ساختمان ماده

اتم از یک هسته و یک ابر الکترونی تشکیل شده است. خود هسته نیز از پروتون و نوترون تشکیل شده است. الکترون ها یک حرکت ثابت به دور هسته دارند؛ در حالی که پروتون ها و نوترون ها داخل هسته حرکت می کنند.  

نوترون ها و پروتون ها هر کدام به تنهایی از سه کوارک (q) ساخته شده اند. تا آن جا که دانشمندان تاکنون دریافته اند، الکترون ها و کوارک ها در میان اجزای بنیادی سازنده مواد، جای می گیرند.

ایده های انقلابی

در تاریخ علم زمان هایی هست که کارها و پژوهش ها تنها با بیان ایده های انقلابی و نوگرا به نتیجه می رسند.

نیکلاس کوپرینک با بیان این ایده که خورشید در مرکز منظومه ی شمسی است، جهشی بزرگ را انجام داد. همچنین آلبرت اینشتین ( برنده جایزه ی نوبل 1921 ) هنگامی که در نظریه نسبیت خود بیان کرد که سرعت نور ثابت است و حد بالای سرعت ها است، چنین جهشی را انجام داد.

یک سؤال بی پاسخ

در دهه 1930 دیدگاه انسان نسبت به اتم به یک مرحله بحرانی و سرنوشت ساز رسیده بود. دانشمندان فهمیده بودند که اتم ها از یک هسته که متشکل از پروتون ها و نوترون هاست ( کشف شده توسط جیمز چادویک، برنده جایزه نوبل 1935 ) و یک ابر الکترونی ( کشف شده توسط جوزف جان تامسون برنده جایزه نوبل 1906 ) تشکیل شده اند و چنین فکر می کردند که این سه ذره، حالت های بنیادین همه مواد هستند.   

اماسؤال همچنان پا برجا بود:

چگونه هسته ها پایدار می مانند، در حالی که پروتون های درون آن همدیگر را دفع می کنند؟ چه چیزی اجزای هسته را کنار هم نگه می دارد؟

این سؤال دانشمندان را وادار به انجام آزمایش هایی با شتاب دهنده های ذرات کرد تا بر هم کنش های نوترون و پروتون را مطالعه کنند. تا این گونه پی به نحوه رفتار آن ها ببرند. هر چند، در این راه علاوه بر بررسی نوترون ها و پروتون ها انواع گوناگونی از ذرات نا آشنا نیز به دست آمد، این پدیده ها خود نیز تعداد زیادی سؤال را به همراه آوردند که سرانجام منجر به فهم و دید تازه ای نسبت به ساختار بنیادین هسته شد.

ابزار ردیابی

وسیله هایی همانند اتاقک حباب (ساخته شده توسط دونالد گلاسر برنده جایزه نوبل 1960 ) برای دست یابی به دیدگاه تازه ما نسبت به مواد بسیار مفید و لازم بودند. ایده اصلی این دستگاه این است که اگر ذرات باردار را به درون مایعی پرتاب کنیم که تا بالاتر از نقطه جوش آن گرم شده باشد، ردی از حباب پشت سر خود برجا می گذارند. از روی این رد و شکل آن می توان ویژگی های مهم ذره، همانند بار و جرم آن را به آسانی به دست آورد.

چندین ذره جدید با این وسیله کشف شد. و سؤال دیگری برای دانشمندان پیش آمد:

چگونه این ذرات به پروتون ها و نوترون ها مربوط می شوند؟

 

 

اسپین: یک ویژگی ذرات

با استفاده از اتاقک حباب و ابزارهای دیگر، چند صد ذره جدید کشف شدند. البته سه شکل بنیادین ماده (الکترون، پروتون و نوترون) قابل پیش بینی بودند، اما این چند صد ذره دیگر از کجا آمدند؟ این یک معمای حسابی بود چون فرض می شد که طبیعت، ساده و باشکوه است نه پیچیده و زشت!

در تلاش برای یافتن سادگی طبیعت، فیزیک دان ها شروع به طبقه بندی ذرات برحسب ویژگی های مختلف آن ها کردند. یکی از این ویژگی ها اسپین بود.

اسپین مقدار تکانه زاویه ای است که به هر ماده نسبت داده می شود. وقتی فرفره ای می چرخد، مقدار معینی تکانه زاویه ای دارد. هر چه چرخش آن سریع تر باشد، تکانه زاویه آن نیز بیشتر می شود. فیزیک دانان پی بردند که ایده تکانه زاویه ای برای ذرات نیز می تواند به کار رود اما به نظر می رسد که مقدار آن یک ویژگی ذاتی و تغییر ناپذیر،برای ذرات است. مثلاً اسپین یک الکترون همیشه برابر با 2/ است. (  خوانده می شود h بار، برحسب ژول در ثانیه )

در تئوری کوانتومی، تکانه زاویه ای با یکای اندازه گیری شناخته می شود و مقدار آن برابر است با :

 

 

تکانه زاویه ای: یک کمیت پایسته

اسپین نوعی تکانه زاویه ای ذاتی در تمام ذرات است. اما تکانه زاویه ای به حرکت یک جسم به دور جسمی دیگر هم ربط دارد. هنگامی که زمین به دور خورشید می گردد، نه تنها تکانه زاویه ای ذاتی خود را دارد، بلکه تکانه زاویه ای ناشی از حرکت به دور خورشید را نیز دارد.

تکانه زاویه ای کلی یک جسم که مربوط به اسپین و حرکت دورانی آن است، کمیت مفیدی برای بررسی است چون مقدارش همیشه ثابت است! در یک شتاب دهنده هنگامی که ذرات به هم برخورد می کنند ذرات دیگری به وجود می آیند، اما مقدار تکانه زاویه ای کل پایسته و مانند قبل است. تکانه زاویه ای کل در تمام مراحل قبل از برخورد، هنگام و بعد از برخورد همواره ثابت می ماند. این را پایستگی تکانه زاویه ای می نامند.

در شکل زیر دو ذره ( الکترون و پوزیترون ) با انرژی غیر قابل تصوری به هم برخورد می کنند.

اما در این شکل هنگامی که ذره ها نابود می شوند، دو ذره جدید به وجود می آیند.

حال در این مرحله دو ذره با اسپین 1/2 ممکن است دو ذره با اسپین صفر را تشکیل بدهند.

تکانه زاویه ای کل کجا رفت؟

آیا می توان گفت که تکانه زاویه ای کل پای اِستار نیست؟

در شکل سمت راست همانطور که مشاهده می کنید، تکانه زاویه ای هنوز پایسته است. تنها شکل آن تغییر کرده است. ابتدا به شکل اسپین بوده است و حالا به تکانه زاویه ای ناشی از دوران تبدیل شده است. درست مانند زمین و خورشید، ذرات هم به خاطر حرکت به دور نقطه برخوردشان تکانه زاویه ای دارند.

پس، تکانه زاویه ای پایسته است و تکانه زاویه ای اسپینی به تکانه زاویه ای دورانی تبدیل شده،  اما تکانه زاویه کل ثابت و بدون تغییر مانده است.

طبقه بندی ذرات

در آزمایش های فیزیکی، ذراتی با اسپین مشخص به یکدیگر برخورد می کردند و ذرات جدید دیگری را تولید می کردند از آن جا که فیزیک دان ها اسپین کل ذراتی را که در برخورد شرکت داشتند، می دانستند، از بقای تکانه زاویه ای کل استفاده کردند تا اسپین ذرات محصول را به دست آورند. آن ها پی بردند که اسپین تمام ذرات یا مضرب درستی از است ( یعنی ...3 و 2 و 1 و 0) و یا به صورت  است.

بسیاری از ذرات تازه کشف شده، بخشی از یک طبقه معمولی ذرات به نام هادرون ها بودند.

هادرون ها هم به دو دسته مزون ها با مقدار اسپین صحیح و باریون ها با مقدار اسپین نیمه صحیح، طبقه بندی می شوند .

کوارک

دیگر ویژگی ها ... شگفتی

بعد ها، یک ویژگی مهم دیگر نیز کشف شد. در برخوردهای با انرژی بالا برای ذره هایی با نام مزون k تولید می شدند. اما چیز عجیبی درباره آن ها وجود داشت.

دانشمندان مشاهده کردند که این ذرات طول عمر طولانی ای دارند، انگار قوانین ناشناخته ای از واپاشی آن ها به ذرات دیگر جلوگیری می کند.

 

موری گلمان برنده جایزه نوبل 1969 فرض کرد که k مزون ها و بعضی ذرات دیگر یک ویژگی جدید دارند و آن را " شگفتی " نامید. سپس او این ویژگی ها را شناسایی و به صورت ریاضی بررسی و طبقه بندی کرد.

 

اما این کار کامل به نظر نمی رسید. طرح ها و طبقه بندی های او وجود یک ذره کشف نشده را پیش بینی می کرد. ( امگا )، فیزیک دان ها خیلی زود ذره ای با جرم پیش بینی شده توسط موری گلمان را یافتند که این دلالت بر این داشت که طبقه بندهای او درست بوده است.

 

 

درون کوارک

 

با وجود الگو بندی های گلمان و طبقه بندی ذرات به دسته هایی همچون باریون و مزون، فیزیک دانان هنوز با صدها ذره ی بنیادین درگیر بودند.

برای فرار از این باغ وحش ذرات، گام بعدی این بود که تحقیق کنند چرا این الگوها توانستند تمام باریون ها و مزون ها را توصیف و طبقه بندی کنند. پس تمام باریون ها و مزون ها از ذرات ( مشترک ) دیگری تشکیل شده اند. این ذرات را کوارک نامیدند.

 

مری گلمان و جرج زویگ فرض کردند که باریون ها ذراتی هستند که از سه کوارک تشکیل شده اند ( qqq ) و مزون ها ذراتی اند که از یک کوارک و یک آنتی کوارک q و q ساخته شده اند.

( یک کوارک up با علامت u و یک کوارک down با علامت d نشان داده می شود. این بالا و پایین تنها نام کوارک اند و دلالت بر بالا و پایین بودن آن ها ندارند. )

 

بارهای کسری و کوارک های دیده نشده

به نظر نمی رسید که کوارک ها جواب کامل معما باشند. گلمان و زویگ یک مشکل بزرگ ایده خود را شناسایی کردند. آن ها برای هماهنگی با بارهای شناخته شده مزون ها و باریون ها، مجبور بودند که به کوارک ها بار کسری نسبت بدهند! چیزی که هرگز تا آن زمان دیده نشده بود.

گلمان و زویگ برای پذیرفتنی شدن نظریه شان با دو مشکل جدی رو به رو بودند:

کوارک ها هنوز مشاهده نشده بودند و کسی نتوانسته بود توضیح بدهد که چرا آن ها تا به حال مشاهده نشده اند.

همه جور ترکیبی از کوارک ها ممکن به نظر می رسید و به دست می آمد اما دیده نمی شد. 

 

 

بار رنگی

بنابراین یکی مجبور بود که توضیح دهد که چرا همیشه ترکیب هایی از کوارک ها دیده می شوند که در کل، بار درست دارند و چرا ترکیب هایی مانند q و qq و q¯qq دیده نمی شوند. ( q¯ نماد پادکوارک یا آنتی کوارک است )

گلمان و بقیه اندیشیدند که جواب در میان نیروهای بین کوارک ها پنهان است. این نیرو را نیروی قوی نامیدند و بارهای جدیدی که این نیرو را حس می کردند، بار رنگی نامیدند؛ هرچند که این اصطلاح هیچ ربطی به رنگ های طبیعی ندارد.

آن ها فرض کردند که کوارک ها می توانند سه بار رنگی داشته باشند. به این دلیل این بار را رنگ نامیدند که بعضی ترکیب های معین کوارک ها خنثی اند درست مثل رنگهای واقعی که از ترکیب سه رنگ (سبز، آبی، قرمز ) رنگ سفید که خنثی است، به دست می آید. 

همان طور که ترکیب آبی و قرمز، بنفش می دهد، ترکیب بعضی رنگ ها هم سفید به دست می دهد. مثلا ترکیب قرمز، سبز و آبی

 

حالا می توانستند بگویند تنها ترکیباتی از کوارک ها وجود دارند که از لحاظ رنگی خنثی باشند. پس فقط ترکیبهای  qq و qqq  در طبیعت دیده می شوند.

 

 

 

کوارک ها تعریف شدند!

 

ماهیت نیروی قوی کاملا با نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی تفاوت دارد. در این دو نیرو هرچه فاصله بین دو جسم یا دو بار بیشتر باشد، نیرو ضعیف تر می شود. اما در مورد نیروی قوی، فاصله اهمیتی ندارد و شدت نیرو یکسان می ماند. خب پس وقتی کوارک ها به شدت ضربه می خورند، چه می شود؟

 

 

جرم، ذره ها و کوارک ها

وجود کوارک ها، قانون برابری جرم و انرژی انیشتین را اثبات می کند.

ذره ای را در نظر بگیرید که از چندین کوارک تشکیل شده است، جرم ذره تنها شامل جرم کوارک ها نیست. بلکه جرم کل ذره برابر برابر جرم کوارک ها و انرژی جنبشی آن هاست.

 

در یک پروتون، جرم سه کوارک موجود فقط 1.3 درصد از جرم کل پروتون را تشکیل می دهد. این نشان دهنده ی این است که جرم هسته کمتر از جرم اجزاء اصلی اش می باشد.

با وجود این که کوارک ها در پروتون و نوترون، انرژی جنبشی زیادی دارند، این سؤال مطرح می شود که چگونه آن ها در هسته مقیدند؟  و چرا این ذرات نمی توانند از هسته خارج شوند؟ نیروی قوی (غیر گرانشی)، کوارک ها را در پروتون مقید نگه می دارد. پس برای آزاد کردن کوارک از پروتون باید کار زیادی را انجام دهیم. می توان نتیجه گرفت که یک کوارک هرگز نمی تواند آزاد باشد.

این یک انقلاب فکری بود!

 

حامل نیروی قوی

با کشف نیروی قوی سرانجام کسی توانست توضیح دهید که چرا هسته ی یک اتم وا نمی پاسد. هایدکی یوکاوا ( برنده ی جایزه نوبل 1949 ) فرض کرد که نیروی قوی بین نوترونها و پروتونها در هسته ها از طریق مبادله ی مزون پای اتفاق می افتد. هر چند در دیدگاه جدید این یک مسئله است. نیروی قوی تنها از طریق رنگ بر ذرات اثر می گذارد. و پروتون ها و نوترون ها نیز رنگ خنثی دارند.

 

فیزیکدان ها فهمیدند که باریون ها و مزون ها همانند نوترون ها و پروتون ها در هسته هم پوشانی دارند. و از آن جا که رنگ پروتون و نوترون خنثی است با یکدیگر واکنش نمی دهند. نیروی قوی از تبادل گلوئون ( چسب ) بین کوارک ها در پروتون ها و نوترون های مختلف به وجود می آید.

 

این فرآیند هسته را به هم چسبیده نگاه می دارد. این فرآیند هم ارز با این است که اتم ها در مولکول کنار هم قرار می گیرند.

 

 

کوارک ها می توانند دیده شوند؟

از آن جا که کوارک ها تنها یافت نمی شوند. فیزیک دان ها یک راه را برای دیدن کوارک های درون هسته پیدا کردند. آزمایش جروم – I – فرایند من ، هنری – W – کندل و ریچار E تیلور ( برندگان جایزه نوبل 1990 ) خیلی به آزمایش رادفورد ( برنده ی جایزه ی نوبل شیمی 1908 ) شبیه بود.

 هر چند این بار هدف پروتون ها و نوترون ها بودند و پرتوی ورودی جریانی از الکترون های شتابدار بود که انرژی آن ها هزار برابر بیشتر از آزمایش رادفورد با ذرات آلفا بود. زاویه ذرات پراکنده شده در این جا نشان می داد که مرحله ی جدیدی از ماده به دست آمده است. ژرفای پروتون و نوترون دیده می شد و آن ها شواهدی فیزیکی از کوارک به دست آوردند.

دیدن پروتون، دانشمندان الکترون ها را شتاب می دهند تا به انرژی های زیاد برسند. سپس با استفاده از آن ها کوارک ها را در پروتون می بینند.

 

 

 

 

پروتون ها یک ساختار درونی دارند ( ترکیبی از کوارک ها ) پس الکترونهایی که به آن برخورد می کنند با یک زاویه ی بزرگ پراکنده می شوند.

 

اگر پروتون یک ذره ی بنیادی و بدون ساختار ترکیبی درونی بود. هنگامی که الکترونها به آن می خوردند باید با یک زاویه ی کمتری پراکنده می شدند.

 

 

 

واپاشی کوارک

درباره ی بار کسری چه؟

چند سال بعد. دیگر فیزیک دانان تجربی نوترینو را با پروتون ها و نوترون ها پراکنده کردند و نرخ برخورد را اندازه گرفتند. نوترینوها ذرات بی نهایت سبکی هستد که بر هم کنش های ضعیف دارند اما بر هم کنش های الکترومغناطیسی ندارند. مقایسه ی نرخ نوترینوهای پراکنده شده در برابر نرخ الکترون های پراکنده شده، مدرک بزرگی برای وجود بار کسری بود.

نوترون های پراکنده شده

الکترون پراکنده شده

 واپاشی کوارک

در برنامه های علمی، ایده های قدیمی و اولیه به ندرت کاملاً جایگزیده می شوند. اما دامنه ی کاربرد آن ها محدودتر می شود؛ همانند ایده ی واپاشی نوترون.

یک نوترون می تواند به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترنیو واپاشی کند. اما هنگامی که فیزیکدان ها تعیین کردند که نوترون از یک کوارک up و دو کوارک down ساخته شده است، فهمیدند که نوترون به خودی خود واپاشی نمی کند.

 پس کوارک ها روش واقعی بر هم کنش ذرات دیده شد را به خوبی توضیح می دهند. 

 

 

واپاشی نوترون بتا هنگامی است که یک نوترون ( udd ) به یک پروتون ( uud ) و یک الکترون و یک نوترینو وا می پاشد.

نوترون یک ذره ی بدون بار است که از 2 کوارک down و یک کوارک up تشکیل شده است.

 

 

 

 

هنگامی که واپاشی اتفاق می افتد یکی از کوارک های down به یک کوارک up تشکیل تبدیل می شود.

کوارک down بار 3/1- را دارد و کوارک up بار 3/2+ را دارد. و از آن جایی که ما بقای بار داریم. پس این تنها زمانی اتفاق می افتد که یک ذره ی مجازی w- با بار 1- آزاد شود.

 

حال نوترون در این جا به یک پروتون تبدیل شده است. ذره ی مجازی w- که از پروتون بیرون آمده است به یک الکترون و یک آنتی نوترینو تبدیل می شود

 

 

 

سرانجام، پروتون، الکترون و آنتی نوترینو همگی از هم دور می شوند. در واقعیت این فرآیند در یک میلیارد میلیارد نیم ثانیه انجام می شود.

 

  

کشف کوارک های بیشتر

 

یک افسون گم شده

گلاشو، سلام و دین برگ برای تمام ذرات کشف شده یک مدل استاندارد درست کردند. یک تئوری که ذرات بنیادی و نیرو را توصیف می کرد. مدل استاندارد برای ذرات با سه کوارک است که از کوارک های up با بار 3/2 و کوارک down با بار 3/1- و کوارک strange ( یا شگفت ) درست شده اند کوارک شگفت ذره ای بود که ویژگی های شگفت انگیزی داشت.

 

هر چند که سه کوارک کافی نبود. ساختار ریاضی در پشت پرده ی مدل استاندارد وجود یک کوارک چهارم ای را بیان می کرد، کوارک افسون یا charm سپس در 1974 یک آزمایش توسط ساموئل تینگ و آزمایش دیگری توسط بروتون ریشتر ( برندگان جایزه ی نوبل 1976 ) انجام شد، آنان ذره ای را یافتند که کوارک گمشده ی افسون ( charm ) را در خود داشت. یکی آن را J نامید و دیگری آن را Psi نامید. اکنون این ذره با نام J/psi شناخته شده بود.

samuel Chao Chung ting

Burton  Richer

کوارک های بیشتر چه؟

با کشف کوارک افسون ( charm ) فیزیک دانان به وجود تعداد کوارک های بیشتر از چهار فکر کردند. به زودی سوال آن ها پاسخ داده شد. هنگامی که لئون لدرمن ( برنده ی جایزه نوبل 1988 فیزیک ) و گروهش و پنجمین کوارک را کشف کردند. آن را کوارک ته ( b ) ( bottom ) نامیدند. که باری برابر -1/3 داشت فیزیک دانان انتظار داشتند که یک کوارک هم ارز آن یعنی کوارک بالا ( + یا top ) به زودی کشف شود بدبختانه تا 20 سال بعد این کوارک کشف ناشده باقی ماند.

 

 The 1988 Nobel Prize in Physics, Leon M. Lederman

 

توان مدل استاندارد

استفاده از ساختار ریاضی و پایه ای مدل استاندارد به همراه نتایج تعدادی آزمایش جنجالی این امکان را فراهم کرده بود تا جرم کوارک top تخمین زده شود.

 

با استفاده از تکنیک های محاسبه ای جدیدی که جارد هوفت و مارتین ولت بن برندگان جایزه ی نوبل 1999 در آن پیش رو بودند. فیزیک دان ها توانستند تأثیر غیر مستقیم کوارک top را بر اندازه گیری ها محاسبه کنند. آن ها مشخص کردند که کوارک top باید خیلی سنگین تر از کوارک های دیگر باشد، در حدود 20 تا 30 برابر سنگین تر از کوارک سنگین قبل از خود یعنی کوارک b .

 

این روش ها نه تنها برای تخمین جرم کوارک مفید بودند. بلکه کلیدی برای فهم ساختار کامل و ترکیب مدل استاندارد بودند. قبل از کار هوفت و ولت من در 1971 – 1972 هیچ کس فراتر از یک جواب تخمینی و تقریبی نمی توانست پیش بینی های مدل استاندارد را محاسبه کند.

برندگان جایزه ی نوبل 1999

Martinus J.G.  Veltman

t Hooft

کشف کوارک top

 

تا قبل از دهه ی 1990 هیچ آزمایشی نبود که دقت لازم را برای تعیین جرم کوارک top

داشته باشد در 1995 دو آزمایش در فرمی لب ( ermilab ) وجود کوارک top را بیان کردند و نشان دادند که چرا یافتن آن سخت بوده است. کوارک top جرم خیلی زیاد 175Gev/C2 را دارد. یعنی بیش از 30 برابر جرم کوارک b ( ته ) به این دلیل خیلی طول کشید تا شناخته شود چون فیزیکدانها به یک شتابدهنده ی بسیار قوی تر از شتاب دهنده ی پیشین نیاز داشتند تا آن را کشف کنند.

 

آیا کوارک ها بنیادین هستند

با استفاده از نسل جدید شتابدهنده ها ما ساختار یا ترکیبی درونی برای کوارک ها یافت نشده است. یک راه، برخورد پروتون های بسیار پر انرژی است. اگر کوارک ها یک ریز ساختار درونی داشته باشند. ذرات حاصل معمولاً باید با زاویه های بزرگتری پراکنده شوند.

 

مطالعه ی این برخورد ثابت می کند که کوارک ها برای ساختار ریز، در حدود 19-10 متر ذراتی بنیادی هستند. اما کسی نمی داند که کوارک ها بنیادین هستند یا نه و تنها این برخوردهنده های بسیار قوی تر آینده هستند که می توانند پرده از این راز طبیعت بردارند.

 

 

 

 

مترجم : احسان انصاری

گروه مدرسه اینترنتی سایت تبیان - تنظیم : سمیرا بادامستانی