مقدمه ای بر ذرات بنیادی

فیزیک ذرات بنیادی چیست ؟

 

همانطور که از نام این علم مشخص است شاخه ای از علم بزرگ فیزیک است . این علم به بررسی ذرات ساختاری جهان می پردازد و به ما می گوید که این ذرات چگونه با هم در کنش و واکنش هستند . این علم تحقیق هایی بر روی ذرات زیر اتمی و ساختار آنها نیز دارد . این تحقیقات توسط شتاب دهنده های بزرگ صورت می گیرد .

 

قبل از بحث در مورد تقسیم بندی ذرات بنیادی باید چند نکته ی خاص در مورد این ذرات توجه کنیم ؛ به نکات زیر توجه کنید :

 

اسپین

 

اسپین می تواند به این صورت شرح داده شود که « اسپین میزان حرکت زاویه ای یک ذره است » . حرکت زاویه ای یکی از واقعیت هایی است که در دل ذره جای دارد و یکی از خواص آن به شمار می آید ، مانند : جرم یک ذره . اسپین اندازه ی حرکت در تمام مراحل درحرکت و انرژی ثابت به نظر می رسد .

میزان اسپین می تواند به صورتهای زیر باشد :

۱- اگر اسپین یک ذره صفر باشد ذره قادر است در یک حالت بماند : spin = 0

۲- اگر اسپین ذره  یک دوم باشد ذره می تواند در دو حالت بماند : spin = 1/2

۳- اگر اسپین ذره یک باشد آنگاه ذره می تواند در سه حالت بماند : spin = 1

۴ – اگر اسپین ذره دو باشد آنگاه ذره قادر است در سه حالت بماند : spin = 2

برای مثال فرمیون ها ( دسته ای از ذره ها هستند که در بخشهای بعدی در مود آنها به بحث خواهیم پرداخت ) دارای اسپین یک دوم هستند  spin = 1/2

رنگ

 

خاصیت دیگری که از ذرات بنیادی به نمایش در می یاید ویژگی است که به رنگ معروف است . این خاصیت در کوارکها تعریف می شود ( در قسمت های بعدی در مورد کوارک ها بحث می کنیم ) از این جهت کوارک ها را به سبز و قرمز و آبی دسته بندی می کنند . ممکن است در ذهن شما این موضوع تداعی شود که واقعا” این موضوع در مورد کوارک ها صدق می کند ، اما این تفکری نا آگاهانه است ، این تقسیم بندی از لحاظ بار آنها است . می دانیم که هر ذره ی آزاد در طبیعت رنگ سفید دارد ، هرچند که کوارک ها به طور آزاد یافت نمی شوند .

 

پاد ماده و ذرات مجازی  

 

هر ذره دارای ذره ای مشابه خود ولی با  بار مخالف خود است که ضد ذره یا پاد ذره نام می گیرد . برای مثال بار الکترون منفی است ولی ذره ای همانند الکترون وجود دارد که پوزیترون نامیده می شود و بار آن بر خلاف الکترون است یعنی مثبت است . پاد ماده یک اصطلاح است و هر دو این ذرات ماده هستند . حال ممکن است که بگوئیم  در این صورت پروتونی داریم در بخش تقسیم بندی ذرات متوجه پاسخ  این سؤال خواهید شد .

براساس اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتوم خلاء هیچ گاه به طور مطلق خالی نیست بلکه در آن ذرات و پاد ذراتی وجود دارد که مجازی هستند و قابل رؤیت نیستند پس این فضا به طور % ۱۰۰ خالی نیست .

 

تقسیم بندی ذرات بنیادی

 

حال که مقدمه ای از بعضی خواص ذرات را دریافتیم می توانیم آنها را تقسیم بندی کنیم . ذرات به طور کلی به دو دسته فرمیون ها Fermions   یا 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 Fermions have spin 1/2

 

حال به شرح کوارک ها که خود دسته ای از فرمیون ها هستند می پردازیم . کوارک ها خود به ۶ دسته تقسیم می شوند که عبارتند از :

۱- کوارک up یا بالا : این کوارک جرمی معادل GeV/c²  ۰۰۴/۰  دارد و بار الکتریکی آن دو سوم است . charge = 2/3

۲- کوارک down  یا پائین : این کوارک جرمی معادل  GeV/c² ۰/۰۸  دارد و بار آن منفی یک سوم است . charge = -1/3

۳- کوارک  charm یا افسون : این کوارک جرمی معادل ۱/۵ GeV/c²   است و باری در حدود دو سوم دارد . charge = 2/3

۴- کوارک strange  یا عجیب : این کوارک جرمی برابر با ۰/۱۵ GeV/c²  دارد و بار آن منفی یک سوم است . charge = -1/3

۵- کوارک top  یا سر : این کوارک جرمی معادل ۱۷۶ GeV/c²  دارد و بارش برابر دو سوم است . charge = 2/3

۶- کوارک bottom  یا زیر : این کوارک جرمی برابر با ۴/۷ GeV/c²  دارد و بار الکتریکی آن برابر منفی یک سوم است . charge = -1/3

این اطلاعات در جدول زیر قابل مشاهده است .

نام کوارک	اسپین	جرم GeV/c²	بار الکتریکی
Up  یا بالا	۱/۲	۰/۰۰۴	۲/۳
Down  یا پائین	۱/۲	۰/۰۸	-۱/۳
Charm  یا افسون	۱/۲	۱/۵	۲/۳
Strange  یا عجیب	۱/۲	۰/۱۵	-۱/۳
Top  یا سر	۱/۲	۱۷۶	۲/۳
Bottom  یا زیر	۱/۲	۴/۷	-۱/۳

 

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 .

۲/۳ – ۱/۳ – ۱/۳ = ۰

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 :

۱- 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 .

۲- 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 .

۳- 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 ۱/۵ 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

 

حال به بازگو کردن دسته ی دیگر فرمیون ها یعنی لپتون ها می پردازیم . لپتون ها درست همانند کوارک ها  به ۶ دسته تقسیم می شوند . به تقسیم بندی زیر توجه کنید .

۱- نوترینو الکترون  :  این ذره ی جرمی معادل   GeV/c²  ۰/۰۰۰۰۰۰۰۰۷ > دارد و بار آن صفر است . charge = 0

۲- الکترون : این ذره جرمی برابر با ۰/۰۰۰۵۱ GeV/c²  و بار آن منفی یک است . charge = -1

۳- نوترینو موئون : این ذره جرمی معادل < 0/0003 GeV/c²  دارد و بارش برار صفر است . charge = 0

۴- موئون : این ذره جرمی معادل ۰/۱۰۶ GeV/c²    دارد و بار آن منفی یک است . charge = -1

۵- نوترینو تاو : این ذره جرمی معادل < 0/03 GeV/c²  دارد و بارش الکتریکی آن صفر می باشد . charge = 0

۶- تاو : این ذره جرمی در حدود ۱/۷۷۷۱ GeV/c²   دارد و بارش منفی یک است . charge = -1

این اطلاعات را در جدول زیر می توانید مشاهده کنید .

نام لپتون	اسپین	جرم GeV/c²	بار الکتریکی
نوترینو الکترون	۱/۲	۰/۰۰۰۰۰۰۰۰۷ >	۰
الکترون	۱/۲	۰/۰۰۰۵۱	-۱
نوترینو موئون	۱/۲	< 0/0003	۰
موئون	۱/۲	۰/۱۰۶	-۱
نوترینو تاو	۱/۲	< 0/03	۰
تاو	۱/۲	۱/۷۷۷۱	-۱

 

حال که طبقه بندی فرمیون ها را دریافتیم می توان اتم را با ساختار فرمیونی توصیف کرد ، در هسته ی اتم نوکلئون ها وجود دارند که خود از کوارک ها ساخته شده اند . الکترون ها که نوعی لپتون هستند در گرداگرد اتم در اوربیتال ها در چرخش هستند پس واحد های مولکولی که اتم ها هستند از فرمیون ها تشکیل شده اند .

با این وجود می توان تقسیم بندی دیگری نیز انجام داد که به این صورت است . هر ذره ی سبک از الکترون موزون نامیده می شود و موزون ها خود سه دسته اند که عبارت است از :

۱- مو موزون

۲- پی موزون

۳- کا موزون

اگر ذرات تشکیلی از پروتون سنگین تر باشند در این صورت یک هیپرون داریم که هیپرون ها خود به دسته های زیر تقسیم بندی می شوند .

۱- هیپرون لاندا

۲- هیپرون کسی

۳- هیپرون سیگما

۴- هیپرون امگا

 

در بخش لپتون ها از واژه ای به نام نوترینو استفاده کردیم ، خوب است که بدانیم نوترینو ذره ای بنیادی است که با سرعت نور حرکت می کند گفته می شود که این ذره دارای جرم سکون نیست ، ولی به نظر می آید که جرمی در حدود ۱۴ تا ۱۶ الکترون ولت داشته باشد . اگر این جرم تصدیق شود در رأی ما درباره ی هستی تغییر داده شود . این ذره از واپاشی بتای هسته های اتمی به همراه یک زوج الکترونی و پوزیترونی آزاد می شود .

 

قبل از اینکه در زمینه بوزون ها به بحث بپردازیم لازم است که مطالبی در مورد چهار نیروی بنیادی بدانیم ، پس به مطالب زیر توجه کنید .

 

۱- نیرو ی گرانش : این نیرو در میان چهار نیروی دیگر که شرح خواهیم داد ضعیف به نظر می رسد ، همانطور که می دانیم میدان گرانش در تمام اجسام جرم دار مشاهده می شود . براساس یافته های نیوتن نیروی گرانش بین دو جسم برابر با حاصل ضرب جرم آنها بر مجذور فاصله ی آنها است .  این میدان در نجوم کاربرد دارد زیرا این نیرو در فاصله های زیاد کارگر است . برای مشخص کردن ضعیفی آن می توان از دو ذره استفاده کرد اگر نیرو گرانش بین آنها را محاسبه کنیم و با مقدار به دست آمده ی نیرو الکترومغناطیسی در رابطه کولن مقایسه کنیم در می یابیم که این نیرو حدود ده به توان چهل بار از نیرو ی الکترومغناطیسی کوچکتر است . از روی این ناچیزی بعضی از دانشمندان آن را در نظر نمی گیرند .

۲- نیروی الکترو مغناطیسی : وقتی قصد بحث از این نیرو را داریم باید در مورد بارها سخن گوئیم . برای مثال نیروی جاذبه بین دو بار ناهمنام و … این ذره توسط ذراتی که عضو بوزون ها هستند در ادامه مقاله آنها را شرح خواهیم داد حمل می شوند و بر آنها ذرات نیرو اعمال می کنند . این نیرو نسبت به گرانش قوی تر است.

۳- نیروی پر قدرت کوارک : در ابتدا از رنگ کوارک ها سخن به میان آمد این نیرو به نیروی رنگ نیز معروف است . این نیرو کوارک ها  در پروتون ها و نوترون ها و پروتون ها را در هسته  در کنار هم قرار می دهد .

۴- نیروی ضعیف : این نیرو در فاصله های بسیار کم کارگر است . این نیرو در ذره هایی مشاهده می شود که نه حالت دوم و نه حالت سوم بر آنها اثر می کند  . این نیرو کوارکها و لپتون های سنگین به کوارک ها و لپتون های سبکتر وا می پاشاند .

 

حالا که مقدمه از نیرو های بنیادی به دست آوردم قادریم دسته ی دیگر از ذرات را که بوزون نام دارند  و نیرو را حمل می کنند  شرح دهیم ، در واقع شرح بالا به درک بهتر این مطلب کمک خواهد کرد .

بوزون ها خود بر هفت دسته اند که عبارتند از :

۱- گراویتون : گفته می شود که این ذره نیروی گرانش را حمل می کند هرچند که تاکنون مشاهده نشده است . این ذره اسپینی برابر با ۲ دارد و جرمش صفر است همچنین بار آن نیز صفر است .

۲- فوتون : این ذرات نیروی الکترومغناطیسی را حمل می کنند و در واقع در میان بارها به پرواز درآمده و موجب ایجاد این نیرو در میان آنها می شود این نیرو جرم صفر را دارا است بار آن نیز صفر است ، همچنین اسپینی معادل یک دارند . گفتنی است که این ذرات مشاهده شده اند

۳- ذرات  W+ and W-که عامل واپاشی لپتون ها وکوارک های سنگین هستند هر کدام شامل یک ذره باردار و خنثای z می باشند حمل کننده ی نیروی ضعیف می باشند . گفتنی است که ذرات  W+ and W- به ترتیب از چپ به راست دارای جرم های GeV/c² ۸۰ وGeV/c² -۸۰ هستند . همچنین ذره ی z دارای جرم ۹۱GeV/c² است . بار ذرات w  به همان ترتیب بالا برابر ۱ و ۱- است و بار z نیز ۰ است . اسپین همه ی اینها یک است . این ذرات مشاهده شده اند .

۴- گلوئون : گفته می شود که این ذره حمل کننده ی نیروی رنگ است . البته این ذره به طور مستقیم مشاهده نشده است بلکه به طور غیرمستقیم رؤیت شده است . این ذره اسپینی برابر یک دارد و جرم و بارش صفر هستند .

ذره ی دیگری به نام هگز نیز وجود دارد که هنوز مشاهده نشده است . گفته می شود که اسپین آن صفر است و و بارش نیز صفر است . همچنین جرمی معادل > 78 GeV/c² دارد گفته می شود این ذره در کنش ها میدانی ایجاد می شود که توسط هگز حمل می شود . هگز یکی از سه حرف اصلی نظریه ی CPH است که H آخر همان واژه ی Higgs است .

این اطلاعات در جدول زیر قابل مشاهده است .

نام بوزون	اسپین	جرم GeV/c²	بار الکتریکی
گراویتون	۲	۰	۰
فوتون	۱	۰	۰
W+	۱	۸۰	۱
W-	۱	-۸۰	-۱
Z	۱	۹۱	۰
گلوئون	۱	۰	۰
هگز	۰	۷۸	۰

 

این خلاصه ای از تقسیم بندی ذرات بنیادی در علم فیزیک بنیادی بود .