ذرات بنیادی — به زبان ساده

ذرات بنیادی ممکن است در ابتدا کلمه‌ای سخت و پیچیده به نظر برسد، اما اگر بدانید که تمام مواد اطراف ما از ذرات بنیادی تشکیل شده‌اند و بلوک‌های اصلی ساختار مواد، ذرات بنیادی هستند، شاید موضوع برایتان کمی ملموس‌تر شود. ذرات بنیادی شامل دو گروه اصلی «کوارک» (Quarks) و «لپتون» (Leptons) هستند که هر یک به صورت شش ذره جفت تقسیم می‌شوند. سبکترین و پایدارترین حالت این ذرات را به عنوان نسل اول و حالت‌های سنگین‌تر و ناپایدار را به عنوان نسل دوم و سوم معرفی می‌کنیم. در شکل (۱) می‌توانید نسل‌های مختلف ذرات بنیادی را مشاهده کنید.

همچنین دسته دیگری از ذرات به نام «بوزون‌ها» (Bosons) و به عنوان حامل انرژی معرفی می‌شوند. در ادامه قصد داریم در مورد ذرات بنیادی و ویژگی آن‌ها صحبت کنیم.

ذرات بنیادی به چه معنا است؟

مدت زیادی دانشمندان تمایل داشتند تا اصلی‌ترین واحد تشکیل دهنده یک جسم را مشخص کنند. از نظر آن‌ها اصلی‌ترین واحد تشکیل دهنده یک جسم قسمتی است که به ذرات یا بخش‌های کوچکتر قابل تبدیل نباشد. این تعریف به عنوان توضیح اصلی ذرات بنیادی بیان می‌شود. سوال بعدی دانشمندان این بود که اگر ذرات بنیادی یا واحدهای اصلی یک ماده وجود داشته باشند، چه نیرویی آن‌ها را کنار هم قرار داده است. بدین ترتیب تلاش برای شناخت ذرات بنیادی از هزاران سال قبل آغاز شد. سرانجام زمانی که «جان دالتون» (John Dalton) در سال ۱۸۰۳ اتم را کشف کرد، بر این باور بود که به نهایت ذرات بنیادی پی برده است و اتم قابل تفکیک شدن به ذرات کوچکتر نیست (اتم به معنای غیرقابل جدا شدن است). اما گذر زمان نشان داد که دالتون در ابتدای این مسیر گام برداشته است. در جدول (۱)، تاریخچه کشف ذرات بنیادی بیان شده است.

جدول ۱: تاریخچه کشف ذرات بنیادی

از سال ۱۹۶۴ ذرات بنیادی بسیاری توسط محققین مشاهده شده‌اند. همان‌طور که از جدول (۱) نیز مشخص است، از زمان کشف اتم تا حدود صد سال، تصور بر این بود که اتم ذره بنیادی ماده است که به اجزای کوچکتری تبدیل نمی‌شود. ولی کشف الکترون‌ها نشان داد که اتم از اجزای دیگری تشکیل شده که کوچکتر و ساده‌تر از اتم هستند.

فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی Particle Physics در فرادرس

کلیک کنید

لپتون، کوارک و بوزون

تاکنون مشخص شده است که الکترون یک ذره بنیادی است که نمی‌تواند به ذرات کوچکتر تبدیل شود. ذراتی مانند الکترون در گروه لپتون‌ها قرار می‌گیرند. از طرف دیگر، نوترون‌ها و پروتون‌ها ذرات بنیادی نیستند، زیرا از ذرات کوچکتر و ساده‌تری تشکیل شده‌اند که به آن‌ها کوارک می‌گوییم. نظریه دیگری وجود دارد که بیان می‌کند ذرات لپتون و کوارک، توسط ذرات دیگری به نام بوزون به یکدیگر متصل می‌شوند. هر سه دسته لپتون، کوارک و بوزون در شکل (۲) نمایش داده شده‌اند.

در ذرات بنیادی به دو دسته لپتون و کوارک، «فرمیون» (Fermions) نیز می‌گویند. به صورت کلی فرمیون‌ها دارای اسپین نیمه‌صحیح ($$\frac{1}{2}\hbar , \frac{3}{2}\hbar, \cdots$$) هستند و بوزون‌ها اسپین صحیح ($$0\hbar , 1\hbar, 2\hbar \cdots$$) دارند.

کوارک‌ها

در مدل استاندارد ذرات بنیادی، برای کوارک‌ها شش گونه وجود دارد که به صورت دوتایی تقسیم‌بندی می شوند: بالا (Up) و پایین (Down)، افسون (Charm) و شگفت (Strange)، سر (Top) و ته (Bottom). در مواد معمولی که از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده‌اند، کوارک‌های دسته «بالا» و «پایین» قرار دارند.

مشاهدات نشان می‌دهند چهار گونه دیگر کوارک در ابتدای عالم وجود داشته‌اند و در زندگی روزمره در مواد موجود نیستند. تمام کوارک‌ها جرم و بار الکتریکی برابر با $$+\frac{2}{3}$$ یا $$-\frac{1}{3}$$ دارند. برای مثال، بار الکتریکی کوارک‌های بالا برابر با $$+\frac{2}{3}$$ است و کوارک‌های پایین بار الکتریکی $$-\frac{1}{3}$$ دارند. کوارک‌ها هیچ وقت به تنهایی یافت نمی‌شوند و معمولاً در گروه‌های دوتایی و سه‌تایی هستند.

لپتون‌ها

مانند کوارک‌ها، شش گونه لپتون نیز وجود دارد که به سه جفت تقسیم‌بندی می‌شوند. هر جفت شامل یک ذره باردار و یک ذره بدون بار است. نسل اول لپتون‌ها، شامل الکترون و الکترون-نوترینو است. بار الکترون یک ویژگی است که باعث جریان الکتریکی می‌شود. جفت الکترون یعنی الکترون-نوترینو در خورشید بسیار زیاد تولید می‌شود و واکنش آن با محیط اطراف آنقدر ضعیف است که به راحتی از جو خارج می‌شود. الکترون-نوترینوها هنگام انفجار ابرنواخترها به تعداد زیادی تولید می‌شوند و کربن حاصل از سوخت هسته‌ای که عنصر تشکیل‌دهنده ما، اکسیژن مورد نیاز ما و تقریبا هر چیز دیگری روی زمین است را در جهان پراکنده می‌کنند.

بنابراین، علیرغم عدم تمایل الکترون-نوترینوها به تعامل با سایر ذرات بنیادی، وجود آن‌ها برای ما بسیار مهم است. دو جفت دیگر لپتون‌ها به نام‌های «میون» (Muon) و «میون-نوترینو» (Muon-neutrino)، «تاو» (Tau) و «تاو-نوترینو» (Tau-neutrino) نسخه‌های سنگین‌تر و ناپایدارتری از الکترون هستند. لپتون‌ها دارای بار الکتریکی $$1$$ یا $$0$$ هستند. همچنین لپتون‌ها جرم دارند، اگرچه جرم الکترون‌ها بسیار کوچک است.

مثال ۱: پروتون از سه کوارک تشکیل شده است: دو کوارک بالا و یک کوارک پایین. نوترون نیز از سه کوارک تشکیل شده: دو کوارک پایین و یک کوارک بالا. براساس این اطلاعات، بار الکتریکی کل یک پروتون و یک نوترون چقدر است؟

حل: این ترکیب از کوارک‌ها به پروتون‌ها بار الکتریکی ۱+ ($$\frac{2}{3}+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=1$$) و به نوترون‌ها بار الکتریکی کل 0 ($$\frac{2}{3}-\frac{1}{3}-\frac{1}{3}=0$$) می‌دهد.

بوزون‌‌ها

شش نوع ذره مربوط به حامل نیرو در مدل استاندارد وجود دارند که به چهار نیروی بنیادی تقسیم‌بندی شده‌اند. چهار نیروی بنیادی عالم شامل: گرانش، الکترومغناطیس، هسته‌ای ضعیف و هسته‌ای قوی است. فوتون‌ها ذرات تشکیل دهنده پرتو نور و حامل نیروی الکتریکی و مغناطیسی هستند. در حقیقت فوتون‌ها حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند. «گلئون‌ها» (Gluon) نیروی لازم برای کنار یکدیگر نگه داشتن کوارک‌ها به منظور تولید پروتون، نوترون و عناصر سنگین‌تر را ایجاد می‌کنند و حامل نیروی هسته‌ای قوی هستند.

سه بوزون $$Z$$ و $$\pm W$$ مسئول دو فرآیند مهم واپاشی پرتوزا و فعل و انفعالات در خورشید هستند که موجب درخشش آن می‌شود. در حقیقت، این سه بوزون حامل نیروی هسته‌ای ضعیف هستند. دانشمندان بر این باورند که ذره‌ «گراویتون» (Gravitons) نیز حامل نیروی گرانشی است، ولی تاکنون شواهدی برای وجود این ذره به دست نیامده است.

ذره معروف هیگز بوزون

برای تکمیل فیزیک ذرات در مدل استاندارد ذره‌ای نهایی وجود دارد که آن را هیگز می‌نامند. ذره هیگز پیش از 50 سال پیش توسط «پیتر هیگز» (Peter Higgs) پیش‌بینی شده بود و کشف آن در «سرن» (CERN) در سال 2012 منجر به دریافت جایزه نوبل برای هیگز و «فرانسوا انگلرت» (Francois Englert) شد. هیگز بوزون ذره‌ای عجیب است که از لحاظ جرم دومین ذره سنگین در میان ذرات بنیادی در مدل استاندارد بوده و غالباً گفته می‌شود که منشاء جرم است. این بیان از هیگز بوزون درست ولی گمراه‌کننده است. ذره هیگز موجب می‌شود کوارک‌ها جرم داشته باشند و همچنین کوارک‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌‌ها را به وجود می‌آورند. اما تنها 2٪ از جرم پروتون‌ها و نوترون‌ها توسط کوارک‌ها تأمین می‌شود و مابقی از انرژی موجود در گلئون‌ها است.

تمام ذرات در مدل استاندارد شامل ۶ ذره برای حمل نیرو، ۲۴ ذره برای مواد و عناصر و یک ذره هیگز است که مجموعاً شامل ۳۱ ذره می‌شود. علیرغم آنچه در مورد این ذرات می‌دانیم، خواص آن‌ها به اندازه کافی دقیق اندازه‌گیری نشده است تا برای ما این امکان را فراهم آورد که به طور قطع بیان کنیم که «این ذرات تمام چیزی است که ما برای توضیح و ساخت جهان اطراف خود نیاز داریم». در بخش بعد مدل استاندارد و سوالات پیش‌روی مدل استاندارد را که این مدل قادر به توضیح آن نیست بیان می‌کنیم.

مدل استاندارد و جواب‌های بی سوال در این مدل

مدل استاندارد مجموعه‌ای از روابط و اندازه‌گیری‌ها به زبان ریاضی است که مانند جدول تناوبی برای عناصر، ذرات بنیادی و برهمکنش آن‌ها را توصیف می‌کند. این مدل و تحقیقات مربوط به آن که از اوایل دهه 1970 شروع شد، از مدل‌های مربوط به نیرو و ذرات در زمان خود استفاده کرد تا نظریه کوانتومی کاملاً سازگاری در مورد ماده ارائه دهد. در نتیجه، این مدل نه تنها توانست مشاهدات عالم تا آن زمان را به خوبی توضیح دهد، بلکه با ارائه تناقض‌هایی وجود ذرات هنوز کشف نشده مانند هیگز‌ بوزون را پیش‌بینی کرد.

فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی Particle Physics در فرادرس

کلیک کنید

مدل استاندارد در حال حاضر دقیق‌ترین تئوری است که پایه‌های فیزیک ذرات را پوشش می‌دهد، اما پنج سوال بی‌جواب در این مدل وجود دارد که وجود مدل‌های دیگری از عالم را پیشنهاد می‌دهند. با اشاره به این سوالات این مطلب را به پایان می‌رسانیم:

• چرا نوترینوها جرم دارند؟
• ماده تاریک چیست؟
• چرا میزان ماده با توجه به تعریف ماده و پاد-ماده در مدل استاندارد زیاد است؟
• چرا انبساط عالم شتابدار است؟
• آیا ذره‌ای که حامل انرژی گرانشی باشد، وجود دارد؟