علوم پایه، فیزیک 233 بازدید

کوارک را هر عضوی از گروه ذرات اولیه زیر اتمی که با نیروی قوی برهم کنش می‌کنند، می‌گویند و تصور می‌شود که از اجزای اصلی ماده هستند. کوارک‌ها از طریق نیروی قوی برای تشکیل پروتون‌ها و نوترون‌ها تقریباً به همان روشی که ذرات در نسبت‌های مختلف با هم ترکیب شده و هسته‌های اتمی را تشکیل می‌دهند، با یکدیگر در ارتباط هستند. در این مطلب در مورد انواع کوارک و ویژگی‌های آن صحبت می‌کنیم.

کوارک چیست؟

کوارک‌ها در بخش‌های مختلف این مطلب به عنوان اجزای سازنده اساسی و اعضای منحصر به فرد ذرات اولیه واقعی ذکر شده‌اند. توجه داشته باشید که یک ذره ابتدایی یا اساسی هیچ زیر ساختی ندارد و از ذرات دیگر ساخته نشده است و همچنین اندازه محدودی غیر از طول موج ندارد. این بدان معنا نیست که ذرات اساسی پایدار هستند بلکه برخی از آن‌ها دچار واپاشی می‌شوند، در حالی که برخی دیگر نه. به خاطر داشته باشید که همه لپتون‌ها ذرات بنیادی هستند در حالی که هیچ هادرونی به عنوان ذره بنیادی معرفی نمی‌شود. شواهد محکمی وجود دارد که کوارک‌ها اجزای اصلی سازنده هادرون‌ها، همانطور که در شکل (1) نشان داده شده، هستند. کوارک‌ها گروه دوم ذرات بنیادی هستند و لپتون‌ها اولین هستند. سومین و شاید آخرین گروه ذرات بنیادی ذرات حامل چهار نیروی اساسی هستند. لپتون‌ها، کوارک‌ها و ذرات حامل چهار نیروی اساسی ممکن است همه چیزی باشد که در عالم وجود دارد. در این مطلب به زیرساخت هادرون‌ها یعنی کوارک و ارتباط آن با نیروها و همچنین بررسی برخی سوالات و مشکلات باقی مانده در این مبحث می‌پردازیم.

باریون‌ها
تصویر 1: همه باریون‌ها مانند پروتون و نوترون نشان داده شده در اینجا از سه کوارک تشکیل شده‌اند. همه مزون‌ها، مانند پیون‌های نشان داده شده در اینجا از یک جفت کوارک و آنتی کوارک تشکیل شده است. فلش‌ها نشان دهنده چرخش کوارک‌ها هستند که همانطور که خواهیم دید رنگی نیز هستند. رنگ‌ها به گونه‌ای هستند که برای ترکیب احتمالی کوارک‌ها باید سفید به آن‌ها اضافه شوند.

مفهوم کوارک چیست؟

کوارک‌ها ابتدا توسط فیزیکدانان آمریکایی «موری گل مان» (Murray Gell-Mann) و «جورج زویگ» (George Zweig) در سال 1963 به طور مستقل پیشنهاد شدند. نام عجیب آنها توسط گل مان از رمان جیمز جویس گرفته شده است، گل مان در حقیقت تا حد زیادی مسئول مفهوم و نام «استرنجنس» (strangeness) نیز بود. قبل از ادامه بحث باید عنوان کرد که استرنجنس که با $$S$$ نمایش داده می‌شود به عنوان عدد کوانتومی برای توضیح واپاشی ذرات در واکنش‌های قوی و الکترومغناطیس که در بازه کوتاهی از زمان رخ می‌دهد، معرفی می‌شوند. عدد کوانتومی یا استرجنس برابر است با:

$$S=-\left(n_{s}-n_{s}^{-}\right)$$

که $$n_s$$ تعداد کوارک‌های شگفت و $$n_{s}^{-}$$ تعداد آنتی کوارک‌های شگفت است. به صورت کلی نام‌های عجیب و غریب در فیزیک ذرات رایج هستند و شخصیت فیزیکدانان مدرن را منعکس می‌کنند. در ابتدا، سه نوع کوارک یا طعم دهنده برای مزون‌ها و باریون‌های شناخته شده آن زمان پیشنهاد شد. این نوع از کوارک‌ها شامل کوارک بالا (u)، پایین (d) و شگفت (s) نامگذاری شدند. همه کوارک‌ها دارای اسپین نیمه صحیح هستند و بنابراین فرمیون هستند. همه مزون‌ها دارای اسپین صحیح هستند در حالی که همه باریون‌ها دارای اسپین نیمه صحیح هستند. بنابراین مزون‌ها باید از تعداد زوج کوارک تشکیل شوند در حالی که باریون‌ها باید از تعداد فرد کوارک تشکیل شده باشند. تصویر (1) ساختار کوارک پروتون، نوترون و دو پیون را نشان می‌دهد. قسمت اصلی پیشنهاد گل مان و زویگ بارهای کسری کوارک‌ها هستند که شامل $$\pm (\frac{2}{3})q_{e}$$ و $$(\frac{1}{3})q_{e}$$ بودند.

این در حالی که همه ذرات مشاهده شده مستقیم دارای بارهایی‌اند که مضرب جدایی ناپذیر $$q_e$$ هستند. توجه داشته باشید که مقدار کسری کوارک این واقعیت را نقض نمی‌کند که e کوچکترین واحد بار است که مشاهده شده است، زیرا کوارک نمی‌تواند به صورت آزاد وجود داشته باشد. جدول (1) ویژگی‌های شش نوع یا طعم کوارک را که اکنون تصور می‌شود وجود دارد فهرست کرده است. اکتشافات انجام شده از سال 1963 نشان می‌دهد که به انواع کوارک اضافی نیاز است، که به سه خانواده، کاملاً شبیه به لپتون‌ها تقسیم می‌شوند.

معرفی فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی (Particle physics)

آموزش فیزیک ذرات بنیادی

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی (Particle physics)کرده است. این مجموعه آموزشی از پنج درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک و افراد علاقه‌مند به فیزیک ذرات مفید است. پیش‌نیاز این درس ریاضی پایه، فیزیک پایه و آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله است.

درس اول این مجموعه مروری بر مقدمات فیزیک ذرات بنیادی است. درس دوم به تاریخچه ذرات بنیادی و درس سوم به بررسی دینامیک ذرات بنیادی اختصاص دارد. در درس چهارم سینماتیک نسبیتی و مفهوم‌های به کار برده در این مبحث را خواهید آموخت و در درس پنجم تقارن‌ها بررسی می‌شود.

کوارک‌ها چگونه کار می‌کنند؟

برای درک نحوه عملکرد زیر ساخت کوارک‌ها اجازه دهید پروتون، نوترون و دو پیون تصویر شده در شکل (1) را قبل از اینکه به ملاحظات کلی‌تر بپردازیم، به طور خاص بررسی کنیم. اول پروتون p از سه کوارک uud تشکیل شده است به طوری که بار کل آن برابر است با:

$$+\left(\frac{2}{3}\right) q_{e}+\left(\frac{2}{3}\right) q_{e}-\left(\frac{1}{3}\right) q_{e}=q_{e}$$

و این همان چیزی است که انتظارش را داشتیم. با تراز شدن اسپین‌ها مانند شکل، اسپین ذاتی پروتون برابر است با:

$$+\left(\frac{1}{2}\right)+\left(\frac{1}{2}\right)-\left(\frac{1}{2}\right)=\left(\frac{1}{2}\right)$$

و باز هم این نتیجه همان چیزی است که انتظار آن را داشتیم. توجه داشته باشید که اسپین کوارک‌های بالا تراز هستند، به طوری که آن‌ها در یک حالت قرار دارند با این تفاوت که رنگ‌های متفاوتی دارند. رنگ، عدد کوانتومی دیگری است که کمی بعد توضیح داده می‌شود. کوارک‌ها از اصل طرد پائولی تبعیت می‌کنند. نظرات مشابهی در مورد نوترون n، که از سه کوارک udd تشکیل شده است، وجود دارد. همچنین توجه داشته باشید که نوترون از بارهایی تشکیل شده است که به صفر اضافه می‌شوند اما در داخل حرکت کرده و گشتاور مغناطیسی معروف خود را تولید می‌کنند. وقتی نوترون واپاشی $$-\beta$$ انجام می‌دهد، یکی از کوارک‌های آن تغییر می‌کند. در حقیقت واپاشی $$-\beta$$ بر حسب کوارک به صورت زیر است:

$$n \rightarrow p+\beta^{-}+\bar{v}_{e} \text { becomes } u d d \rightarrow u u d+\beta^{-}+\bar{v}_{e}$$

همان طور که ملاحظه می‌کنید یک کوارک پایین به یک کوارک بالا تبدیل می‌شود و می‌توان نوشت:

$$d \rightarrow u+\beta^{-}+\bar{v}_{e}$$

جدول 1: مشخصات کوارک‌ها و آنتی کوارک‌ها

نام نماد ضد ذره اسپین بار عدد باریونی عدد کوانتومی $$c$$ $$b$$ $$t$$ جرم $$\frac{GeV}{c^2}$$
بالا $$u$$ $$\bar{u}$$ $$\frac{1}{2}$$ $$\frac{2}{3}q_e$$ $$\pm\frac{1}{3}$$ $$0$$ $$0$$ $$0$$ $$0$$ $$0.005$$
پایین $$d$$ $$\bar{d}$$ $$\frac{1}{2}$$ $$\mp\frac{1}{3}q_e$$ $$\pm\frac{1}{3}$$ $$0$$ $$0$$ $$0$$ $$0$$ $$0.008$$
شگفت $$s$$ $$\bar{s}$$ $$\frac{1}{2}$$ $$\mp\frac{1}{3}q_e$$ $$\pm\frac{1}{3}$$ $$\mp 1$$ $$0$$ $$0$$ $$0$$ $$0.50$$
افسون $$c$$ $$\bar{c}$$ $$\frac{1}{2}$$ $$\frac{2}{3}q_e$$ $$\pm\frac{1}{3}$$ $$0$$ $$\mp 1$$ $$0$$ $$0$$ $$1.6$$
ته $$b$$ $$\bar{b}$$ $$\frac{1}{2}$$ $$\frac{1}{3}q_e$$ $$\pm\frac{1}{3}$$ $$0$$ $$0$$ $$\mp 1$$ $$0$$ $$5$$
سر $$t$$ $$\bar{t}$$ $$\frac{1}{2}$$ $$\mp\frac{2}{3}q_e$$ $$\pm\frac{1}{3}$$ $$0$$ $$0$$ $$0$$ $$\mp 1$$ $$173$$

در جدول زیر نیز ترکیبات مختلف کوارک‌ها برای برخی هادرون‌های انتخابی را معرفی می‌کنیم. در ابتدا ذرات مزون را بررسی می‌کنیم که عبارتند از:

جدول 2: ساختار کوارک برای مزون‌ها

ذره ترکیبات کوارک
مزون‌ها
$$\pi^{+}$$ $$u\bar{d}$$
$$\pi^{-}$$ $$\bar{u}d$$
$$\pi^{0}$$ $$u\bar{u}$$
$$\eta^{0}$$ $$u\bar{u}$$
$$K^{0}$$ $$d\bar{s}$$
$$\bar{K}^0$$ $$\bar{d}s$$
$$K^{+}$$ $$u\bar{s}$$
$$K^{-}$$ $$\bar{u}s$$
$$\frac{J}{\psi}$$ $$c\bar{c}$$
$$\Upsilon$$ $$b\bar{b}$$

ساختار کوارکی باریون‌ها نیز به شکل زیر است:

جدول 3: ساختار کوارک برای باریون‌ها

ذره ترکیبات کوارک
باریون
$$p$$ $$uud$$
$$n$$ $$udd$$
$$\Delta ^{0}$$ $$udd$$
$$\Delta ^{+}$$ $$uud$$
$$\Delta ^{-}$$ $$dd$$
$$\Delta ^{++}$$ $$uuu$$
$$\Lambda ^{0}$$ $$uds$$
$$\Sigma ^{0}$$ $$uds$$
$$\Sigma ^{+}$$ $$uus$$
$$\Sigma ^{-}$$ $$dds$$
$$\Xi ^{0}$$ $$uss$$
$$\Xi ^{-}$$ $$dss$$
$$\Omega ^{-}$$ $$sss$$

این نمونه‌ای از این واقعیت کلی است که نیروی هسته‌ای ضعیف می‌توانند طعم یا نوع کوارک را تغییر دهند. به طور کلی منظور ما این است که هر کوارکی می‌تواند توسط نیروی هسته‌ای ضعیف به هر نوع دیگر (تغییر طعم) تبدیل شود. در حقیقت نه تنها می‌توانیم $$d\rightarrow u$$ تبدیل کنیم، بلکه می‌توانیم $$u \rightarrow d$$ تبدیل نماییم. علاوه بر این کوارک شگفت نیز می‌تواند توسط نیروی ضعیف تغییر کند و $$s\rightarrow u$$ و $$s\rightarrow d$$ را ممکن می‌سازد. این توضیحات اصل بقای «استرنجنس» (strangeness) را که در بخش قبل نقض شد، پوشش می‌دهد. همچنین یک واقعیت کلی دیگر نیز از این تغییرات این است که نیروی هسته‌ای قوی نمی‌تواند نوع کوارک را تغییر دهد.

مجدداً از تصویر (1) می‌توان مشاهده کرد که $$\pi^{+}$$ مزون (یکی از سه پیون) از یک کوارک بالا به علاوه یک کوارک آنتی پایین تشکیل شده که به صورت $$u\bar{d}$$ نمایش داده می‌شود. به گونه‌ای که بار کل آن برابر است با:

$$+\left(\frac{2}{3}\right) q_{e}+\left(\frac{1}{3}\right) q_{e}=q_{e}$$

و این همان چیزی است که انتظار می‌رفت. عدد باریون $$\pi^{+}$$ صفر است زیرا دارای کوارک و آنتی کوارک با اعداد باریونی به صورت زیر است:

$$+\left(\frac{1}{3}\right)-\left(\frac{1}{3}\right)=0$$

$$\pi^{+}$$ اگرچه از ماده و پاد ماده تشکیل شده است اما دارای نیمه عمر نسبتاً طولانی است، کوارک‌ها انواع متفاوتی دارند و نیروی ضعیف باید با تغییر نوع یکی به نوع دیگر باعث واپاشی شود. اسپین کوارک‌های $$u$$ و $$\bar{d}$$ پاد موازی هستند و پیون را قادر می‌سازد تا همان طور که به صورت تجربی مشاهده شد اسپین صفر داشته باشد. در نهایت مزون $$\pi^{-}$$ نشان داده شده در شکل (1) ضد ذره مزون $$\pi^{+}$$ است و از ضد ذرات کوارک مربوطه تشکیل شده است. یعنی مزون $$\pi^{+}$$ دارای $$u\bar{d}$$ است و مزون $$\pi^{-}$$ دارای $$\bar{u}d$$ است.

این دو پیون به سرعت یکدیگر را از بین می‌برند زیرا کوارک‌های تشکیل دهنده آنها پاد ذره یکدیگر هستند. دو قانون کلی برای ترکیب کوارک‌ها و ایجاد هادرون‌ها وجود دارد که به شرح زیر هستند:

  • باریون‌ها از سه کوارک و آنتی باریون‌ها از سه آنتی کوارک تشکیل شده‌اند.
  • مزون‌ها ترکیبی از یک کوارک و یک آنتی کوارک هستند.

یکی از نکات هوشمندانه در مورد این مدل این است که تنها بارهای صحیح حاصل می‌شوند، هر چند کوارک‌ها دارای بار کسری باشند.

آیا همه ترکیبات کوارک‌ها امکان پذیر است؟

همه ترکیبات کوارک امکان پذیر است. جداول بالا برخی از این ترکیب‌ها را فهرست می‌کند. وقتی گل مان و زویگ سه نوع اصلی کوارک را پیشنهاد کردند، ذرات مربوط به همه ترکیبات آن سه مورد مشاهده نشد. در حقیقت یک الگو وجود داشت که کامل نبود. شبیه به حالتی که در جدول تناوبی عناصر و نمودار نوکلیدها مشاهده می‌شد. ذره $$\Omega ^{-}$$ به طور خاص کشف نشده بود، اما توسط نظریه کوارک پیش بینی شده بود. این ذره که ترکیبی از سه کوارک شگفت $$sss$$، به آن استرنجنس یا عدد کوانتومی $$-3$$ می‌داد و سایر ویژگی‌هایی مانند اسپین، بار، جرم تقریبی و طول عمر قابل پیش بینی بودند. اگر تئوری کوارک کامل بود، $$\Omega ^{-}$$ نیز باید وجود می‌داشت. این ذره برای اولین بار در سال 1964 در آزمایشگاه ملی بروخاون آمریکا مشاهده شد و دارای ویژگی‌های پیش بینی شده در جدول بود. کشف $$\Omega ^{-}$$ شواهد غیرمستقیم قانع کننده‌ای برای وجود سه نوع اصلی کوارک بود و تلاش‌های نظری و تجربی را برای کشف بیشتر ذرات فیزیک از نظر کوارک تقویت کرد.

الگوها و معماها: اتم‌ها، هسته‌ها و کوارک‌ها

الگوهای ویژگی‌های اتم‌ها اجازه ایجاد و تکامل جدول تناوبی را می‌دهد. از آن الگوها عناصر ناشناخته قبلی پیش بینی و مشاهده شد. به طور مشابه الگوهایی در خواص هسته‌ها مشاهده شد که منجر به نمودار نوکلئیدها و پیش بینی‌های موفق از نوکلئیدهای ناشناخته شد. اکنون با فیزیک ذرات، الگوها دلالت بر یک ساختار کوارک دارند که اگر به معنای واقعی کلمه به کار گرفته شود، ذرات ناشناخته قبلی را پیش بینی می‌کند. این‌ مشاهدات اکنون به عنوان پیروزی دیگری از وحدت اساسی در فیزیک بیان می‌شود.

کشف ذره امگا
تصویر 2: تصویر مربوط به کشف $$\Omega ^{-}$$ است. این یک واکنش ثانویه است که در آن $$K^{-}$$ تولید شده توسط شتابدهنده ذرات از طریق نیروی قوی با پروتون برخورد می‌کند و برای پایستگی عدد کوانتومی یا استرنجنس یک $$\Omega ^{-}$$ با ویژگی‌های پیش بینی شده توسط مدل کوارک تولید می‌شود. مانند سایر پیش بینی‌های مربوط به ذراتی که قبلاً مشاهده نشده بودند، این امر به نظریه کوارک کمک فوق العاده‌ای کرد.

مثال 1: عدد کوانتومی $$\Xi ^{0}$$ را که در جدول ترکیبات کوارک آورده شده است را به دست آورید.

پاسخ: ساختاری که برای $$\Xi ^{0}$$ در جدول داده شده است به صورت $$uss$$ است. عدد کوانتومی برای این کوارک‌ها در جدول (1) داده شده است. برای به دست آوردن عدد کوانتومی $$\Xi ^{0}$$ ابتدا بار کلی $$uss$$ را به دست می‌آوریم که با توجه به جدول (1) داریم:

$$+\left(\frac{2}{3}\right) q_{e}-\left(\frac{1}{3}\right) q_{e}-\left(\frac{1}{3}\right) q_{e}=0$$

در نتیجه بار کلی آن صفر است. با توجه به جدول (1) عدد باریونی $$\Xi ^{0}$$ نیز برابر است با:

$$+\frac{1}{3}+\frac{1}{3}+\frac{1}{3}=1$$

که این عدد برای عدد باریونی $$\Xi ^{0}$$ که به عنوان یک ماده باریونی شناخته می‌شود، صحیح است. عدد کوانتومی یا استرنجنس $$\Xi ^{0}$$ نیز با توجه به جدول (1) برابر است با:

$$S=0-1-1=-2$$

این فرآیند مشابه کاری است که مخترعان فرضیه کوارک هنگام بررسی این که آیا راه حل آن‌ها برای معمای الگوهای ذرات درست است یا خیر، انجام دادند. آن‌ها همچنین بررسی کردند که آیا همه ترکیبات شناخته شده هستند یا خیر و در نتیجه $$\Omega ^{-}$$ که قبلاً مشاهده نشده بود را به عنوان تکمیل این الگو پیش بینی کردند.

آموزش مقدماتی ابزار مونت کارلوی Geant4

آموزش مقدماتی ابزار مونت کارلوی Geant4

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش مقدماتی ابزار مونت کارلوی Geant4 کرده است. این مجموعه آموزشی از یازده درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک، فیزیک پزشکی، مهندسی هسته‌ای و مهندسی پزشکی مفید است.

درس اول این مجموعه به معرفی Geant4 و آشنایی با مفاهیم پایه آن و درس دوم به نصب Geant4 و نحوه اجرای مثال در آن اختصاص دارد. درس سوم به تعریف ماده و درس چهارم، پنجم و ششم در سه بخش به تعریف هندسه در Geant4 اختصاص دارد. در درس هفتم این مجموعه تعریف فیزیک برهمکنش‌ها و در درس هشتم تعریف چشمه ذرات در Geant4 را خواهید آموخت. درس نهم به استخراج اطلاعات به روش مش بندی اختصاص دارد و در درس دهم و یازدهم در دو بخش استخراج اطلاعات با کلاس‌های اختیاری آموزش داده می‌شود.

شواهد مستقیم برای مشاهده کوارک وجود دارد؟

در ابتدا فیزیکدانان انتظار داشتند که با انرژی کافی، بتوانند کوارک‌ها را آزاد کرده و آن‌ها را مستقیماً مشاهده کنند. این امر هیچ گاه امکان پذیر نشد و هنوز هیچ مشاهده مستقیمی از بار کسری یا هر کوارک جدا شده وجود ندارد. هنگامی که انرژی‌های بزرگی در برخورد با یکدیگر قرار می‌گیرند، ذرات دیگری ایجاد می‌شوند اما تا کنون هیچ کوارکی به صورت مستقیم در این آزمایش‌ها به وجود نیامده است. با این حال تقریباً شواهد مستقیمی برای کوارک‌ها وجود دارد که بسیار قانع کننده است. تا سال 1967، آزمایشات آزمایشگاه «اسلک» (SLAC) روی پراکندگی الکترون‌هایی با انرژی 20 گیگا الکترون ولت از پروتون‌ها نتایجی را نشان داد که رادرفورد تقریباً 60 سال پیش برای هسته به دست آورده بود. آزمایشات پراکندگی اسلک بدون ابهام نشان داد که سه بار مشابه، که بدان معنی است که اندازه آن‌ها بطور قابل ملاحظه‌ای کوچکتر از طول موج کاوشگر است، در داخل پروتون وجود دارند که در تصویر (3) مشاهده می‌شود. این شواهد به شکاک‌ترین افراد بر این نظریه نشان داد که در نظریه زیر ساخت کوارک در هادرون‌ها اعتبار وجود دارد.

پراکندگی الکترون از پروتون
تصویر 3: پراکندگی الکترون‌های پرانرژی از پروتون‌ها در آزمایش اسلک شواهدی از سه بار نقطه‌ای مطابق با ویژگی‌های کوارک پیشنهادی را ایجاد کرد. این آزمایش مشابه کشف رادرفورد در مورد اندازه کوچک هسته با پراکندگی ذرات $$\alpha$$ است. در این آزمایش از الکترون‌های پرانرژی استفاده می‌شود به طوری که طول موج کاوشگر آن قدر کوچک است که می‌تواند جزئیات کوچکتری از پروتون را ببیند.

آزمایشات اخیر و انرژی بیشتر جت‌هایی از ذرات را در برخورد تولید کرده است که به شدت نشان دهنده سه کوارک در یک نوکلئون است. از آنجا که کوارک‌ها بسیار محکم به هم متصل هستند، انرژی وارد شده برای جداسازی آن‌ها قبل از اینکه تبدیل به ذرات دیگر شود، آن‌ها را بسیار دور می‌کند. انرژی بیشتر ذرات بیشتری تولید می‌کند اما باعث جداسازی کوارک‌ها نمی‌شود. حفظ تکانه مستلزم این است که ذرات در جت‌ها در سه مسیر که کوارک‌ها در آن کشیده شده‌اند، با جت خارج شوند. توجه داشته باشید که تنها سه جت وجود دارد و سایر خصوصیات ذرات با ساختار سه کوارکی مطابقت دارد.

کوارک‌ها نیز بالا و پایین زندگی خود را دارند!

مدل کوارک در واقع مقداری از محبوبیت اولیه خود را از دست داد زیرا مدل اصلی با سه کوارک باید اصلاح می‌شد. به نظر می‌رسد کوارک‌های بالا و پایین مواد عادی را در جدول (2) و (3) تشکیل می‌دهند، در حالی که کوارک شگفت استرنجنس را توضیح می دهد. اما چرا مدل سه تایی کوارک همتایی نداشت؟ چهارمین نوع یا طعم کوارک به نام افسون (c) به عنوان همتای کوارک شگفت برای متقارن شدن همه چیز پیشنهاد شد. بدین ترتیب مدل کوارک شامل دو کوارک معمولی (u و d) و دو کوارک شگفت انگیز (s و c) شد. علاوه بر این در آن زمان تنها چهار لپتون، دو عدد معمولی و دو عدد شگفت انگیز شناخته شده بودند. بدین ترتیب جذاب بود که چهار کوارک و چهار لپتون وجود داشته باشد.

آزمایش اطلس
تصویر 4: شبیه سازی برخورد پروتون و پروتون در انرژی مرکز جرم 14 تراالکترون ولت در آشکارساز آلیس در سرن. خطوط نشان دهنده مسیر ذرات هستند و نقاط فیروزه‌ای رسوبات انرژی را در عناصر آشکارساز حساس نشان می‌دهند.

با این حال مشکل این بود که هیچ ذره شناخته شده‌ای حاوی کوارک افسون نبود. در نوامبر 1974 ، دو گروه یکی تحت سرپرستی «تینگ» (C. C. Ting) در آزمایشگاه ملی بروخاون و دیگری توسط «بورتون ریشتر» (Burton Richter) در اسلک به طور مستقل و تقریباً همزمان یک مزون جدید با ویژگی‌هایی را پیدا کردند که مشخص می کرد زیر ساخت آن $$c\bar{c}$$ است. این مزون توسط یک گروه $$J$$ و گروه دیگر به نام  $$\psi$$ معرفی شدند و اکنون به مزون $$\frac{J}{\psi}$$ معروف است. از آن زمان ذرات بیشماری حاوی کوارک شگفت کشف شده است که از هر نظر با مدل کوارک سازگار است. کشف مزون $$\frac{J}{\psi}$$ چنان تأثیر تازه‌ای بر نظریه کوارک گذاشت که امروزه آن را انقلاب نوامبر نامیده‌اند. تینگ و ریشتر در سال 1976 به خاطر این کشف خود جایزه نوبل را دریافت کردند.

تاریخ به سرعت خود را تکرار کرد. در سال 1975 $$\tau$$ کشف شد و سومین خانواده لپتون‌ها مشاهده شد. در ادامه نظریه پردازان به سرعت دو نوع یا طعم کوارک دیگر به نام‌های سر (t) یا حقیقت و ته (b) یا زیبایی پیشنهاد کردند تا تعداد کوارک‌ها با تعداد لپتون‌ها یکسان بماند. در سال 1976 مزون $$\Upsilon$$ کشف شد و نشان داده شد که این مزون از یک کوارک ته و یک آنتی کوارک ته تشکیل شده و قابل مقایسه با مزون $$\frac{J}{\psi}$$ است. همانطور که در جدول (2) نشان داده شده است، این مزون‌ها به عنوان یک نوع واحد و با نام‌های خود ویژگی‌های کوارک خود را به وضوح نشان می‌دهند. مزون‌های دیگری که حاوی کوارک‌های ته هستند از آن زمان مشاهده شده‌اند.

در سال 1995 دو گروه در «فرمیلب» (Fermilab) وجود کوارک سر را تأیید کردند و تصویر شش کوارک فهرست شده در جدول (1) یعنی کوارک‌ها و آنتی کوارک‌ها در بالا را تکمیل کردند. هر کشف کوارک متوالی ابتدا c، سپس b و در نهایت t به انرژی بیشتری احتیاج دارد زیرا جرم هر یک بیشتر از دیگری است. جرم‌های بیان شده برای انواع مختلف کوارک در جدول (1) تقریبی است زیرا همان طور که گفته شد انواع مختلف کوارک مستقیماً مشاهده نمی‌شوند و جرم آن‌ها باید از توده ذراتی که ترکیب می‌شوند استنباط شوند.

کوارک زیبایی چیست؟

نام دیگر کوارک ته (b)، زیبایی است. همچنین نام دیگر کوارک سر (t) کوارک حقیقت است.

انواع مختلف کوارک را نام ببرید؟

کوارک‌ها شش نوع یا طعم دارند که از نظر ویژگی جرم و بار با یکدیگر تفاوت دارند. این شش طعم کوارک را می‌توان در سه جفت، گروه بندی کرد. بالا و پایین، شگفت و افسون و سر و ته. به نظر می‌رسد کوارک‌ها ذرات اولیه واقعی هستند. یعنی هیچ ساختار ظاهری ندارند و نمی‌توان آنها را به چیزی کوچک‌تر تبدیل کرد. علاوه بر این به نظر می‌رسد کوارک‌ها همیشه در ترکیب با کوارک‌های دیگر یا با آنتی کوارک‌ها یعنی ذرات ضد آن‌ها ظاهر می‌شوند و همه هادرون‌ها را تشکیل می‌دهند. به اصطلاح ذرات بسیار متقابل که هم باریون‌ها و هم مزون‌ها را در بر می‌گیرند.

رنگ چه ربطی به کوارک دارد؟

همانطور که گفته شد و در تصویر (1) نیز نشان داده شد، کوارک‌ها دارای عدد کوانتومی دیگری هستند که ما آن را رنگ می‌نامیم. البته واضح است که این رنگی نیست که ما در نور مرئی حس می‌کنیم اما خواص آن مشابه سه رنگ اصلی و سه رنگ ثانویه است. به طور خاص یک کوارک می‌تواند دارای یکی از سه مقدار رنگی باشد که ما آن را قرمز (R)، سبز (G) و آبی (B) در قیاس با رنگ‌های قابل مشاهده اصلی می‌نامیم. آنتی کوارک‌ها دارای سه مقدار هستند که ما آن‌ها را ضدقرمزی یا فیروزه‌ای ($$\bar{R}$$)، ضد سبز یا سرخابی ($$\bar{G}$$) و ضد آبی یا زرد ($$\bar{B}$$) می‌نامیم.

رنگ آنتی کوارک‌ها در مقایسه با رنگ‌های قابل مشاهده ثانویه تعریف می‌شوند. دلیل این نام‌ها این است که وقتی رنگ‌های بصری خاصی ترکیب می‌شوند چشم انسان رنگ سفید را می‌بیند. مقایسه ترکیب رنگ‌ها با سفید به این دلیل استفاده می‌شود تا توضیح دهد که چرا باریون‌ها از سه کوارک ساخته شده‌اند، چرا مزون‌ها یک کوارک و یک آنتی کوارک هستند و چرا ما نمی‌توانیم یک کوارک واحد را جدا کنیم.

نیروی بین کوارک‌ها به حدی است که رنگ‌های ترکیبی آن‌ها سفید تولید می‌کنند. این موضوع در شکل زیر نشان داده شده است. یک باریون باید دارای یکی از هر رنگ اصلی یا RGB باشد که رنگ سفید تولید می‌کنند. مزون باید دارای رنگ اولیه و ضد رنگ آن باشد تا همچنان رنگ سفید تولید شود.

رنگ در کوارک‌ها
تصویر 5: سه کوارک تشکیل دهنده باریون باید RGB باشد که رنگ سفید ایجاد کنند. کوارک و آنتی کوارک که مزون می‌سازند باید رنگ و ضد رنگ باشند که در اینجا $$R\bar{R}$$ رنگ سفید ایجاد می‌کنند. نیروی بین سیستم‌هایی که دارای رنگ هستند آنقدر زیاد است که نه می‌توان آن‌ها را از هم جدا کرد و نه به صورت رنگی وجود دارد.

اما سوال اصلی این است که چرا باید هادرون‌ها سفید باشند؟ طرح رنگی عمداً برای توضیح اینکه چرا باریون‌ها دارای سه کوارک و مزون‌ها دارای کوارک و آنتی کوارک هستند طراحی شده است. تصور می‌شود که رنگ کوارک شبیه به بار الکتریکی اما دارای مقادیر بیشتری است. یک یون در مقایسه، نیروهای بسیار قوی‌تری نسبت به یک مولکول خنثی اعمال می‌کند. وقتی رنگ ترکیبی از کوارک‌ها سفید باشد مانند یک اتم خنثی است. نیروهایی که یک ذره سفید اعمال می‌کنند مانند نیروهای قطبی شدن در مولکول‌ها هستند اما در هادرون‌ها این باقی مانده‌ها نیروی هسته‌ای قوی هستند.

هنگامی که ترکیبی از کوارک‌ها دارای رنگی غیر از سفید است، نیروهای بسیار بزرگی را اعمال می‌کند که حتی بزرگتر از نیروی قوی است و شاید نتواند پایدار باشد یا به طور دائم از هم جدا شوند. این بخشی از نظریه حبس کوارک است، که توضیح می‌دهد چگونه کوارک‌ها می‌توانند وجود داشته باشند و در عین حال هرگز منزوی یا مستقیم مشاهده نشوند.

در نهایت یک عدد کوانتومی اضافی با سه مقدار مانند مقادیری که به رنگ اختصاص می دهیم برای رعایت اصل طرد پائولی از کوارک ها ضروری است. ذراتی مانند $$\Omega ^{-}$$ که از سه کوارک شگفت، sss و $$\Delta ^{++}$$ که از سه کوارک بالا تشکیل شده است می‌توانند وجود داشته باشند زیرا کوارک‌ها رنگ‌های متفاوتی دارند و اعداد کوانتومی یکسانی ندارند. رنگ با همه مشاهدات سازگار است و در حال حاضر به طور گسترده پذیرفته شده است. نظریه کوارک شامل رنگ، کرومودینامیک کوانتومی (QCD) نامیده می‌شود که توسط گل مان نیز نامگذاری شده بود.

سه خانواده متفاوت ذرات بنیادی

تصور می‌شود که ذرات بنیادی یکی از سه نوع لپتون، کوارک یا ذرات حامل هستند و هر کدام از این سه نوع به سه خانواده مشابه همانطور که در تصویر (6) نشان داده شده است، تقسیم می‌شوند. در این مطلب کوارک‌ها را با جزئیات بررسی کردیم.

هر یک از این گروه‌های ذرات بنیادی دارای شش ذره و شش ضد ذره آن‌ها هستند که به سه خانواده مشابه تقسیم می‌شوند. خانواده اول یک ماده عادی است که بیشتر چیزها از آن تشکیل شده است. دومی خانواده عجیب است و سومی عجیب‌تر و سنگین‌تر از گروه دوم است. تنها ذرات پایداری در خانواده اول هستند که دارای اعضای ناپایدار نیز باشند.

فیزیکدانانی که همواره در جستجوی تقارن و شباهت بوده‌اند، ذرات حامل را نیز به سه خانواده تقسیم کرده و گراویتون را حذف کرده‌اند. جاذبه در بین چهار نیرو، خاص است زیرا بر فضا و زمانی که سایر نیروها در آن وجود دارند تأثیر می‌گذارد و قرار دادن آن در نظریه همه چیز یا TOE بسیار دشوار است. بنابراین گرانش اغلب از بقیه جدا می‌شود. چیزی که در تصویر (6) نمایش داده شده است ممکن است معنای درستی را منتقل نکند اما مقایسه‌ها در آن به طرز عجیبی وسوسه کننده است.

سه خانواده ذرات بنیادی
تصویر 6: سه نوع ذرات بنیادی شامل لپتون، کوارک و ذرات حامل هستند. هر یک از آن انواع به سه خانواده مشابه تقسیم می‌شوند که در اینجا گراویتون کنار گذاشته شده است.

در گذشته، دانشمندان می‌توانستند با جستجوی تفاوت‌ها و الگوها پیشرفت‌های چشمگیری در علم داشته باشند و تصویر (6) یکی از موارد تحت بررسی کنونی است. ارتباطاتی بین خانواده لپتون‌ها وجود دارد به این معنی که $$\tau$$ به $$\mu$$ و $$\mu$$ به e تبدیل می‌شود. به طور مشابه برای کوارک‌ها خانواده‌های بالاتر سرانجام به پایین‌ترین حالت تبدیل می‌شوند و فقط کوارک‌های u و d باقی می‌مانند. دانشمندان مدت‌ها است به دنبال ارتباط بین نیروهای موجود در طبیعت هستند. از آنجا که این‌ها توسط ذرات حمل می‌شوند اتصالات بین گلئون‌ها، $$W^{\pm}$$، $$Z^0$$ و فوتون‌ها را به عنوان بخشی از جستجوی وحدت نیروهایی که در GUTs مورد بحث قرار گرفته‌اند، مورد بررسی قرار می‌دهند.

لبنیات و ماست کوارک چه هستند؟

ماست کوارک

کوارکی که در لبنیات و مواد غذایی از آن یاد می‌شود هیچ ارتباطی با ذرات کوارک ندارد. شاید تنها ارتباط آن می‌تواند این باشد که از الکترون‌ها و پروتون‌هایی تشکیل شده که ذرات تشکیل دهنده آن‌ها کوارک هستند. از نظر غذایی و فنی کوارک یک پنیر نرم و قابل پخش کردن است. با این حال به دلیل بافت خامه‌ای آن بیشتر با یک ماست غلیظ شبیه ماست یونانی یا اسکایر مقایسه می‌شود.

آموزش فیزیک هسته ای پیشرفته – بخش اول

آموزش فیزیک هسته ای پیشرفته - بخش اول

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک هسته ای پیشرفته – بخش اول کرده است. این مجموعه آموزشی از دو درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک، فیزیک مهندسی، فیزیک ذرات بنیادی، مهندسی هسته‌ای و مهندسی راکتور مفید است. پیش‌نیاز این درس آشنایی با فیزیک هسته‌ای 1، آموزش فیزیک هسته‌ای ۲، آموزش مکانیک کوانتومی ۱، آموزش مروری مکانیک کوانتومی ۲ و آموزش مکانیک کوانتومی پیشرفته ۲ است.

درس اول این مجموعه مروری بر خواص عمومی هسته‌ها است که شامل مباحث هسته‌ها و حالت‌های هسته‌ای، اندازه هسته، شکل هسته، انرژی پیوندی هسته، حالات ایزوبار (Isobar) و آثار کولنی، اسلوب‌های واپاشی هسته، ساختار نوکلئون‌ها (Nucleon)، گشتاور مغناطیسی نوکلئون‌ها و کوارک‌ها (Quark) و لپتون‌ها (Lepton) است.

درس دوم این مجموعه آموزشی مفهوم حرکت مستقل ذرات را بررسی می‌کند و مباحث گاز فرمی بدون اندرکنش، چاه‌های پتانسیل با تقارن کروی، چاه‌های پتانسیل برای ذرات با اسپین ۱/۲ (Spin)، ایزو‌اسپین (Isospin)، شواهدی برای ساختار لایه‌ای هسته، جفت‌شدگی jj، پتانسیل اپتیکی و مدل نیلسون (چاه پتانسیل اصلاح‌شده) پوشش داده می‌شود.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد کوارک و انواع مختلف آن صحبت کردیم. در ابتدا انواع مختلف کوارک بر اساس ترتیب کشف آن‌ها معرفی شدند و ویژگی‌های مختلف کوارک مانند رنگ و عدد کوانتومی را توضیح دادیم. این مطلب برای علاقه مندان به مباحث ذرات اولیه و ذرات بنیادی مفید است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای 10 نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *