 |
|
فیزیک ذرات بنیادی
فهرست مندرجات
- دید کلی
- پیشینه‌ی تاریخی
- ذرات زیراتمی
- يادداشت‌ها
- پيوست‌ها
- پی‌نوشت‌ها
- جُستارهای وابسته
- سرچشمه‌ها
- پيوند به بيرون
فیزیک ذرات بنیادی
فیزیک ذرات بنیادی (به انگلیسی: Fundamental particle physics)، یکی از شاخه‌های علم فیزیک است، که به‌بررسی ماده در بنیادی‌ترین حالت ممکن یعنی کوچک‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده‌ی آن، که به ذرات بنیادی[۱] معروف هستند، می‌پردازد[٢].
با اضافه شدن مفهوم نیروها[٣] بررسی آن‌ها به‌صورت چند ذره دیگر و برهمکنش بین ذرات ماده و ذرات حامل نیرو بخش دیگری از فیزیک ذرات بنیادی را می‌سازد. نظریه با قبول اکثریت در این شاخه از فیزیک مدل استاندارد[۴] نامیده می‌شود.
ذرات مورد بررسی در این شاخه را می‌توان توسط آشکارسازهای ذرات[۵] نشان داد. این ذرات را به‌صورت مستقیم نمی‌توان آزمایش کرد و برای بررسی آزمایشگاهی بر روی آن‌ها از اثرات آن‌ها استفاده می‌شود. بسیاری از اثرات پیش‌بینی شده در این نظریات در انرژی‌های بالا[٦] رخ می‌هد از این‌رو به این شاخه فیزیک انرژی‌های بالا نیز گفته می‌شود[٧].
| ▲ | دید کلی |
ماده از چه چیزی ساخته شده است؟ امروزه مدت زیادی نگذشته که ثابت شده تمامی مواد از مولکول‌ها، مولکول‌ها هم از اتم‌ها، اتم‌ها از هسته‌ها و الکترون‌ها و هسته‌ها از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده‌اند؛ اما پروتون‌ها و نوترون‌ها و الکترون‌ها از چه چیزی ترکیب یافته‌اند؟ این ذرات، ذرات بنیادی یعنی ذرات غیر قابل تجزیه نام دارند. با فرض این‌که تجزیه بیشتر آن‌ها باعث می‌شود که به ذرات دیگری تبدیل شود[٨].
| ▲ | پیشینه‌ی تاریخی |
آغاز فیزیک ذرات را می‌توان به قرن ششم پیش از میلاد و کارهای فیلسوفان اتمیست نسبت داد[۹]. اما، دوره کلاسیک آن، با بررسی علمی ذرات تشکیل‌دهنده ماده در ۱۸۹۷ میلادی و کشف الکترون توسط تامسون شروع می‌شود. او مدل اتمی موسوم به مدل خمیری تامسون را معرفی کرد. با آزمایش پراکندگی رادرفورد این مدل رد شد و هسته اتم کشف گردید. رادرفورد مدل اتمی خود به‌نام مدل رادرفورد را معرفی کرد. در ۱۹۱۴، نیلز بور مدل اتمی خود را پیشنهاد کرد. توافق طیف اتم هیدروژن با نظریه بور بسیار جالب بود. در همین دوره هسته هیدروژن را پروتون نامیدند، اما قادر به توضیح عدد اتمی عناصر دیگر نشدند. سرانجام با کشف نوترون توسط چادویک در سال ۱۹۳۲ دوره کلاسیک ذرات بنیادی به پایان رسید.
بین سال‌های ۱۹۳۲-۱۹۴۷ میلادی، سه مبحث مهم مطرح گشتند: مزون‌ها، پادذره‌ها و نوترینوها.
در آغاز، سوالی که پیش می‌آمد این بود که چه چیزی پروتون‌های با بار مثبت را در هسته در کنار هم نگه می‌داشت؟ در ۱۹۳۴ یوکاوا وجود نیروی قوی هسته‌ای را پیش‌بینی نمود. اینشتین قبلاً ذره‌ای را حامل نیروی الکترومغناطیسی توصیف کرده بود این ذره فوتون نام داشت. حال پرسش این بود که آیا این نیروی جدید را هم می‌شود با یک ذره حامل نشان داد؟ که یوکاوا نام ذره پیشنهادی حامل این نیرو را مزون گذاشت. در سال ۱۹۳۷ این ذره در آزمایشگاه کشف شد.
در سال ۱۹۲۷، هنگامی که دیراک معادله شرودینگر را به‌صورت نسبیتی بازنویسی کرد به‌جواب عجیبی برخورد. به ازای هر جواب مثبت انرژی، یک جواب منفی نیز به‌دست می‌آمد. دیراک این جواب‌ها را با نظریه حبابی توصیف کرد تا این‌که در دهه چهل میلادی فاینمن تعریف ساده‌تری برای این جواب ارایه داد، این جواب‌ها ذرات پادماده را توصیف می‌کردند. در ۱۹۳۱ پاد ماده الکترون، در ۱۹۵۵ پاد ماده پروتون در آزمایشگاه کشف شدند.
در سال ۱۹۳۰، بررسی واپاشی هسته خواص عجیبی را نشان می‌داد. مقداری از انرژی طی واپاشی گم می‌شد. پاولی پیش‌بینی کرد که ذره‌ای دیگر این انرژی را با خود حمل می‌کند. این ذره را نوترینو نامیدند. نوترینو سال‌ها بعد در آزمایشگاه کشف شد.
با این اکتشاف‌ها گمان می‌رفت که تمام ذرات بنیادی یافته شده و مشکل توضیح داده نشده‌ای وجود ندارد.
در ۱۹۶۱ موری گلمان روشی برای دسته‌بندی ذرات کشف شده ارایه کرد. او جدولی که که به‌نام راه هشتگانه بود را ساخت که توسط آن می‌شد ذرات بنیادی کشف شده را دسته‌بندی کرد. این کار شبیه به جدول تناوبی مندلیف بود.
بر اساس این جدول در ۱۹۶۴ گلمان و شوایگ پیشنهاد کردند که در واقع این ذرات کشف شده خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند که این ذرات را کوارک نامیدند.
مدل کوارک بسیاری از خواص ذرات را به‌درستی پیش‌بینی می‌کرد ولی بنیان تجربی برای درستی مدل کوارکی وجود نداشت[۱٠].
در اواخر قرن بیستم دانشمندان درباره ساختمان پنهانی ذرات بنیادی به یک مطالعه سیستماتیک و مداوم پرداختند. این مطالعه ابتدا از نوکلئون‌ها (اجزای هسته) یعنی پروتون‌ها و نوترون‌ها شروع شد. عموماً در فیزیک هسته‌ای این کار می‌توانست در دو خط اصلی ادامه یابد[۱۱].
در نوامبر ۱۹۷۴ دو تیم پژوهشی به‌صورت همزمان مزون جدیدی به‌نام مزون سای را کشف کردند. به این رویداد انقلاب نوامبر گفته می‌شود. بحث‌های زیادی در مورد ماهیت این ذره در گرفت ولی سر انجام تنها مدل کوارکی بود که توصیف درستی از این ذرات ارایه داد. این در واقع بر پایه چهارمین کوارکی بود که مدل کوارکی پیشنهاد می‌داد. پس از این کشف مدل کوارکی وجود شش کوارک را پیش‌بینی کرد.
در ۱۹۷۸ سرانجام یک توصیف همه‌جانبه از ذرات بنیادی به وجود آمد که با این توصیف مدل استاندارد ذرات بنیادی گفته‌می‌شود. مدل استاندارد هنوز هم در فیزیک ذرات کاربرد دارد[۱٢].
در جدیدترین پژوهش‌ها، در ژانویه ۲۰۱۳ فیزیکدانان ذرات یک گاز کوانتومی بر پایه پتاسیم ساختند. این گاز هنگامی که تحت تأثیر لیزر و میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد به دماهای منفی می‌رسد. در این دمای ترمودینامیکی، ماده شروع به بروز دادن خواص ناشناخته پیشین می‌کند[۱٣].
| ▲ | ذرات زیراتمی |
در فیزیک ذرات بنیادی ذرات زیادی مورد بررسی قرار می‌گیرند. در این‌جا، به‌طور کلی به رده‌بندی دو دسته: ذرات بنیادی و ذرات ترکیبی اشاره می‌شود.
ذرات بنیادی، شامل سه خانواده اصلی: کوارک‌ها (Quark)، لپتون‌ها (Lepton) و واسطه‌ها (Preon) است.
ذرات ترکیبی که از ترکیب کوارک‌ها می‌توان ذراتی را ساخت این ذرات هادرون نامیده می‌شوند. هادرون‌ها، خود نیز به دو دسته باریون و مزون تقسیم می‌شود[۱۴].
[▲] يادداشت‌ها
[▲] پيوست‌ها
...
[▲] پی‌نوشت‌ها
[۱]- جهان، بزرگ‌ترین مجموعه ممکن است که مواد آن از ذرات بنیادی (به انگلیسی: Elementary particle) شکل یافته است. این ذرات توسط نیروهای گرانشی، الکترومغناطیسی و هسته‌ای به هم پیوند یافته‌اند. سلسله مراتب ساختمانی آن در فضا ( از هسته‌های اتم گرفته تا ابر کهکشان‌ها) و سیر تکاملی آن (از گوی آتشین تا اشکال کنونی) توسط ویژگی‌های ذرات بنیادی و برهمکنش آن‌ها اداره می‌شود.
ذرات بنیادی ماده، از نظر تعداد و نحوه‌ی جفت‌وجور شدن با هم تفاوت دارند. بنابراین، وجود ذرات بنیادی باید در تمام پدیده‌های جهان ملموس باشد. فیزیک ذرات بنیادی درک عمیق‌تر و دید بالایی را در مورد ساختمان و تکامل اجسام منفرد مانند اتم‌ها، مولکول‌ها، بلورها، صخره‌ها، سیارات، ستارگان، منظومه‌های ستاره‌ای و کل جهان ارائه می‌دهد. برای همین مطالعه ذرات بنیادی برای فیزیک معاصر و به‌خصوص اختر فیزیک و کیهان‌شناسی اهمیت اساسی دارد.[٢]- در این شاخه از فیزیک به بررسی این که ماده از چه چیزی ساخته شده است، پرداخته می‌شود.
[٣]- نیرو در فیزیک کمیتی برداری است که باعث شتاب گرفتن اجسام می‌شود. نیرو را به‌طور شهودی می‌توان با کشیدن یا هُل‌دادن توصیف کرد. شتاب جسم متناسب است با جمع برداری همهٔ نیروهای وارد بر جسم. در یک جسم صُلب (یعنی جسمی که ابعادش در فضا گسترده است و نمی‌توان آن را با یک نقطه تقریب زد) نیرو می‌تواند جسم را بچرخاند، تغییرشکل دهد یا فشار وارد بر آن را بیفزاید. اثرات چرخشی با گشتاور و تغییر شکل یا فشار با تنش توصیف می‌شوند.
[۴]-رده‌بندی ذرات به‌صورتی خاص که اکنون برای توصیف ذرات بنیادی به‌کار می‌رود را مدل استاندارد می‌گویند. بر اساس مدل استاندارد (ذرات بنیادی) ماده از ۶۱ ذره تشکیل شده که این ذرات در سه دسته قرار می‌گیرند: لپتون‌ها، کوارک‌ها و واسطه‌ها (میانجی‌ها).
مدل استاندارد برهمكنش‌های قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف بنیادی را با به‌کارگیری نظریه میدان‌های کوانتومی بیان می‌کند.[۵]-
[٦]-
[٧]- فیزیک ذرات، از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
[٨]- فیزیک ذرات بنیادی، دانشنامۀ رشد
[۹]-
[۱٠]-
[۱۱]-
[۱٢]-
[۱٣]-
[۱۴]-
[▲] جُستارهای وابسته
□
□
□
[▲] سرچشمه‌ها
□
□
□
□
[▲] پيوند به بیرون
□ [۱ ٢ ٣ ۴ ۵ ٦ ٧ ٨ ٩ ۱٠ ۱۱ ۱٢ ۱٣ ۱۴ ۱۵ ۱٦ ۱٧ ۱٨ ۱۹ ٢٠]
رده‌ها: │ ...
