فیزیک ذرات بنیادی

فیزیک ذرات بنیادی با کشف الکترون به وسیله تامسون متولد شد. فیزیک ذرات بنیادی با اجزاء بنیادی ماده و برهمکنش های آنها سرو کار دارد. زمانی الکترون، پروتون و نوترون ذرات بنیادی نامیده می شدند.
با پیشرفت دانش فیزیکدان ها و افزایش توانایی فنی در کاوش فاصله های کوتاه تر، مفهوم بنیادی بودن تغییر نمود. در این فاصله دیگر پروتون ها و نوترون ها ذرات بنیادی محسوب نمی شوند؛ بلکه ساختارهای پیچیده ای از خود نشان می دهند. این کشف نتیجه تلاش های نیمه دوم قرن بیستم بود.
الکترون هنوز هم به عنوان یک ذره ی بنیادی شناخته می شود وسرشتی بدون ساختار دارد.
در نیمه اول قرن بیستم، اطلاعات درباره ذرات زیر اتمی به سرعت افزایش یافت و ذراتی مانند پایون، میون و غیره کشف شدند. پس از آن آزمایشگران فیزیک ذرات به سوی ساخت شتاب دهنده های ذرات پیش رفتند تا بتوانند از طریق شتاب دهی ذرات کشف شده و برهمکنش های مختلف به آشکارسازی ذرات جدیدی دست یابند. البته لازم به ذکر است که کشف ذراتی مانند میون، پایون و…حاصل مطالعه برخورد پرتو های کیهانی با مولکول های جو بود.

نکته قابل تامل در اینجا این هست که شار پرتو کیهانی پر انرژی با انرژی کم می شود؛ لذا هر چند مطالعه پرتوهای کیهانی پر انرژی هنوز هم اطلاعات جدیدی فراهم می سازد اما آشکارسازی پرتوهای کیهانی، فیزیکدانان انرژی بالا را از ساخت شتاب دهنده های ذرات بی نیاز نمیسازد.

مدل استاندارد ذرات بنیادی

در سال 1978 یک توصیف همه جانبه از ذرات بنیادی به وجود آمد که به آن مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته می شود. مدل استاندارد ذرات بنیادی با در نظر گرفتن سه نیروی بنیادی از چهار نیروی بنیادی شناخته شده در طبیعت (در سطح زیر اتمی گرانش اهمیتی ندارد) ساخته و پرداخته شده است. نظریه پردازان مختلفی در طول قرن گذشته در شکل گیری این مدل نقش موثری داشته اند که از آنها می توان به واینبرگ، گالشو، سالم، فرمی، هیگز و …اشاره کرد.

بازیگران اصلی در مدل استاندارِد ذرات بنیادی:

• سه خانواده لپتونی
• سه خانواده کوارکی
• و یک خانواده بوزون های پیمانه ای وهیگزهستند.

اجزای سازندۀ نظری مدل استاندارد شامل نظریه میدان های کوانتومی پیمانه ای است.

این نظریه رابطه ی بین اجزای بنیادی ماده و برهمکنش های بین آنهاست.

مدل استاندارد ذرات بنیادی توسط شتاب دهنده های بزرگ و اغلب پر هزینه متعددی در سراسر جهان به چالش کشیده شده است.

از این دست شتاب دهنده های پر هزینه می توان به شتاب دهنده ِسرن در سوئیس، شتاب دهنده فرمی لَب در آمریکا و شتاب دهنده اِسلک در آمریکا اشاره کرد.این شتاب دهنده ها را می توان به طور کلی به دو دسته شتاب دهنده های خطی و شتاب دهنده های دایروی تقسیم بندی کرد.

اساس کار شتاب دهنده های خطی بر شتاب دهی ذرات در یک خط مستقیم استوار است اما شتاب دهنده های دایروی ذرات را در یک محیط به شکل منحنی بسته شتاب می دهند. شتاب دهنده بزرگ اِل ایچ سی در آزمایشگاه ِسرن سوئیس از این نوع است. این شتاب دهنده محیطی حدود 27کیلومتر را شامل می شود و حدود 100 متر زیر زمین ساخته شده است. در نقاط مختلف این شتاب دهنده دایروی چهار آشکارساز به نام های آلیس، اطلس، سی ام اس، اِل ایچ سی بی قرار دارند و در این آشکارسازها دو باریکه پروتونی که در محیط اصلی شتاب دهنده در دو جهت خالف هم شتاب گرفته بودند با هم برخورد می کنند. البته الزم به ذکر است که برخی از شتاب دهنده ها مصارف کاربردی و پزشکی نیز دارند.

آخرین ذره بنیادی کشف نشده از پیش بینی مدل استاندارد ذره هیگز بود که دانشمندان حدود سه دهه تالش های فراوانی را برای کشف و آشکارسازی آن انجام داده اند.
آزمایشگران آزمایش بین المللی اِل ایچ سی اعلام کرده اند که ذره ای با ویژگی های مورد انتظارهیگز مدل استاندارد ذرات بنیادی را کشف کرده اند. این ذره، ذره ای با اسپین صفر دارای ویژگی مشخص (125 برابر جرم پروتون) است. البته الزام به ذکر است که کشف هیگز به معنای اتمام به چالش کشیدن مدل استاندارد و اتمام کشف ذرات جدید نیست بلکه با بالا بردن دانش فنی در شتاب دهنده ها و دستیابی به انرژی های بالاتر برای ذرات برخورد کننده و یا حتی بالا بردن تعداد ذرات دخیل در آزمایش ها می توانیم به ذرات بنیادی جدیدتری دست یابیم.

ﻟﭙﺘﻮﻥ ﻫﺎ ﺩﺭ ﻓﻴﺰﻳﻚ ﺫﺭﺍﺕ ﺑﻨﻴﺎﺩﻱ

ﺩﺭ ﻋﻠﻢ ﻓﻴﺰﻳﻚ ﺫﺭﺍﺕ ﺑﻨﻴﺎﺩﻱ، ﻳﻚ ﺫﺭه ﺑﻨﻴﺎﺩﻱ ﺑﻪ ﺫﺭﻩﺍﻱ ﮔﻔﺘﻪ ﻣﻲﺷﻮﺩ ﻛﻪ ﻫﻴﭻ ﺳﺎﺧﺘﺎﺭ ﺩﺍﺧﻠـﻲ ﻧـﺪﺍرد.
ﻟـﺬﺍ ﺍﻳـﻦ ﺫﺭﻩ ﻳﻜـﻲ ﺍﺯ ﺑﻠـﻮ ﻙ ﻫـﺎﻱ ﺳﺎﺧﺘﻤﺎﻧﻲ ﺟﻬﺎﻥ ﺍﻃﺮﺍﻑ ﻣﺎ ﺭﺍ ﺗﺸکیل ﻣﻲ ﺩﻫﺪ.
ﺩﺭ ﺟﻬﺖ ﺍﻳﺠـﺎﺩ ﻧﻈـﻢ ﺩﺭ ﻣﺠﻤﻮﻋﻪ ﺑﺰﺭﮒ ﺍﺯ ﺫﺭﺍﺕ ﻭ ﺍﺭﺍئه ﺍﻟﮕﻮﻳﻲ ﻣﻨﺎﺳـﺐ ﺑـﺮﺍﻱ ﺗﻮﺟﻴـﻪ ﺳﺎﺯﻭﻛﺎﺭ ﺑﺮﻫﻢ ﻛﻨﺶ ﺫﺭﺍﺕ، ﻣـﺪﻝ ﻫـﺎﻱ ﻣﺘﻔـﺎﻭﺗﻲ ﺍﺭﺍﺋـﻪ ﮔﺮﺩﻳـﺪ ﻛـﻪ ﻣﻬﻤﺘﺮﻳﻦ ﺁﻧﻬﺎ ﻣﺪﻝ ﺍﺳﺘﺎﻧﺪﺍﺭﺩ است.

• 61 ﺫﺭﻩ ﺑﻨﻴﺎﺩﻱ ﺟﻬـﺎﻥ ﻣﺎ ﺭﺍ ﺗـﺸﻜﻴﻞ ﻣﻲ ﺩﻫﻨﺪ.
• ﻣﻄـﺎﺑﻖ ﺑـﺎ ﻣـﺪﻝ ﻛـﻮﺍﺭﻙ ﺩﺭ ﻧﻈﺮﻳـﻪ ﻣﺪﻝ ﺍسـﺘﺎﻧﺪﺍﺭﺩ ﻛﻮﺍﺭﻙ ﻫﺎ ﺁﺯﺍﺩﺍﻧﻪ ﺩﺭ ﻃﺒﻴﻌﺖ ﻳﺎﻓﺖ ﻧﻤﻲ ﺷﻮﻧﺪ ﺑﻠﻜﻪ ﺩﺭ ﺗﺮﻛﻴﺐ ﻫﺎﻱ ﻗﺎﺑﻞ ﻣﺸﺎﻫﺪﻩ ﻫﻤﭽﻮﻥ ﺑﺎﺭﻳﻮﻥ ﻫﺎ ﻭ ﻣﺰﻭﻥ ﻫﺎ ﻭﺟﻮﺩ ﺩﺍﺭﻧﺪ.
• ﺑﺮﺧﻼﻑ ﻛﻮﺍﺭﻙ ﻫﺎ، ﻟﭙﺘﻮﻥ ﻫﺎ ﻣﻲ ﺗﻮﺍﻧﻨﺪ ﺁﺯﺍﺩﺍﻧـﻪ ﺩﺭ ﻃﺒﻴﻌـﺖ ﻳﺎﻓـﺖ ﺷﻮﻧﺪ.
• ﻟﺬﺍ ﺁﻧﻬﺎ ﻳﻚ ﮔﺮﻭﻩ ﻣﻬﻢ ﺍﺯ ﺫﺭﺍﺕ ﺑﻨﻴﺎﺩﻱ ﻫـﺴﺘﻨﺪ ﻣﺨﺼﻮﺻﺎ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻥ ﻫﺎ که ﻳﻜﻲ ﺍﺯ ﺍﺟﺰﺍﻱ ﺍﺗﻢ ﻫﺴﺘﻨد.

ﺩﺭ ﻣﺪﻝ ﺍﺳﺘﺎﻧﺪﺍﺭﺩ، ﺷﺶ ﻟﭙﺘﻮﻥ ﻭ ﺷﺶ ﭘﺎﺩﻟﭙﺘﻮﻥ ﺩﺭ ﺳﻪ ﻧـﺴﻞ ﻇﺎﻫﺮ ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ.

• ﻧﺴﻞ ﺍﻭﻝ ﺷﺎﻣﻞ ﺍﻟﻜﺘـﺮﻭﻥ، ﭘـﻮﺯﻳﺘﺮﻭﻥ، ﻧﻮﺗﺮﻳﻨـﻮﻱ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻥ ﻭ ﭘﺎﺩﻧﻮﺗﺮﻳﻨﻮﻱ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻥ
• ﻧﺴﻞ ﺩﻭﻡ ﺷﺎﻣﻞ ﻣﻴﻮﻥ، ﭘﺎﺩﻣﻴﻮﻥ، ﻧﻮﺗﺮﻳﻨﻮﻱ ﻣﻴﻮﻥ ﻭ ﭘﺎﺩﻧﻮﺗﺮﻳﻨﻮﻱ ﻣﻴﻮﻥ
• ﻭ ﻧﺴﻞ ﺳﻮﻡ ﺷـﺎﻣﻞ ﺗـﺎﺋﻮﻥ، ﭘﺎﺩ ﺗﺎﺋﻮﻥ، ﻧﻮﺗﺮﻳﻨـﻮﻱ ﺗـﺎﺋﻮﻥ ﻭ ﭘـﺎﺩ ﻧﻮﺗﺮﻳﻨـﻮﻱ ﺗـﺎﺋﻮﻥ ﻣـﻲ ﺑﺎﺷـﺪ.

همچنین، ﻟﭙﺘﻮﻥ ﻫﺎ ﻓﺎﻗﺪ ﻋﺪﺩ ﻛﻮﺍﻧﺘـﻮﻲ “ﺑـﺎﺭ ﺭﻧﮓ ” ﻣﻲ ﺑﺎﺷـﻨﺪ ﻟـﺬﺍ ﺩﺭ ﺑــﺮﻫﻢ ﻛــﻨﺶ ﻫــﺎﻱ ﻗــﻮﻱ ﺷــﺮﻛﺖ ﻧﻤــﻲ ﻛﻨﻨــﺪ ﻭ ﺗﻨﻬــﺎ ﺍﺯ ﻃﺮﻳــﻖ ﺑﺮﻫﻢ ﻛﻨﺶ ﻫﺎﻱ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﺿﻌﻴﻒ ﺑﺮ ﻳﻜـﺪﻳﮕﺮ ﺗـﺄﺛﻴﺮ ﻣـﻲ ﮔﺬﺍﺭﻧـﺪ. ﺑـﻪ ﺧﺼﻮﺹ ﻧﻮﺗﺮﻳﻨﻮﻫﺎ ﻛﻪ ﺑﺪﻭﻥ ﺑـﺎﺭ ﺍﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ ﻫـﺴﺘﻨﺪ ﻭ ﺗﻨﻬﺎ ﺩﺭ ﺑﺮﻫﻢ ﻛﻨﺶ ﻫﺎﻱ ﺿـﻌﻴﻒ ﺷﺮﻛﺖ ﻣﻲ نمایند. ﺩﺭ ﻫـﺮ ﺑـﺮﻫﻢ ﻛـﻨﺶ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﺿﻌﻴﻒ ﻋﻼﻭﻩ ﺑﺮ ﭘﺎﻳـﺴﺘﮕﻲ ﺑـﺎﺭﺍﻟﻜﺘﺮﻳﻜﻲ، ﭘﺎﻳـﺴﺘﮕﻲ ﻋـﺪﺩ ﻟﭙﺘﻮﻧﻲ ﻧﻴﺰ ﻫﻤﻮﺍﺭﻩ ﺑﺮﻗﺮﺍﺭ ﺍﺳﺖ. ﺍﻳﻦ ﭘﺎﻳﺴﺘﮕﻲ ﺟﺪﻳﺪ ﺑﺪﻳﻦ ﻣﻌﻨـﻲ ﺍﺳﺖ ﻛﻪ ﻟﭙﺘﻮﻥ ﻫﺎ ﻭ ﭘﺎﺩ ﻟﭙﺘﻮﻥ ﻫﺎ ﻫﻤﻮﺍﺭﻩ ﺑـﻪ ﺻـﻮﺭﺕ ﺯﻭﺝ ﺍﺯ ﻳـﻚ ﻧﺴﻞ ﺩﺭ ﺑﺮﻫﻢ ﻛﻨﺶ ﺷﺮﻛﺖ ﻣﻲ ﻛﻨﻨد.

ذرات بنیادین در فیزیک نوین

مفهوم «ذره بنیادین» باز به مفهوم «اتم» به معنی تجزیه ناپـذیر در فلسـفه اتمیسـتهـای یونان بر میگردد. در قرن هفدهم مفهوم اتـم را «پیـر گاسـندی» دوبـاره در مقابـل فیزیـک ارسطویی، به فیزیک بازگراند و ذره گرایی یکی از پایه های علم جدید شد. مطابق با دیـدگاه ذره گرایی جهان تشکیل شده است از خلأ و ملأ. ملأ همان مادهای است که از ذرات بسـیار ریز غیر قابل مشاهده، غیر قابل تجزیه، ازلی و فنا ناپذیر تشکیل شـده و مـلأ مـیتوانـد در فضای تهی خلأ جابجا شود و حرکت از طریق فضای تهی کـه میـان اتـمهـا وجـود دارد، امکانپذیر است.
ولی پیشرفت علم فیزیک نشان داد که اتمها بر خـلاف تصـور معمـول ونامگذاریشان، تجزیه پذیرند و خود از ذرات کوچکتری تشکیل شده اند. تا اوایل قرن بیستم سه ذره تشکیل دهنده اتم یعنی الکترون، پروتون و نوترون، شناسـایی شـدند.
از طرف نـیلس بور مدلی پیشنهاد شد که توصیف آن از سـاختار اتـم، اصـول فیزیـک کلاسـیک را نقـض میکرد و این یکی از نخستین افق های نظریـه ای جدیـد را، در اوایـل قـرن بیسـتم، نمایـان میکرد که فیزیک کوانتوم نامگذاری شد. جالب آنکه چند سال قبل از مدل اتمـی بـور، در حوزه مطالعات رفتار نور، آلبرت اینشتین نشان داده بود برای اینکه بتوان برخی از آزمایشات مربوط به اثر نور را تفسیر کرد باید آنرا متشکل از بسته های انرژی (فوتون) در نظـر گرفـت یعنی پرتوهای نور، جریانی از کوانتومهای انرژی اند، که مانند ذره عمـل می کننـد. ایـن در حالی بود که در بیشتر آزمایشها (مانند تداخل)، نور رفتاری موجی دارد. با ایـن وجـود در واقع نظریه کوانتوم چندی قبل و در نتیجه ناتوانی فیزیک کلاسیک در توجیه تـابش جسـم سیاه شروع شده بود.

نظریه انفجار بزرگ

نظریه کوانتوم همراه با نظریه نسبیت پایه های فیزیک جدید را تشکیل میدهند. در حالی که حوزه اطلاق کوانتوم، ذرات زیر اتمی و میکروسکوپیک است. نسبیت بـه بررسی رفتـار ماده در سرعتهای بالا و نزدیک به سرعت نور مربوط میشود. دو نظریـه فـوق در حـوزه مطالعه ذرات بنیادین به ظهور نظریه جدیدی در فیزیک انجامید که «نظریه انفجار بزرگ» نام گرفت. این نظریه که در دهه ی1950 از طرف جرج گاموف مطرح شد، اظهار می داشت که چشم انداز دنیای فیزیک، شباهت بـه جهـانی دارد کـه در آن انفجاری رخ داده و عالمی
از ذرات بنیادین در دمای بسیار بالا از ماده یا انرژی اولیه به وجود آمده باشـند.

هرچـه جلـوتر می رفتند این نظریه بیشتر تقویت می شد. نظریه «انفجار بزرگ» بیان میکند که کیهان از یـک وضعیت بسیار چگال (متراکم) نخستین با یک انفجارعظـیم آغـاز شـده کـه در ابتـدا دمـا فوق العاده بالا بوده است و با گذشت زمان کیهان انبساط یافته و دمای آن رو به کاهش نهـاده و شرایط برای ایجاد ذرات بنیادین از انرژی اولیه فراهم شده است. با ادامه کاهش دما، ذرات بنیادین اولیه به هم نزدیک شده اند و ابتدا اتم های سبک و بعد اتمهای سنگینتـر بـه وجـود آمده اند و در نهایت جهان به صورت کنونی در آمده است. دمای جهان در حال حاضر بعـد از حدود 8/13 میلیارد سال، بسیار سرد و حدود سه درجه کلوین میباشـد. «نظریـه انفجـار بزرگ» نتیجه مستقیم تحقیق در مورد ذرات بنیادین است.(بیزونسکی، 1385 :252).

ذرات بنیادی (جوهره ی انرژی)

همچنین، ذرات بنیادی در فیزیک نوین، به معنای محدودی که دارای یک سری ویژگی هسـتند، جرم دارند. از آنجایی که مطابق با نظریه نسبیت، جرم و انرژی اساساً یک مفهوم اند، می توان گفت هر ذره بنیادین حاوی انرژی است. اگر بتوان انرژی را جـوهر کیهـان نامیـد، انـرژی همان ویژگی بقا را دارد که جوهر را با آن توصیف میکنند. پس جرم هر ذره بنیادین را به همان اندازه جوهر اولیه جهان، میتوان معرف انرژی تفسیر نمود. از اینجا مـیتـوان نتیجـه گرفت که ذرات بنیادین مانند جوهر فرد دارای جنس و جوهر یکسـانی هسـتند.

از طـرف دیگر همه ماده و انرژی جهان محسوس بنابر نظریه انفجار بزرگ از یک انرژی اولیـه ای بـه وجود آمده اند که با «عدم» یا ماده ازلی افلاطون قابل قیاس است. جوهر فرد که از عدم بـه وجود می آید و دوباره میتواند به عدم تبدیل شود در فیزیک نوین نیز، طبق قانون پایستگی ماده و انرژی، ذرات می توانند از انرژی به وجود آیند و دوباره به انرژی تبدیل شـوند. مـثلاً یک فوتون پرتو گاما به شرط داشتن انرژی کافی در اثر اندرکنش بـا یـک هسـته سـنگین، میتواند به دو ذره مادی الکتـرون و پـوزیترون تبـدیل شـود. بـرعکس دو ذره الکتـرون و پوزیترون در اثر برخود با هم، میتوانند به انرژی (دو فوتون گاما بـا همـان انـرژی) تبـدیل شوند.
(هایزنبرگ، 1370: 61؛ وایدنر، 1365 : 179و181)