فرادرساز چگونگی کشف ساختار ماده تا شکل‌گیری مدل استاندارد فیزیک ذرات
هر چیزی که در این عالم می‌بینید، از لوازم خانه گرفته تا غذاهایی که می‌خورید و حتی ستارگان بالای سرتان، همه و همه از اجزای مشابهی ساخته شده‌اند که به طرز باورنکردنی ریز هستند. امروزه هر بچه دبستانی هم می‌داند ماده از اتم ساخته شده است؛ الکترون‌هایی که به دور هسته‌های ریزی در گردش هستند. درون هسته، پروتون‌ها و نوترون‌ها جا خوش کرده‌اند، که خودشان از کوارک‌ها ساخته شده‌اند. به این‌ها، جمعیت وسیع نوترینوهای گریزان را اضافه کنید که در اطراف ما در حال پرواز هستند. و همین‌جا توقف کنید. این چیزی است که «مدل استاندارد» فیزیک ذرات بیان می‌کند؛ بهترین نظریه موجود که در حال حاضر برای توضیح ساختار تمام ماده مرئی در دنیای ما وجود دارد. اما این‌ها را از کجا می‌دانیم؟
بیشتر دانش ما درباره ماده از «آزمایش‌های پراکندگی» (Scattering experiment) می‌آید؛ آزمایش‌هایی که در آن‌ها، دانشمندان چیزی را به چیزی دیگری کوبیده‌اند. با انجام آزمایش‌های پراکندگی در شتاب‌دهنده‌های ذرات سراسر دنیا، موفق به کشف عنصرها و ذرات بنیادی تازه‌ای شده‌ایم. اما پراکندگی تنها راهی نیست که بتوان درک کرد جهان از چه چیزی ساخته شده است.
هیچ بخشی از دانش بشر ناگهان و طی یک شب شکل نگرفته است؛ بلکه حتی واقعیت‌هایی که امروزه به عنوان اطلاعات عمومی شناخته می‌شوند، یافته‌هایی هستند که گاه طی چند قرن و با زحمات دانشمندان بیشمار و کشف‌ها و آزمایش‌های مختلف رخ داده است. این مساله درباره شناخت ما از ماده و شکل‌گیری مدل استاندارد فیزیک ذرات هم صادق است. آغاز این ماجرا به ابتدای قرن نوزدهم میلادی و آزمایشگاهی در شهر منچستر انگلستان باز می‌گردد.
ماده چیست؟
برای اینکه بتوانیم به این پرسش پاسخ دهیم که ماده چیست، نخست لازم بود بدانیم مواد از چه چیزی ساخته شده‌اند. شاید به همین دلیل باشد که «جان دالتون» (John Dalton) را پدر نظریه‌ی اتمی می‌دانند. این شیمیدان، فیزیکدان و هواشناس انگلیسی که در شهر منچستر مشغول کار بود، وزن مواد را در واکنش‌های شیمیایی مختلف اندازه‌گیری کرد و نشان داد مواد مختلف همواره با نسبت‌های ثابتی با یکدیگر ترکیب می‌شوند.
این کشف تطابق کاملی با یک ایده قدیمی داشت؛ ایده‌ای که منشاء آن به دوران یونان باستان باز می‌گشت. طبق این ایده، برای تمام عنصرهایی که دنیای پیرامون ما را شکل می‌دهد، «کوچک‌ترین واحدی» باید وجود داشته باشد؛ چیزی که امروزه آن را «اتم» می‌نامیم. طی سال‌های بعد، عنصرهای تازه و در نتیجه انواع جدیدی از اتم‌ها کشف شدند. با مرتب‌سازی این عنصرها بر اساس مشخصات اتمی و شیمیایی در جدول تناوبی عنصرها توسط دیمی‌تری مندلیف در سال 1896، گام بزرگی در زمینه اثبات وجود اتم برداشته شد.
شیرجه به درون اتم
اگرچه نظم و پیش‌بینی‌پذیری عنصرهای شیمیایی مدرک خوبی برای وجود اتم به شمار می‌رفت، اما هنوز پرسش مهمی ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود: «آیا ممکن است باز هم ذرات ریزتری وجود داشته باشد؟»
سال 1897 «جی.جی. تامسون» (J.J. Thomson) که در دانشگاه کمبریج مشغول مطالعه روی پرتوهای کاتدی بود، کشف مهمی کرد. پرتوهای کاتدی پرتوهایی هستند که توسط فلز گداخته منتشر می‌شوند و در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی شتاب می‌گیرند. تامسون کشف کرد این پرتوهای کاتدی از ذرات ریزی ساخته شده‌اند که که 2000 بار سبک‌تر از اتم هیدروژن هستند و صرف‌نظر از اینکه چه فلزی در آزمایش به کار رفته باشد، همواره بار و جرم یکسانی دارند. به این ترتیب، الکترون‌ها به عنوان نخستین ذره زیراتمی کشف شدند.
در ابتدا دانشمندان گمان می‌کردند ذرات کشف شده «داخل» اتم‌ها قرار گرفته‌اند. از آنجایی‌که الکترون‌ها بسیار سبک بودند، فرض بر این بود که چیزهای دیگری هم باید درون اتم وجود داشته باشند که بخش عمده‌ی جرم آن را شکل می‌دهند؛ اما دانشمندان نمی‌دانستند این چیزهای دیگر چیستند، یا الکترون‌ها چطور میان آن‌ها توزیع شده‌اند.
ایده پیشنهادی تامسون این بود که همانند دانه‌های کشمش درون کیک کشمشی، الکترون‌ها در سراسر اتم پراکنده هستند؛ اما آزمایش‌های «هانس گایگر» (Hans Geiger) و «ارنست مارسدن» (Ernest Marsden) که در سال 1911 انجام شد، چیز دیگری را نشان داد. این دو فیزیکدان که زیر نظر «ارنست رادرفورد» (Ernest Rutherford) معروف کار می‌کردند، در تلاش برای درک ساختار زیراتمی اقدام به بمباران ورقه‌های طلا با ذرات آلفا کردند.
ماهیت ذرات آلفا با هسته‌ی هلیم یکی است؛ دو پروتون و دو نوترون که با هم پیوند خورده‌اند و در بسیاری از واپاشی‌های پرتوزا تولید می‌شوند. انتظار اولیه فیزیکدانان این بود که ذرات آلفا مستقیما از درون ورقه‌ی طلا رد شوند، اما آزمایش نشان داد گاهی اوقات یکی از این ذرات شدیدا پس زده می‌شد. رادفورد این پدیده را این گونه توصیف کرد: «مثل این است که گلوله‌ی توپی را به یک تکه کاغذ شلیک کنید، اما گلوله به عقب بازگردد و محکم به خودتان اصابت کند».
تنها توضیح این بود که بخش اعظم اتم طلا باید فضای خالی باشد، اما نواحی مرکزی چگال و پرجرمی در آن وجود دارد که قادر است ذره آلفا را منحرف کند. به این ترتیب، هسته اتم کشف شد.
ذره خنثی
سبک‌ترین هسته اتم متعلق به هیدروژن است. رادرفورد در سال ۱۹۱۷ ثابت کرد که هسته هیدروژن در هسته اتم‌های دیگر نیز وجود دارد. معمولا این نتیجه را به عنوان کشف پروتون در نظر می‌گیرند. طی همین سال‌ها، دانشمندان جرم و بار هسته‌های مختلف را اندازه‌گیری کردند. از آنجایی‌که اتم‌ها از نظر الکتریکی خنثی بودند، بدیهی بود که بار الکتریکی مثبت پروتون‌ها و در نتیجه تعداد آن‌ها باید با بار و تعداد الکترون‌های اتم برابر باشد.
اما یک مشکل بزرگ وجود داشت: اگر هسته تنها از پروتون ساخته شده بود، بار الکتریکی مثبت اتم باید به مراتب بیشتر از چیزی بود که اندازه‌گیری‌ها نشان می‌داد. سرانجام در سال 1932، «جیمز چادویک» (James Chadwick) ذره زیراتمی دیگری را کشف کرد که تقریبا هم جرم با پروتون بود اما بار الکتریکی نداشت: نوترون.
کشف نوترون کار ساده‌ای نبود. بسیاری از روش‌های آشکارسازی ذرات بر این اساس کار می‌کردند که در برخورد با ماده، الکترون‌ها را از اتم بیرون می‌انداختند. این ویژگی باعث باقی ماندن ذره‌ای باردار (یون) می‌شود که به سادگی و با استفاده از ابزاری موسوم به «اتاق ابر» قابل شناسایی است. اما از آنجایی‌که نوترون بدون بار بود، آشکارسازی آن در اتاق ابر امکان‌ناپذیر بود.
برای غلبه بر این مشکل، چادویک از این واقعیت استفاده کرد که نوترون‌ها تقریبا هم جرم با پروتون‌ها هستند و در نتیجه به طرز موثری انرژی خود را به آن‌ها منتقل می‌کنند؛ درست مثل وقتی که گوی سفید بیلیارد با برخورد به توپ‌های ساکن روی میز، انرژی خودش را به آن‌ها منتقل می‌کند.
چادویک اقدام به شلیک نوترون -که از بمباران هسته بریلیُم توسط ذرات آلفا به دست می‌آمد- به عنصرهای مختلف کرد و پروتون‌هایی را که در اثر این برخورد از اتم بیرون انداخته می‌شدند، آشکارسازی کرد. آشکارسازی این پروتون‌ها نشان می‌داد پرتوهای مرموزی که از بمباران عنصر بریلیُم به دست آمده‌اند، بی‌شک از ذراتی خنثی با بار مشابه پروتون ساخته شده‌اند؛ ذره‌ی پرطرفدار نوترون کشف شده بود.
راند دوم
پس از کشف نوترون، در ابتدا به نظر می‌رسید مولفه‌های بنیادین سازنده مواد شناسایی شده است. با داشتن پروتون، نوترون و الکترون می‌توانستید هر کدام از عنصرهای جدول تناوبی را بسازید و با استفاده از این عنصرها، هر چیزی قابل ساختن بود. اما پرسش مهمی هنوز بدون پاسخ مانده بود: «ذرات سازنده‌اتم چطور با هم اندرکنش می‌کنند؟» برای مثال، چطور یک مشت پروتون که همگی بار مثبت داشتند و بنابراین باید یکدیگر را دفع می‌کردند، می‌توانستند خودشان را کنار یکدیگر و درون هسته‌ی اتم جا دهند؟
علاوه بر مشکل اندرکنش، دانشمندان نمی‌توانستند واپاشی به تا را تنها با داشتن سه ذره پروتون، الکترون و نوترون توضیح دهند. واپاشی به تا، واپاشی هسته اتم است که طی آن پروتون به نوترون تبدیل می‌شود؛ نوعی واپاشی پرتوزا که به نظر می‌رسید قانون پایستگی اندازه حرکت را به عنوان یکی از قوانین بنیادین فیزیک نقض می‌کرد. بنابراین شکی نبود که چیزهای دیگری هم باید وجود داشته باشند.
پرتوهای کیهانی وارد می‌شوند
«تئودور وولف» (Theodor Wulf) در سال 1909 کشف عجیبی کرد که در ابتدا به نظر نمی‌رسید ارتباطی با ماجرای ساختار ماده داشته باشد. اندازه‌گیری‌های وولف نشان داده بود تعداد ذرات باردار در نوک برج ایفل بیشتر از تعداد مورد انتظار است. این مساله به ذرات پرانرژی کیهانی موسوم به «پرتوهای کیهانی» نسبت داده شد که پیوسته در حال بمباران سیاره‌ی ما هستند و دانشمندان شروع به مطالعه درباره‌ی این پرتوها کردند.
نتایج اولیه شگفت‌آور بود: ذرات باردار مورد بررسی پروتون، نوترون، الکترون یا هیچ ترکیبی از این ذرات نبودند. از آنجایی‌که این ذرات عموما به مراتب سنگین‌تر از الکترون بودند، دانشمندان آن‌ها را «هادرون» نامیدند که از واژه‌ی یونانی به معنای محکم یا سنگین گرفته شده بود.
سبک‌ترین هادرون‌ها، «پیون» بود که در سال 1947 کشف شد و به دنبال آن، تعداد زیادی ذره‌ی دیگر نیز کشف شد؛ موضوعی که برای فیزیکدانانی که امیدوار به یافتن نظریه‌ای یکپارچه برای فیزیک ذرات بنیادین بودند، نگران‌کننده بود.
ذره خیالی
سال ۱۹۳۰ و دو سال پیش از کشف نوترون، فیزیکدان نظری مشهور «ولفگانگ پاولی» (Wolfgang Pauli) ایده هوشمندانه‌ای را برای حل مشکل حفظ اصل پایستگی انرژی در تولید ذرات بتا پیشنهاد کرد. پاولی مشکل واپاشی بتا را با خلق یک ذره ریز، خنثی و جدید حل کرد: نوترینو.
اگرچه پاولی وجود این ذره جدید را بدیهی فرض کرده بود، اما تصور می‌کرد راهی برای آشکارسازی آن وجود ندارد؛ بنابراین کارش را «وحشتناک» توصیف می‌کرد. خوشبختانه از یک سو نظر پاولی درباره وجود نوترینو درست بود و از سوی دیگر، نظرش درباره‌ی غیرقابل شناسایی بودن این ذره اشتباه از آب درآمد.
پائولی تنها کسی نبود که وجود ذرات جدید را بدیهی و لازم می‌دانست. سال 1928 «پال دیراک» (Paul Dirac) معادله مشهورش را منتشر کرد که مکانیک کوانتوم را با نسبیت خاص اینشتین متحد می‌کرد. طبق این معادله که می‌توانست حرکت الکترون‌ها را با سرعت نسبیتی (نزدیک به سرعت نور) توصیف کند؛ هر ذره باید همتایی از جنس «پادماده» (Antimatter) می‌داشت که دقیقا هم‌جرم آن بود، اما بار الکتریکی مخالف ذره اصلی داشت.
تنها چهار سال بعد، پوزیترون (پاد ذره الکترون) به عنوان نخستین پادماده دنیا در مشاهدات پرتوهای کیهانی کشف شد. در نهایت و در سال 1953، «فردریک راینس» (Frederick Reines) و «کلاید کاون» (Clyde Cowan) آزمایشی را ترتیب دادند که ثابت کرد نوترینو تنها وهم و خیال پائولی نبوده است. آن‌ها پادنوترینوهایی را مشاهده کردند که با پروتون وارد برهمکنش شده و باعث تولید پوزیترون و نوترون می‌شدند. اگرچه احتمال اندرکنش نوترینو یا پادنوترینو با ماده معمولی بسیار اندک است، اما تعداد ذرات مشاهده شده توسط راینس و کاون برای اثبات وجود این ذره گریزپا کافی بود.
آشکارسازی نوترینو پیشرفت بزرگی به شمار می‌رفت، اما مشکل «تعداد بیشمار هادرون‌ها» کماکان به قوت خود باقی بود. اما با اثبات وجود نوترینو، وجود ذراتی به مراتب ریزتر مطرح شد که هادرون‌ها را شکل می‌دادند: کوارک.
آزمایش کلیدی
پیش از سال 1964، دانشمندان درباره تعداد ذرات بنیادی که کشف می‌کردند، روزبه‌روز نگران‌تر می‌شدند. بسیاری از این هادرون‌ها که در آزمایشگاه‌های شتاب‌دهنده و رصدهای پرتوهای کیهانی ظاهر می‌شدند، طول عمر کوتاهی داشتند و نهایتا با واپاشی شدن، پروتون، الکترون و نوترینو بر جای می‌گذاشتند.
سال 1964، «موری گلمن» (Murray Gell-Mann) و «جرج زویگ» (George Zweig) که مستقل از هم در دانشگاه کلتک و آزمایشگاه سرن مشغول تحقیق بودند، نشان دادند بسیاری از خصوصیات هادرون‌ها را می‌توان به واسطه ترکیب‌های مختلف اجزای کوچک‌تری که گلمن آن‌ها را «کوارک» نامید، توضیح داد. باز هم شبیه به راه‌حل پاولی درباره نوترینو، مشخص نبود که آیا هادرون‌ها واقعا از کوارک ساخته شده‌اند، یا اینکه صرفا فوت و فن معادلات ریاضی هستند. سرانجام، مجموعه آزمایش‌هایی که توسط جروم فریدمان (Jerome Friedman)، هنری کندال (Henry Kendall) و ریچارد تیلور (Richard Taylor) بین سال‌های 1967 تا 1973 در مرکز شتاب‌دهنده خطی استنفورد روی الکترون‌های انرژی بالا انجام شد، حضور ذرات ریز و سختی را درون پروتون‌ها نشان داد که تمام مشخصات مورد انتظار کوارک‌ها را داشتند.
تا کنون شش طعم (گونه) مختلف کوارک شناسایی شده است که آخرین و سنگین‌ترین آن‌ها به سال 1995 و در آزمایشگاه فرمی کشف شدند. ترکیب کوارک‌ها توسط نیروی هسته‌ای قوی است که هادرون‌ها را پدید می‌آورد. کشف کوارک‌ها جهش بزرگی در درک ما از ماده بود و گامی کلیدی در تدوین مدل استاندارد به شمار می‌رود. وجود کوارک‌ها و الکترون‌ها برای توضیح محتوای مادی اتم‌ها و در نتیجه تمام عنصرهای شناخته شده عالم کفایت می‌کند.
قطعه آخر؟
به موازات تلاش برای درک ساختار ماده، فیزیکدانان تلاش می‌کردند درک خود را از نیروهایی که مسئول کنار هم نگاه داشتن اتم‌ها بودند، بهبود دهند. در دهه‌ی 1940، «ریچارد فاینمن» (Richard Feynman)، «جولیان شوینگر» (Julian Schwinger) و «سین‌ایترو توموناگا» (Sin-Itiro Tomonaga) موفق به توسعه‌ی «الکترودینامیک کوانتومی» (Quantum Electrodynamics) شدند؛ نظریه‌ای کوانتومی برای الکترومغناطیس.
در طول سال‌های دهه 70 میلادی، هم‌ارز الکترومغناطیسی نیروی هسته‌ای قوی (نیرویی که هسته اتم را کنار هم نگاه می‌دارد و کوارک‌ها را درون هادرون‌ها محصور می‌کند) نیز فرمول‌بندی شد؛ نظریه‌ای که با نام «کرومودینامیک کوانتومی» (Quantum chromodynamics) شناخته می‌شود. با وجود این، نیروی هسته‌ای ضعیف، نیرویی با برد کوتاه که مسئول واپاشی بتاست و نقش نیروی سوم را در کنار الکترومغناطیس و نیروی قوی ایفا می‌کرد، کماکان مشکل‌ساز بود.
الکترودینامیک کوانتومی و کرومودینامیک کوانتومی هر دو بر پایه‌ی تقارن در طبیعت کار می‌کنند؛ جنبه‌هایی از فیزیک که بدون تغییر دادن نیروها یا ذرات می‌توانند تغییر کنند (مثل چرخاندن 90 درجه‌ای یک مربع، بدون آن که ظاهر آن تغییر کند). بدون این تقارن‌ها، هر دو این نظریه‌ها پاسخ‌هایی بی‌معنی تولید می‌کنند.
در مدل استاندارد، تمام نیروها توسط ذراتی به نام «بوزون» حمل می‌شوند. اما اگر تقارن را به معادلات مدل استاندارد اضافه کنید، این نتیجه به دست می‌آید که ذرات حامل نیروها باید بدون جرم باشند. چنین چیزی برای ذرات حامل نیروی هسته‌ای قوی (گلئون) و نیروی الکترومغناطیس (فوتون) مشکل‌ساز نیست؛ اما برای نیروی هسته‌ای ضعیف که توسط ذرات سنگین و پرجرم موسوم به بوزون Z و W حمل می‌شوند، صدق نمی‌کند.
پاسخ این مشکل در نظریه‌ای نهفته بود که توسط «پیتر هیگز» (Peter Higgs) و همکارانش در سال 1964 توسعه داده شد. آن‌ها فرض کردند نوعی میدان انرژی در تمام عالم جریان دارد و ذرات جرم خودشان را طی اندرکنش با این میدان به دست می‌آورند. به این ترتیب، تقارن حیاتی مدل استاندارد حفظ می‌شد و بوزون‌های Z و W و دیگر ذرات هم می‌توانستند بار مشاهداتی خودشان را داشته باشند.
این نظریه همچنین وجود یک ذره جدید و پرجرم با بار صفر را پیش‌بینی می‌کرد؛ ذره‌ای که نام «بوزون هیگز» را به خود گرفت. این قطعه‌ی گمشده مدل استاندارد سرانجام در سال 2012 (1391) و توسط شتاب‌دهنده بزرگ هادرونی کشف شد.
چشم‌انداز آینده
در حال حاضر، ذرات تشکیل دهنده ماده در مدل استاندارد، بر اساس ویژگی‌هایشان در یک الگو مرتب شده‌اند. شش طعم از کوارک‌ها و شش طعم از لپتون‌ها (ذراتی مثل الکترون‌ها و نوتروینوها که نیروی هسته‌ای قوی را حس نمی‌کند، اما از اصل طرد پاولی پیروی می‌کند) وجود دارد و تمام آن‌ها در سه «نسل» (بر اساس افزایش جرم) قرار می‌گیرند.
وقتی مندلیف عنصرها در جدول تناوبی مرتب کرد، سرنخ بزرگی درباره زیرساختار اتم در اختیار ما قرار داد. الگوی ویژگی‌ها و مشخصات هادرون‌ها نیز همان چیزی بود که دانشمندان را به گمانه‌زنی درباره وجود کوارک‌ها رهنمون ساخت. اما آیا ممکن است شگفتی دیگری در کار باشد؟
برای مثال، وقتی در سال 1998 دانشمندانی که در آشکارساز «کامیوکانده» (Kamiokande) ژاپن کار می‌کردند، کشف کردند نوترینوها که برای مدت طولانی بدون جرم انگاشته می‌شدند، دارای جرم هستند. این کشف مدل استاندارد را مجبور کرد پذیرای نخستین تغییر بنیادینش باشد. بنابراین سوال اینجاست که آیا الگوی ذرات مدل استاندارد دربردارنده سرنخی به لایه دیگری از ساختار زیراتمی است؛ اجرام باز هم ریزتری که کوارک‌ها و لپتون‌ها را شکل داده‌اند؟ شاید در آینده آزمایش‌ها بیشتر پرده از این راز بردارند.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
سلام توی مقدمه گفتید نوترینوی بی جرم، در حالی که نوترینو جرم داره ولی همین موضوع برای دانشمند ها معما شده که چرا نوترینو جرم داره
با سلام،
متن بازبینی و اصلاح شد. نوترینو یکی از فراوان‌ترین ذرات موجود در جهان است. تا سال‌ها دانشمندان تصور می‌کردند نوترینو ذره‌ای بدون جرم است. اما اکنون می‌دانند که جرم این ذره صفر نیست، اما بسیار کوچک و در حدود ۵۰۰ هزار مرتبه کمتر از جرم الکترون است.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس