ذرات بنیادی

از دیرباز می دانیم که ماده از مولکول و مولکولها از اتم ها تشکیل شده اند اتم ها از هسته و الکترون ها و هسته از پروتون ها ونوترون ها تشکیل شده اند.
با پیشرفت های جدید در عرصه علم خصوصا کوانتوم و تکنولوژی ساخت شتابددهنده های عظیم تر بینش ما به طور کلی در مورد ساختار ماده تغییر کرده است.
اکنون ثابت شده است که دیگر پروتون ها و نوترون ها ذرات تجزیه ناپذیر نیستند و خود از کوارک ها تشکیل شده اند اما ذرات بنیادی دیگرکدام ها هستند ؟؟؟ چند نوع کوارک داریم؟ انتقال نیرو توسط کدام ذرات صورت می گیرد.
برای پاسخ گویی به این سوالات در ادامه با ذرات بنیادی دیگری آشنا می شویم که بر طبق مدل استاندارد ارائه شده است. مدل استاندارد که هر سه نیروی الکترو مغناطیس و نیوری قوی و ضعیف را در بر می گیرد و چون طیف وسیعی از نتایج آزمایشات تجربی را توصیف می کند گاهی از آن به عنوان تئوری همه چیز یاد می شود. 

در مواجه با ذرات بنیادی با مفاهیمی مثل لپتون هادرون  باریون فرمیون بوزون کوارک ها و... می شویم که باعث سردرگمی ما می شود در این مقاله سعی بر اینست که به زبان ساده به معرفی ذرات بنیادی بپردازیم.  
ساختاراتم

اتم در زبان یونانی به معنای تجزیه نپذیر است یونانیان باستان اعتقاد داشتند که شکل اتممی توان ماده را تجزیه و بازهم تجزیه کرد تا به جزئی رسید که قابل تجزیه نباشد که آن را اتم می نامیدند
در سال 1897 تامسون به نام "پدر الکترون" شهرت یافت. او که بر روی پرتوی کاتدی مطالعه می‌کرد،
 با مشاهده انحراف این اشعه در میدانهای مغناطیسی و الکتریکی معتقد شد که این اشعه، جریانی از ذرات باردار الکتریکی منفی هستند تامسون می گوید.
"اتم ، یک گویچه‌ای است به قطر 8-10 سانتیمتر که به طور همگون دارای بار مثبت بوده و در درون آن الکترونهای منفی شناورند که ابعاد آنها حدود 13-10 سانتیمتر می‌باشد." او مدل کیک کشمشی را برای  اتم ارائه داد.
 برای درک اندازه الکترون به بیان یک مثال می پردازیم فرض کنید اتم به اندازه یک میدان فوتبال بزرگ شده باشد دراین صورت هست آن به اندازه یک توپ پینگ پونگ خواهد بود ولی هنوز الکترون دیده نمی شود و به اندازه یک کک است که بالا و پایین می پرد.



در سال 1919 رادر فورد پروتون با بار مثبت و جرمی 1837 برابر الکترون  را کشف کرد و مدل اتمی دیگری  را ارائه داد که بر مبنای آن بیشتر جرم اتم درهسته آن متمرکز شده و الکترون ها در مدارهایی به دور آن می گردند.بر اساس قوانین پایستگی و به علت آنکه پروتون سبک ترین باریون است پایدار است اما براساس نظریه وحدت بزرگ این ذره عمر ۱.۶‎×۱۰۳۰ سال داشته و بعد از این مدت به پوزیترون و پیون صفر تبدیل می‌شود

جیمز چاودیک در سال ۱۹۳۲ نوترون را، که رادرفورد در سال ۱۹۲۰  وجود آن را پیش‌بینی کرده بود، کشف کرد.پروتون‌ها ذراتی مثبت هستندو به شدت همدیگر را دفع می‌کنند علت اینکه پروتون‌ها همدیگر را دفع نمی‌کنند نوترن‌ها هستند. نوترون ذره‌ای ناپایدار است و عمر متوسط آن ۹۱۸ ثانیه است که به پروتون، الکترون و نوترینو واپاشیده می‌شود.
 
 بر اساس مدل استاندارد (ذرات بنیادی) ماده از ۶۲ ذره تشکيل شده که اين ذرات در سه دسته قرار می‌گيرند:

 

لپتون
کوارک ها
ذرات واسطه یا بوزون های شاخص


لپتون ها و کوارک های مدل استاندار بر طبق جدول زیر از 12 ذره با اسپین1/2 - تشکیل شده است که این دسته از ذرات با اسپین نیمه صحیح فرمیون نامیده می شوند.(فرمیون ها برای جلوگیری از سردگمی خواننده  و پراکنده گویی در ادامه معرفی خواهند شد.)
  بار الکتریکی نسل اول نسل دوم نسل سوم
کوارک ها +23 بالا u افسون c نوک
t
13 پایین d بیگانه s ته
b
لپتون ها −1 الکترون e میون μ تائو
τ
0 الکترون نوترینو νe میون نوترینو νμ تائو نوترینو
ντ






لپتون

لپتون از واژه یونانی لپتوس به معنای ریز، کوچک ، نازک آمده است همانطور که پیش تر اشاره شد.لپتون ها از دسته ذرات بنیادی با اسپین1/2 - هستند که می توانند بر نیرو های الکترو مغناطیسی گرانشی و نیروی ضعیف اثر کنندو برخلاف کوارک ها نیروی قوی رو آنها اثر نمی کند. طبق جول بالا 6 نوع لپتون داریم که از سه نسل هستند.

نسل اول:لپتونهای الکترونیک که شامل الکترون و الکترون نوترینو است.

نوترینو

نوترینو ذره بنیادی خنثایی است که در ضمن واپاشی هسته‌های اتمی همراه با الکترون یا پوزیترون گسیل می‌شود. همانند نوترون ، نوترینو نیز بار الکتریکی ندارد. نوترینو با الکترونها عملا اندرکنش نمی‌کند و باعث یونش قابل توجه محیط نمی‌شود. نوترینو ذره بنیادی ناپایدار و سبکی می‌باشد که جرمش در حدود \frac{1}{200}
نوترینو در سال 1930 توسط ولفگانگ پائولی فیزکدان اتریشی برای توجیه قانون بقای جرم در واکنش های هسته ای پیشگویی شد و سه سال بعد توسط فرمی کشف و نوترینو نامگذاری شد.نوترینو مانند دیگر ذرات بنیادی دارای پاد ذره با بار مخالف ولی جرم و اسپین مشابه است که پاد نوترینو نامیده می شود
جرم الکترون می‌باشد. برهمکنش نوترینو با هسته‌ها بسیار ضعیف است.

نسل دوم:لپتونهای میونیک که شامل میون و میون نوترینو است.

میون

میون در سال 1936 توسط کارل اندرسون در هنگام مطالعه تابش کیهانی کشف شد.
میون ذره بنیادی با جرم 207 برابر الکترون و دارای بار منفی است.نیمه عمر میون بسیار کوتاه و 2.2 میکرو ثانیه است و مانند دیگر ذرات بنیادی دارای پاد ذره با بار مخالف ولی جرم و اسپین مشابه است که پاد میون نامیده می شود.

نسل سوم:لپتونهای تائویک که شاما تائو و تاؤ نوترینو است.

تاو
تاو در سری آزمایش های 1974 تا 1977 توسط مارتین لوئیس پرل و همکارانش
کشف شد.جرم تاو 3.5برابر جرم الکترون و با بار منفی و اسپین 1/2 - است
و عمر بسیار کوتاهی دارد.

چون تاو خواصی بسیار شبیه به الکترون دارد می توان آن را الکترونی با جرم سنگین تر در نظر گرفت با اینحال تاو به اندازه الکترون تابش ترمزی تولیدنمی کندولی قدرت نفوذ بیشتری نسبت به الکترون دارد.تاو مانند دیگر ذرات بنیادی دارای پاد ذره با بار مخالف ولی جرم و اسپین مشابه است که پاد تاو نامیده می شود


پس کلا 6 نوع لپتون داریم که همراه پاد ذره تعداد  آنها به 12 عدد می رسد.


کوارک ها



کوارک یک ذره بنیادی و جزء اساسی تشکیل دهنده ماده می‌باشد. کوارک نخستین بار در سال 1964 توسط مورای گلمان و جورج زویک مطرح شد.در سال 1968 در آزمایشات انجام شده در شتابدهنده خطی استانفورد ثابت شده که پروتون از اجزا کوچکتری نطقه مانندی تشکیل شده است و بنابراین یک ذره بنیادی نیست.در آن زمان فیزیکدانها این ذرات را به عنوان کوارک نمیدانستند بنابراین آن ها پادرون (واژه ای توسط فایمن مرح شد) نامیدند.بعدها کوارک های بالا و پایین و طعم های دیگر کشف شدولی اکنون واژه پادرون یک واژه کلی برای بیان اجزای سازنده هادرون ها (کوارکها و پادکوارک ها و گلوئن ها ) بکار می رود.

کوارک‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا ذرات مرکبی به نام هادرون (hadron) را به وجود آورند، پروتن و نترون یکی از معروف ترین آنها هستند. آنها تنها ذرات بنیادی برای آزمایش همه چهار برهم کنش اساسی یا نیروهای اساسی در مدل استاندارد می‌باشند. به خاطر پدیده‌ای که به تحدید رنگ معروف است، کوارک‌ها هیچ گاه به صورت انفرادی یافت نمی‌شوند؛ آنها را فقط می‌توان درون هاردونها پیدا کرد. به همین دلیل بیشتر آنچه که ما درباره کوارک‌ها می‌دانیم از مشاهده خود هاردونها به دست آمده‌است. شش نوع مختلف از کوارک‌ها وجود دارد که به طعم (flavor) شهرت دارند : بالا (up)، پایین (down)، افسون (charm)، بیگانه (strange)، نوک(top) و ته(bottom). بالا و پایین دارای کمترین وزن در بین کوارک‌ها می‌باشند. کوارک‌های سنگین تر در طول یک فرآیند واپاشی به سرعت به کوارکهای بالا(up) و پایین(down) تبدیل می‌شوند: تبدیل شدن از حالت وزن بیشتر به حالت وزن کمتر. به همین علت کوارک‌های بالا و پایین عموما پایدار می‌باشند و رایج ترین کوارک‌ها در عالم می‌باشند، در حالی که کوارک‌های strange، charm، top، bottom فقط در تصادم‌های با انرژی زیاد تولید می‌شوند (مثل تابشهای کیهانی و شتاب دهنده‌های ذرات). کوارک‌ها خواص ذاتی گوناگونی دارند که شامل بار الکتریکی، بار رنگ، اسپین و جرم می‌باشد. برای هر یک از طعم‌های کوارک یک پادماده متناظر وجود دارد که به پادکوارک نیز شناخته می‌شوند و فقط در برخی خصوصیات دارای علامت مخالف می‌باشد. کوارک‌ها تنها ذرات شناخته شده می‌باشند که بارالکتریکی آنها کسری از بار پایه می‌باشد.

همانطور که اشاره شد  کوارکها هیچگاه به تنهایی نقشی را به عهده ندارند بلکه همیشه در گروههای 2 و 3 تایی هستند ذراتی که از 2کوارک تشکیل می‌شوند مزون نام دارند. ذراتی را که از 3 کوارک دارند باریون می‌نامند. کوارکها در کنار بار الکتریی که دارند خاصیت مرموز دیگری نیز دارا می‌باشند که رنگ خوانده می‌شود. کوراکها از این جهت به قرمز ، سبز و آبی طبقه بندی می‌شود، البته از این طبقه بندی باید رنگهای حقیقی را تصور کرد بلکه منظور نوع باراکتریکی آنهاست. بنابراین ذرات آزاد معلق در طبیعت باید همیشه دارای رنگ خنثی و به عبارت دیگر سفید باشند.

چرا کوارک ها مهم هستند؟

ایجاد ذرات متشکل از 2 کوارک یا به عبارت دیگر (مزونها) ، البته ممکن است، ولی این ذرات پایدار نیستند. برعکس گروههای سه تایی یا به زبان دیگر پروتونها و نوترونها ساختارهایی بسیار پایدار هستند. انسان کره زمین و در واقع کهکشان راه شیری عملاً از 3 سنگ بنای اولیه ایجاد شده‌اند که عبارت ازکوارکهای U ، کوارکهای D و الکترونها می‌باشند. کوارکها ، نوکلئونها را می‌سازند و آنها به یکدیگر متصل شده هسته اتمها را بوجود می‌آروند.

هسته‌ها و الکترونها دراتحاد با یکدیگر اتمها را ایجاد می‌کنند و اتمها نیز با پیوستن به یکدیگر مولکولهای کوچک و بزرگ از قبیل مولکولهای آب یا سایر ترکیبات شیمیایی و بیوژیکی را می‌سازد. میلیاردها مولکول سلولهای بدن ما را بوجود می‌آورند و هر انسان در بدن خود میلیاردها سلول دارد، اما با تمام تفاوتهایی که انسانها ، جانوران ، گیاهان ،سیاره ها و یا ستارگان با یکدیگر دارند باز هم تمام آنها فقط از 3 ذره زیر بنایی ساخته شده‌اند که عبارتند از کوراکهای U ، کوارکهای D و الکترونها.

تعداد کوارک هاطبق نظریه استاندارد 6 طعم کوارک داریم که هر طعم سه رنگ دارد پس تا اینجا 18 نوع کوارک داریم که همراه با پاد کوارک ها تعداد کل کوارک ها 36 عدد است




بوزون های شاخص

بعد از لپتون ها و کوارک ها سومین دسته از ذرات بنیادی موجود در مدل استاندارد ذرات واسط نیرو هستند که چهار نیروی اصلی گرانش الکترومغناطیس نیروی قوی نیروی ضعیف توسط آنها مبادله میشود.همه ذرات واسطه از نوع بوزون با اسپین صحیح1 هستند به همین دلیل به آنها بوزون های واسطه گفته می شود.

ذره واسط نیروی الکترومغناطیس، فوتون(1 ذره)

نظریه کوانتوم با ارائه فرمول مشهور پلانک در سال 1900 مطرح شد. سپس ایشنتین با استفاده از بسته های  موج یا کوانتوم نور (همان فوتون ها) اثر فوتو الکتریک را توجیه کرد. واژه فوتون اولین بار در سخنرانی نوبل پلانک در سال 1920 استفاده شد.فوتون در زبان یونانی به معنی نور است.درفیزیک یک فوتون یک ذره بنیادی  یک کوانتوم واکنش الکترو مغناطیس و جزء اصلی نور و سایر تابش های الکترو مغناطیس است.فوتون همچنین حمل کننده نیرو در نیروی الکترومغناطیس است اثر این نیرو هم در مقیاس ماکروسکوپیک و هم در مقیاس میکروسکوپیک به راحتی قابل مشاهده است.فوتون جرم ندارد و همین باعث واکنش در فواصل دور می شود


ذره واسط نیروی ضعیف(3 ذره)

ذرات Zو +-W که حامل نیروی ضعیف هستند.وجد این ذرات در سال  1968 توسط گاشو ،وینبرگ وسلام برای اتحاد نیروی ضعیف و نیروی الکترومغناطیس پیشگویی شد و جایزه نوبل سال 1969 را برایشان به ارمغان آورد. W از حرف اول کلمه Weak به معنی ضعیف و نام ذره Z توجیه خاصی ندارد.بار الکتریکی ذره +W برابر +1 و پاد ذره آن-W با بار 1-است.بار ذره Z صفر و پاد ذره آن خودش است.این ذرات بیشتر به خاطر نقششان در واپاشی هسته ای شناخته شده هستند.کشف این ذرات در سال 1983 کمک بزرگی به نظریه مدل استاندارد کرد.


ذره واسط نیروی قوی،گلئون(8 ذره)

گلئون ، ذره‌ای که حدس زده می‌شود بین کوارک‌ها مبادله می‌شودتا آنها را به هم پیوند دهد. به این ترتیب گلئونها به طور غیرمستقیم مسئولیت جذبه بین پروتونها و نوترونها در هسته اتم را به عهده می‌گیرند. گلوئون از کلمه glue به معنای چسب گرفته شده است.8 نوع یا هشت رنگ گلئون وجود دارد.


ذره واسط نیروی گرانش یا گراویتون(1 ذره)

این ذره حامل نیروی گرانش است و لی هنوز مشاهده نشده است در صورت وجود  بار الکتریکی آن صفر اسپین آن 2 و جرم آن صفر خواهد بود و در حقیقت کوانتوم گرانش است.این ذره یک مزون محسوب می شود.


بوزون هیگز(1 ذره)

در صورت پذیرفتن نظریه الکترو ضعيف به یک ذره هیگز احتياج است..بوزون هیگز  یا سازوکار BEH، یک ذره بنیادی اولیه فرضی دارای جرم است که وجود آن توسط مدل استاندارد فیزیک ذرات  پیش‌بینی شده است. این بوزون، تنها ذرهٔ مدل استاندارد است که هنوز به صورت تجربی مشاهده نشده است. مشاهده تجربی این ذره ممکن است بتواند درباره چگونگی جرم‌دار شدن ماده توسط ذرات بنیادی بدون جرم دیگر، توضیح دهد. به طور خاص، بوزون هیگز، احتمالاً می‌تواند دلایلی برای تفاوت‌های بین فوتون که بدون جرم است و بوزون‌های W و Z که نسبتاً پرجرم هستند، ارائه کند. جرم ذرات بنیادی، تفاوت‌های بین الکترومغناطیس (که توسط فوتون‌ها ایجاد می‌شود) و نیروی هسته‌ای ضعیف  (که توسط بوزون‌های W و Z ایجاد می‌شود) در ساختار میکروسکوپیک (و به‌طبع ماکروسکوپیک) ماده مؤثر هستند؛ بنابراین، بوزون هیگز -در صورت وجود- یک مؤلفه بسیار مهم در دنیای ماده است. اسپین بوزون هیگز صفر است وتاکنون هیچ ذره بنیادی با اسپین صفر مشاهده نشده و هیچ آزمایشی بوزون هیگز را تشخیص نداده است.

پس بنابراین تعداد کل بوزون های شاخص 12  عدد است و بوزون هیگز و گراویتون پیش بینی شده اند قبلا 36 کوارک و 12 لپتون را معرفی کردیم بنابراین کل ذرات بنیادی 62 عدد است.




تا کنون همه ذرات بنیادی معرفی شد اما برای پرهیز از سردرگمی خواننده مفاهیم فرمیون،بوزون، هادرون، باریون و مزون نیز به طور خلاصه توضیح داده می شود تا شرح نسبتا جامعی از ذرات بنیادی ارائه شود

فرمیون

فرمیون به افتخار فیزیکدان ایتالیایی نام گذاری شده است، فرمیون به ذرات بنیادی با اسپین نیمه گفته می‌شود. اصولا همه ذره‌های اساسی در مکانیک کوانتومی، یا از فرمیون‌ها یا از بوزون‌ها هستند. الکترون‌ها، لپتون‌ها، نیتریون‌ها و حتی کوارک‌ها همگی فرمیون می‌باشند. به این ترتیب، ذرات تشکیل‌شده از تعداد فردی از فرمیون‌ها نیز، جزو فرمیون‌ها می‌شوند.

در فیزیک ذرات , فرمیون‌ها ذراتی هستند که ازامار فرمی-دیراک تبعیت می‌کنند که بر اساس نام انریکو فرمی نام گذاری شده‌است . در مقابل آنها بوزون ها از آمار بوز-اینشتین پیروی می‌کنند .

در یک لحظهٔ معین ,تنها یک فرمیون می‌تواند, یک حالت کوانتومی را اشغال کند که این بیان اصل طرد پاولی است . بدین معنی که اگر بیش از یک فرمیون فضای مشابهی را در فضا اشغال کنند , مشخصهٔ هر فرمیون ( برای مثال اسپین ) ,باید از دیگری متفاوت باشد . فرمیون‌ها معمولا" بخش اصلی ماده هستند و بوزون‌ها ذرات حامل نیرو هستند . به هر جهت تمایز بین دو مفهوم در فیزیک کوانتومی نامشخص است .


بوزون
در فیزیک ذرات بوزون ها ذرات زیر اتمی هستند که از آمار بوز-آلبرت اینشتین تبعیت میکنند.بوزون ها بر اساس نام ساتیندرا بوز و آلبرت اینشتین نام گذاری شده اند .در مقابل انها فرمیون ها هستند که از امار فرمی-دیراک  تبعیت میکنند. چندین بوزون میتوانند حالت کوانتومی مشابهی را اشغال کنند ,بنا براین بوزون هایی با انرژی یکسان میتوانند مکان مشابهی را در فضا اشغال نمایند. بنابراین بوزون ها اغلب ذراتی هستند که حاملین نیرو هستند در حالیکه فرمیون ها معمولا بخش اصلی ماده می باشند .


بوزون ها ممکن است ساده و مقدماتی باشند مثل فوتون ها یا مرکب باشند مثل مزون ها . همهٔ بوزون ها دارای اسپین صحیح هستند ؛بر خلاف فرمیون ها که دارای اسپین نیمه صحیح هستند .این مطابق است با قضیه اسپین-آمار که به این صورت بیان میشود :در تئوری میدان کوانتوم نسبیتی ذرات با اسپین صحیح بوزون هستند و ذرات با اسپین نیمه صحیح فرمیون هستند. بیشتر بوزون ها ذرات مرکب هستند. در مدل استاندارد 5 بوزون وجود دارد که مقدماتی هستند :


    * 4 بوزون شاخص
          o (γ • g • W± • Z)
    * 1 بوزون هیگز
          o (H0)

بر خلاف بوزون های شاخص ,بوزون های هیگز هنوز به طور تجربی مشاهده نشده اند. بوزون های مرکب در ابر شارگی و بعضی کاربردهای حالت چگالیدهٔ بوز-انیشتین مهم هستن

هادرون

در فیزیک ذرات ، هادرون (گرفته شده از زبان یونانی به معنای محکم، سخت) عبارتست از وضعیت محدود کوارک‌ها. هادرونها به اتفاق یکدیگر یک نیروی قوی ایجاد می‌نمایند که همچون عملکرد اتم‌ها با هم در اثر نیروی الکترومغناطیسی است. دو زیرمجموعه از هادرونها وجود دارد: باریون‌ها و مزون‌ها. از میان معروفترین باریونها، می‌توان به پروتون‌ها و نوترون‌ها اشاره کرد.


باریون


کلیه انواع شناخته از باریون‌ها از سه کوارک ظرفیت تشکیل می‌گردند، و بنابراین از گروه فرمیون‌ها هستند. آنها دارای عدد باریونی ۱ = B هستند، در حالی که در ضد باریونها (که از سه ضد ذره کوارک تشکیل شده‌اند) عدد باریونی ۱- = B است. باریونها حاوی یک جفت ضد کوارک اضافی هستند که پنتاکوارک نامیده می‌شود. شواهد مربوط به وضعیتها طی آزمایشهای متعدد در اوایل سال ۲۰۰۰ حاکی از آن بوده اگرچه این باور از آن زمان تاکنون مورد تکذیب قرار گرفته‌است. هیچگونه مدرکی درباره حالات باریون حتی با جفت کوارک- ضدکوارک بیشتر وجود ندارد.

مزون

مزونها باریون‌هایی هستند که از یک جفت کوارک- آنتی کوارک تشکیل می‌شوند. عدد باریونی آنها ۰ = B است. نمونه‌هایی از مزونها معمولا در آزمایشهای فیزیک ذرات تولید می‌شود از جمله پیون‌ها و کائون‌ها. پیون از طریق ته نشست قوی نقش نگهدارنده بخشهای هسته اتم را به یکدیگر ایفا می‌کند. مزونهای فرضی بیش از یک جفت کوارک- ضد کوارک دارند؛ مزون از دو جفت کوارک- ضدکوارک به نام تتراکوارک تشکیل شده‌است. در حال حاضر هیچگونه مدرکی دال بر وجود آنها وجود ندارد. مزونهایی که خارج از طبقه بندی الگوی کوارک قرار می‌گیرند، مزونهای بیگانه خوانده می‌شوند. این مزونها شامل گلوبال‌ها (گلوؤنهای به هم چسبیده) و مزونهای دورگه می‌گردد (مزونها توسط گلوءن‌های تحریک شده محدود می‌گردند).


منابع:

ویکیپدیای فارسی  , انگلیسی

دانشنامه رشد

کتاب سایه های آفرینش (نوشته مایکل ریوردان ،دیوید. ر. شرام)


برچسب‌ها: كتاب
+ نوشته شده توسط یاسر در سه شنبه شانزدهم خرداد 1391 و ساعت 8:48 |


Powered By
BLOGFA.COM






Powered by WebGozar