کشف ذرات بنیادی و ساخت مدلی برای توصیف آن

تاریخچه ذرات بنیادی و سنگ بناهای طبیعت

بشر از دیرباز علاقه‌مند بوده که ساختار ماده و کوچک‌ترین اجزای سازنده جهان را بشناسد. یونانیان باستان عناصر چهارگانه‌ی خاک، آب، هوا و آتش را اجزای اصلی سازنده‌ی سایر مواد در طبیعت می‌دانستند. به مرور زمان و با پیشرفت علم، بشر مولکول‌ها و اتم‌ها را شناخت. در سال ۱۸۹۷ تامسون با کشف الکترون چشم‌انداز نوینی به روی علم گشود و پس از آن رادرفورد در آزمایش پراکندگی ذره آلفا هسته‌ی اتم را کشف کرد. این آزمایش ثابت می‌کرد بیشتر جرم اتم با بار مثبت در مرکز آن قرار دارد.

پس از آن هسته‌ی سبک‌ترین اتم را پروتون نام‌گذاری کردند. در سال ۱۹۱۴ نیز نیلز بور مدلی را برای هیدروژن پیشنهاد کرد که از یک الکترون ساخته شده بود که به دور یک پروتون گردش می‌کرد. اما اتم سنگین‌تر بعدی محاسبات را کمی به هم ریخت. هلیوم اگرچه دو الکترون دارد اما وزن آن چهار برابر وزن هیدروژن است. بقیه ذرات نیز وضعیت مشابهی دارند. این معما در سال ۱۹۳۲ با کشف نوترون توسط چادویک حل شد.

کشف نوترون پایانی بر دوره‌ی کلاسیک فیزیک ذرات بنیادی بود. در سال ۱۹۳۲ دانشمندان به این نتیجه‌ی مهم دست یافتند که مواد از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها ساخته شده است. اما این پایان، در حقیقت آغازی بود بر شکل‌گیری نظریاتی در فیزیک ذرات بنیادی، و کشف ذرات زیراتمی بسیاری که تا آن زمان انسان آن را نشناخته بود.

چه نیرویی ذرات را کنار هم نگه می‌دارد؟

یکی از مهم‌ترین پرسش‌هایی که تا آن زمان به طور جدی به آن پرداخته نشده بود این بود که چه نیرویی اجزای هسته را کنار هم نگه می‌دارد. تعداد زیادی پروتون با بار مثبت درون هسته اتم بسیار نزدیک به هم قرار گرفته‌اند و چیزی باید بر نیروی دافعه الکتریکی بین آن‌ها غلبه کند. در سال ۱۹۳۴ یوکاوا نخستین نظریه ارائه دهنده‌ی نیروی قوی هسته‌ای را ارائه کرد. یوکاوا فرض کرده بود پروتون و نوترون به وسیله‌ای نوعی میدان به یکدیگر جذب می‌شوند، درست مانند الکترون و پروتون که توسط نیروی الکتریکی به هم جذب می‌شوند. ذره‌ی فرضی یوکاوا که واسطه‌ی این نیرو است باید خیلی سنگین باشد تا بتواند برد کوتاه این نیرو را توجیه کند. این ذره را مزون (یعنی ذره‌ی میانه) نامیدند و هرچند تا آن زمان در آزمایشگاه مشاهده نشده بود مدت زیادی نیز در پرده ابهام نماند.

در ۱۹۳۷ دو گروه که روی پژوهش‌هایی در زمینه پرتوهای کیهانی کار می‌کردند ذراتی را یافتند که با توصیف یوکاوا جور در می‌آمد. هرچند پژوهش‌های بیشتر نتایج خوشایندی نداشت. ذرات کشف شده در اندازه‌گیری‌های مختلف جرم سازگاری نداشتند و عمرشان نیز آن‌گونه که یوکاوا گفته بود، نبود. سرانجام این معما را پاول و همکارانش در بریستول با کشف پایون و میون حل کردند.

نخستین ذره‌ی بنیادی که پس از نوترون، پروتون و الکترون کشف شد، پوزیترون (برادر دوقلوی الکترون با بار مثبت) بود. به همین ترتیب سه دسته‌ی مهم از ذرات در سال‌های بین ۱۹۳۲ تا ۱۹۴۷ کشف شدند که مزون‌ها، پادذرات و نوترینوها را دربر می‌گرفتند. در ۱۹۴۷ راچستر و باتلر در اتاقک ابر، ذره‌ی جدیدی را در میان پرتوهای کیهانی کشف کردند. این ذره که بار خنثی داشت را کایون نامیدند. کایون در دسته‌ی ذرات شگفت قرار می‌گیرد که پس از آن تعداد زیادی از آن‌ها کشف شد. به این دلیل این ذرات را ذرات شگفت نامیدند که دارای نوعی ویژگی خاص بودند. این ویژگی خاص را با عنوان شگفتی نام‌گذاری کردند.

دسته‌بندی ذرات بنیادی و راه‌های هشت‌گانه‌ی گلمان

با آغاز این مسیر، ذرات بسیار زیادی کشف شد که ناتوانی در دسته‌بندی آن‌ها فیزیک‌دانان را تا حدی سردرگم کرده بود. بنابر ویژگی‌های مختلف ذرات، برخی را باریون و برخی را مزون نامیده بودند. (و در این میان انواع دیگری از دسته‌بندی‌ها نیز بر اساس ویژگی‌های دیگر انجام شده بود، مثل عدد لپتونی، عدد شگفتی و … .)

مورای گلمان در سال ۱۹۶۱ روشی برای دسته‌بندی این ذرات بنیادی پیشنهاد کرد که آن را راه‌های هشتگانه می‌نامید. در این روش باریون‌ها و مزون‌ها بر اساس بار الکتریکی و شگفتی خود روی رأس‌های شکل‌های هندسی مشخصی مرتب می‌شدند. هشت باریون سبک‌تر در یک آرایه شش ضلعی قرار می‌گرفتند و دو ذره نیز در مرکز آن قرار می‌گرفت. این گروه را هشت‌تایی باریون می‌نامند، و می‌توانید آن‌ها را در تصویر زیر ببینید.

دقت کنید که ذرات با بار الکتریکی مشابه در طول خطوط قطری قرار می‌گیرند، و ذرات با شگفتی برابر روی خطوط افقی.

هشت مزون سبک‌تر در یک شش ضلعی مشابه قرار می‌گیرند و هشت‌تایی مزونی را تشکیل می‌دهند که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید. ذرات از نظر ویژگی شگفتی در این دو گروه متفاوتند اما از نظر بار الکتریکی وضعیت مشابهی دارند.

اما این نوع از آرایه تنها به شکل شش ضلعی نیست. یک نوع آرایه مثلثی نیز وجود دارد که ده باریون سنگین‌تر را در خود جای می‌دهد. این آرایه را که می‌توانید آن را در تصویر زیر ببینید، ده‌گانه‌ی باریون می‌نامند.

رویداد بسیار جالبی هنگام انجام این دسته‌بندی توسط گلمان رخ داد، که می‌توان آن را مهر تأییدی بر روش زیبای گلمان دانست. زمانی که این دسته‌بندی انجام می‌شد، در حقیقت ۹ تا از این ذرات بنیادی در آزمایشگاه شناخته شده بودند. ذره‌ای که باید پایین‌ترین خانه را با بار الکتریکی (۱-) و شگفتی (۳-) پر می‌کرد تا آن زمان کشف نشده بود. گلمان با شجاعت پیش‌بینی کرد که این ذره پیدا خواهد شد و جرم و طول عمر آن را نیز محاسبه کرده بود. درست سه سال بعد ذره‌ی امگا منفی با همان مشخصاتی که گلمان پیش‌بینی کرده بود کشف شد. پس از آن زمان نیز هر هادرون جدیدی که کشف شد جایگاهی در یکی از ابرچندگانه‌های راه‌های هشت‌گانه به خود اختصاص داد.

مدل کوارک

همه‌ی این دستاوردها در فیزیک ذرات بنیادی در نهایت گستره‌ی بزرگی از پرسش‌های اساسی را درباره‌ی ذرات سازنده‌ی جهان هستی و ویژگی‌های آن‌ها پیش روی بشر گذاشت. با موفقیت راه‌های هشت‌گانه این پرسش مطرح می‌شود که چرا هادرون‌ها در چنین الگوی منظم و شگفت‌آوری جای می‌گیرند؟ در سال ۱۹۶۴ گلمان و شوایگ به طور مستقل پیشنهاد کردند که تمام هادرون‌ها از ذرات بنیادی‌تری به نام کوارک ساخته شده‌اند. در آن زمان سه نوع از کوراک‌ها شناخته شده بود که به این سه نوع در فیزیک ذرات بنیادی سه طعم مختلف کوارک می‌گویند. کوراک‌ها نیز از الگوی راه‌های هشت‌گانه پیروی می‌کنند که به شکل یک مثلث است.

کوارک بالا (up – u) دارای بار دو سوم و شگفتی صفر است؛ کوارک پایین (down – d) دارای بار منفی یک سوم و شگفتی صفر، و کوارک شگفت (strange – s) دارای بار منفی یک سوم و شگفتی منفی یک است. به ازای هر کوارک، یک پادکوارک با بار مخالف و شگفتی مخالف وجود دارد که در مدل مشابهی قرار می‌گیرد.

بنابراین مدل کوارک پیش‌بینی می‌کند که:

هر باریون از سه کوارک (و هر پادباریون از سه پادکوارک) تشکیل شده است.

به این ترتیب با ترکیب این کوارک‌ها می‌توان تمام هادرون‌های موجود در الگوهای ابرچندگانه را ساخت. در جدول زیر می‌توانید ده ترکیبی که می‌توان از سه کوارک ساخت و نه ترکیبی که از یک کوارک و یک پادکوارک حاصل می‌شود را مشاهده کنید.

یک نکته قابل توجه این است که برای هشت‌تایی مزون‌ها نه ترکیب وجود دارد! مدل کوارک پیش‌بینی می‌کند که باید مزون سومی با شگفتی صفر (S=0) و بار صفر (Q=0) وجود داشته باشد. این ذره در آزمایشگاه نیز پیدا شده و مزون اِتا پریم نام دارد. که آن را در جدول بالا و شکل هشت‌تایی مزون‌ها مشاهده می‌کنید. پادمزون‌ها نیز به همین صورت در یک هشت‌تایی جای می‌گیرند.

تنها مشکل اساسی که در مورد کوارک‌ها مطرح است این است که هنوز هیچ کوارکی مشاهده نشده است. به نظر می‌رسد امکان این که بتوانیم یک کوارک را به صورت منفرد مشاهده کنیم وجود ندارد.

ابتدا به نظر می‌رسید مدل کوارک یک ایراد نظری هم دارد. در ظاهر این مدل اصل طرد پائولی را نقض می‌کرد. کوارک‌ها اسپین یک دوم دارند و به همین دلیل فرمیون به شمار می‌روند. بر اساس اصل طرد پائولی ذراتی که دارای اسپین نیم صحیح هستند نمی‌توانند در یک تراز یکسان قرار بگیرند. اما برخی از ذرات بنیادی در مدل کوارک از سه کوارک یکسان در یک تراز ساخته شده بودند. این مسئله را گرینبرگ در سال ۱۹۶۴ حل کرد. او فرض کرد که کوارک‌ها نه تنها سه طعم مختلف دارند (که این سه طعم عبارت‌اند از بالا، پایین و شگفت)، بلکه ویژگی دیگری نیز آن‌ها را از هم متمایز می‌کند که این ویژگی را رنگ نامیدند. بنابراین هر کوارک علاوه بر یک طعم مشخص، یک رنگ مشخص نیز دارد. این رنگ‌ها قرمز، سبز و آبی هستند. به این ترتیب کافی است در ذره‌ای که از سه کوارک با طعم یکسان ساخته شده است، هر کوارک رنگ متفاوتی از بقیه داشته باشد. برای مثال می‌توانید ترکیب کوارکی سازنده پروتون و نوترون را در تصویر زیر ببینید.

بر این اساس کوارک‌ها دارای چهار ویژگی هستند که طبق آن‌ها دسته‌بندی می‌شوند؛ بارالکتریکی، شگفتی، طعم و رنگ. تمام ذرات طبیعی بی‌رنگ هستند، به این معنا که باید در هر ذره از هر سه رنگ به یک اندازه وجود داشته باشد یا مقدار کل هر رنگ صفر باشد (کوارک می‌تواند یک واحد قرمزی یا هیچ واحد قرمزی داشته باشد). این ویژگی محدودیت دیگری برای مدل کوارک ایجاد می‌کند که با آن‌چه تاکنون مشاهده شده است سازگار است. این ویژگی مشکل پیدا نشدن کوارک منفرد در طبیعت را نیز توجیه می‌کند. هر کوارک منفرد به دلیل داشتن رنگ مشخص نمی‌تواند به صورت مجزا در طبیعت مشاهده شود.

بر این اساس تنها ترکیباتی بی‌رنگی که می‌توانند تشکیل شوند به قرار زیر هستند:

مزون‌ها: از یک کوارک و یک پادکوارک ساخته شده‌اند.

باریون‌ها: از سه کوارک ساخته شده‌اند.

پادباریون‌ها: از سه پادکوارک ساخته شده‌اند.

انقلاب نوامبر

در سال ۱۹۷۴ دو گروه به طور مستقل  و همزمان مزونی سنگین با بار خنثی را کشف کردند که عمر آن نزدیک هزار برابر هادرون‌های مشابه آن بود. آن‌ها نتایج خود را در نوامبر ۱۹۷۴ منتشر کردند. این کشف که اثر زیادی بر تثبیت موفقیت مدل کوارک داشت را انقلاب نوامبر نامیده می‌شود. مزون جدید که مزون سای نام داشت از یک کوارک و پادکوارک جدید به نام کوارک افسون (charm – c) ساخته شده است. پیش از آن نیز بورکن و گلاشو پیش‌بینی کرده بودند که باید کوارک چهارمی وجود داشته باشد. اما این داستان اینجا به پایان نرسید. در سال ۱۹۷۷ کوارک ته (bottom – b) و در سال ۱۹۹۵ کوارک سر (top – t) کشف شد.

دسته‌بندی ذرات بنیادی

ذرات بنیادی را می‌توان به دو گروه اصلی فرمیون‌ها (با اسپین نیم صحیح) و بوزون‌ها (با اسپین صحیح) دسته‌بندی کرد.

فرمیون‌های بنیادی

فرمیون‌ها ذراتی هستند که از آمار فرمی‌دیراک پیروی می‌کنند. اصل طرد پائولی بر این ذرات حاکم است و هیچ دو فرمیونی نمی‌توانند در یک لحظه یک حالت کوانتومی یکسان را در کنار هم اشغال کنند. تمام مواد موجود در طبیعت از فرمیون‌ها ساخته شده‌اند. فرمیون‌های بنیادی به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند: لپتون‌ها و کوارک‌ها.

لپتون‌ها

لپتون‌ها نوعی از ذرات با اسپین نیم صحیح هستند که از میان چهار نیروی بنیادی، نیروی هسته‌ای قوی آن‌ها را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد. به طور کل ۶ لپتون داریم: الکترون، میون، تاو، نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو. معادل با این شش ذره شش پادذره نیز وجود دارد. سه لپتون اول بارالکتریکی دارند و سه نوترینو بدون بارند.

کوارک‌ها

کوارک‌ها که در بالا بیشتر با آن‌ها آشنا شدیم به واسطه‌ی داشتن ویژگی رنگ می‌توانند با نیروی هسته‌ای قوی برهمکنش داشته باشند و بنابراین تحت تاثیر هر چهار نیروی بنیادی قرار می‌گیرند. به طور کل شش کوارک داریم که در سه نسل دسته‌بندی می‌شوند، نسل یک شامل کوارک بالا و پایین، نسل دو شامل کوارک افسون و شگفت، و نسل سه شامل کوارک سر و ته.

بوزون‌های بنیادی

بوزون‌ها ذراتی با اسپین صحیح هستند که از آمار بوز-انیشتین پیروی می‌کنند. بوزون‌های بنیادی به دو دسته تقسیم می‌شوند: بوزون‌های پیمانه‌ای که حامل چهار نیروی بنیادی طبیعت هستند، شامل فوتون (حامل نیروی الکترومغناطیس)، بوزون دبلیو و زد (ذرات واسطه نیروی ضعیف)، گلوئون (حامل نیروی قوی هسته‌ای) و گراویتون (ذره فرضی حامل نیروی گرانش). و دسته دوم بوزون‌های نرده‌ای هستند که تنها شامل بوزون هیگز است و آن را با نام ذره خدا هم می‌شناسند.

مدل استاندارد ذرات بنیادی

مدل استاندارد ذرات بنیادی مدلی است برای دسته‌بندی ذرات زیراتمی و چهار نیروی بنیادی طبیعت یعنی: الکترومغناطیس، هسته‌ای ضعیف، هسته‌ای قوی و گرانش. این مدل با کشف ذرات بنیادی مختلف و در نیمه‌ی دوم قرن بیستم توسط گلاشو، واینبرگ و عبدالسلام شکل گرفت. با احتساب تمام ذرات بنیادی که در بالا معرفی شد، مدل استاندارد ذرات بنیادی شصت و یک ذره را شامل سه دسته‌ی لپتون‌ها، کوارک‌ها و واسطه‌ها دربر می‌گیرد. در تصویر زیر می‌توانید دسته‌بندی ذرات بنیادی را مشاهده کنید.

برای آشنایی بیشتر با مدل استاندار ذرات بنیادی می‌توانید آموزش صوتی و تصویری آن را در هفت قسمت اینجا ببینید.

همچنین میتوانید این ویدئو زیبا و دیدنی را در کانال آپارات فیپو ببینید.

کوچک‌ترین سنگ بنای سازنده ماده

بنیادی‌ترین و کوچک‌ترین جزء سازنده ماده چیست؟ آیا ذراتی کوچک‌تر از کوارک‌ها وجود دارد؟ آن‌چه تا امروز علم به آن دست یافته است نشان می‌دهد کوارک‌ها کوچک‌ترین جز سازنده اتم و ماده هستند که به صورت منفرد هم دیده نشده‌اند. جاناتان باتروُرس در یک سخنرانی تد (TED) با عنوان «کوچک‌ترین چیز در جهان چیست؟» به این موضوع پرداخته است. می‌توانید این ویدئو را در زیر ببینید.