتم حتی از ذرات بنیادی تری به نام پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده است. هر عنصر به طور منحصر به فردی توسط تعداد پروتون های هسته اتمی خود شناسایی می شود. مطالعه علم شیمی تنها با شیوه و چگونگی بر همکنش الکترون ها با یکدیگر و تشکیل مواد حاصل از این برهمکنش ها، سر و کار دارد، (نیروها یا پیوندهای شیمی). کوچکترین مقیاسی که علم شیمی بدان توجه دارد، در حد اتم، است در صورتی که فیزیک ذرات بنیادی اساسا با هر ذره بنیادی تر از اتم که مواد پایدار را تشکیل می دهند و می توانیم آنها را ببینیم و همچنین موادی که در انرژی های بالا یا در پیدایش جهان اولیه وجود داشته اند، سر و کار دارد. این علم همچنین به مطالعه نیروهای حاکم بر این مواد می پردازد. در حقیقت نیروهای شیمیایی، تنها یکی از انواع خاص نیروهاست که علم شیمی بدان می پردازد.

بسیاری از این ذرات (یا ریز ذرات) از دید علم شیمی و تجربه روزمره ما پنهانند. شیوه ها و وسایل مخصوصی جهت کشف و یافتن اینگونه ذرات باید به کار رود. یکی از ابزارهای اصلی، شتابدهنده ذرات است. این وسیله، ماشین غول پیکری است که آثار و محصولات حاصل از برخورد میان این ذرات پرسرعت را آشکارسازی می کند. برای اینکه این ذرات انرژی کافی داشته باشند تا ساختار درونی خویش را آشکار کنند، باید قبل از برخورد سرعت بسیار بالایی بگیرند. برخی از این ریز ذرات ممکن است تنها مدت بسیار کوتاهی پیش از نابودی یا تبدیل شدن به ذره دیگر، به وجود آید. بنابراین شتابدهنده های ذرات می توانند برای شبیه سازی جهان هستی در مراحل اولیه تشکیل، استفاده شوند.

هسته اتم شامل نوکلئون ها یعنی پروتون ها و نوترون ها است. پروتون ها و نوترون ها از کوارک ها ساخته شده اند و به واسطه نیروی قوی که از تبادل گلوئون ها میان کوارک ها برقرار می شود، به یکدیگر پیوند می خورند. پروتون شامل دو کوارک بالا (u)  و یک کوارک پایین (b) است. نوترون نیز مشابه پروتون است، با این تفاوت که دو کوارک پایین (b) و یک کوارک بالا (u)  دارد.

خواص ذرات بنیادی

ذرات بنیادی دیده نمی‌شوند. فقط از اثری كه می‌گذارند و یا پدیده‌هایی را كه سبب می‌شوند، پی به وجودشان برده می‌شود.

برخی خواص ذرات بنیادی با تعمیم مفاهیم فیزیك كلاسیك ناشی می‌شود. مانند جرم، انرژی و بارالكتریكی برخی دیگر از خواص ذرات بنیادی ریشه در مكانیك نسبیتی دارد. مانند زمان ویژه، طول ویژه. عمده خواص ذرات بنیادی با تئوری‌های مكانیك كوانتومی تشریح می‌شوند. برای درك این رفتارها، پدیده‌های كوانتومی از جمله اسپین، بار لپتونی، بار باریونی، اسپین ایزوتوپی، شگفتی، زوجیت، كوانتوم عمل، نابودی زوج، تولید زوج، اصل طرد پاولی، اصل دوگانگی موج و ذره و ... بایستی بررسی شوند.

هر ذره، توسط مجموعه‌ای از اعداد مشخص می‌شود كه آن را از دیگر ذرات مجزا می‌كند. و ویژگی های آنرا توضیح می‌دهد.

ویژگی هایی همچون جرم سكون، بارالكتریكی، اسپین، بار باریونی، بار لپتونی، شگفتی، اسپین ایزوتوپی، زوجیت برای ذرات بنیادی ساكن هستند اما خواص اندازه حركت خطی ، اندازه حركت زاویه‌ای ، انرژی كل به دنیای اطراف ارتباط دارند.

تقسیم بندی ذرات بنیادی

ذرات به طور کلی به دو دسته فرمیون ها  Fermionsیا ماده سازها و بوزون ها Bosons و یا ذرات حمل کننده ی نیرو تقسیم می شوند.

همانطور از نام فرمیون ها بر می آید در ساختن ماده نقش دارند . فرمیون ها خود به دو دسته ی کوارک ها Quarcks و لپتون ها  Lepton تقسیم می شوند. در اینجا خاصیت اسپین را به یاد آورید ؛ تمام فرمیون ها دارای اسپین یک دوم هستند.

حال به شرح کوارک ها که خود دسته ای از فرمیون ها هستند می پردازیم . کوارک ها خود به 6 دسته تقسیم می شوند که عبارتند از:

1.کوارک  upیا بالا: این کوارک جرمی معادل GeV/c² 004/0 دارد و بار الکتریکی آن دو سوم است . charge = 2/3

2.کوارک  downیا پائین: این کوارک جرمی معادل  GeV/c² 0/08دارد و بار آن منفی یک سوم است . charge = -1/3

3.کوارک charm یا افسون: این کوارک جرمی معادل 5/1 GeV/c² است و باری در حدود دو سوم دارد . charge = 2/3

4. کوارک strange یا عجیب: این کوارک جرمی برابر با 15/0 GeV/c² دارد و بار آن منفی یک سوم است . charge = -1/3

5. کوارک top یا سر: این کوارک جرمی معادل 176 GeV/c² دارد و بارش برابر دو سوم است . charge = 2/3

6.کوارک bottom یا زیر: این کوارک جرمی برابر با 7/4 GeV/c² دارد و بار الکتریکی آن برابر منفی یک سوم است . charge = -1/3

همانطور که می دانیم کوارک ها ذرات سازنده ی نوکلئون ها (نوترون ها و پروتون ها) هستند. اما از میان این شش نوع کوارک فقط دو نوع از آنها که بالا و پائین هستند در ساختمان نوکلئون ها هستند. برای مثال یک نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پائین ساخته شده است. حالا که ما اطلاعات بار کوارک ها را داریم می توانیم ثابت کنیم که یک نوترون خنثی است.

2/3-1/3-1/3=0

پس بار نوترون خنثی است.

به طور کلی ذراتی که از کوارک ساخته می شوند به هادرون نام دارند.  ذراتی که از کوارک تشکیل شده به شرح زیر هستند:

1- مزون ها Mesons: این ذرات از دو کوارک تشکیل شده اند. و ناپایدار هستند. پیون ها و کاوون ها از این دسته اند برای مثال یک پیون از یک آنتی کوارک پائین و یک کوارک بالا ساخته شده است.

2- باریون ها Baryons: این ذرات از سه کوارک تشکیل شده اند مانند پروتون ها و نوترون ها. یک پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پائین تشکیل شده است.

3- به تازگی گفته می شود که ذره ای پنج کوارکی نیز کشف شده است البته چون طول عمرش بسیار کوتاه است به آن ذره ی تشدیدی گفته می شود ذره ی تازه کشف شده 1/5 GeV/c²  جرم دارد. البته وجود این ذره توسط دانشمندان آلمانی ، ژاپنی و آمریکایی نیز تأیید شده است . هنوز برای این ذره جای تحقیق وجود دارد.

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.

منبع: hupaa*ngdir*aftabir *parssky *major-physics* particlephysics