ه‍.ش. ۱۳۹۵ مهر ۳, شنبه

مدل استاندارد ذرات بنیادی

از: دانشنامه‌ی آریانا

مدل استاندارد ذرات بنیادی


فهرست مندرجات

.



مدل استاندارد ذرات بنیادی

برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگ، روی تصویر کلیک کنید.

سال‌ها تلاش دانشمندان در کاوش دنیای زیراتمی منجر به ارایه مدل استاندارد ذرات بنیادی شده است که بر اساس آن، بنیادی‌ترین ذرات تشکیل‌دهنده عالم، نیروهای حاکم بر تمام رویدادها و سازوکار آن‌ها مشخص شده است.

در طول این نیم قرن، فیزیک‌دانان متعددی به خطر مشارکت در تکمیل مدل استاندارد ذرات بنیادی موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شده‌اند. همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، مدل استاندارد به‌خوبی فرآیندهای حاکم بر اغلب رویدادهای این عالم را توضیح می‌دهد، اما هنوز سوالات بدون پاسخی باقی مانده که امید می‌رود تلاش فیزیک‌دانان در سال‌های آینده به روشن شدن وضعیت آن‌ها منجر شود.

ذره بنیادی (Fundamental particle یا Elementary particle)، ذره‌ای است که هنوز ساختار داخلی آن مشخص نشده باشد. این ذرات متشکل از فرمیون‌های بنیادی (Fermions که ماده و پاد ماده را می‌سازند) و بوزون‌های بنیادی (Bosons که بیشتر حامل نیروهای طبیعت هستند) می‌شوند. هر ذره‌ای که از چند ذره بنیادی تشکیل شده باشد یک ذره ترکیبی (Composite particle) است.

در فیزیک ذرات بنیادی (Fundamental particle physics)، رده‌بندی ذرات به‌صورتی خاص که اکنون برای توصیف ذرات بنیادی به‌کار می‌رود را (Standard Model) می‌گویند. بر اساس مدل استاندارد ذرات بنیادی، ماده از ۱٦ ذره تشکیل شده که این ذرات در سه دسته قرار می‌گیرند: لپتون‌ها (Leptons)، کوارک‌ها (Quarks) و واسطه‌ها (Bosons).


ذرات زیراتمی

ذرات زیراتمی (Subatomic particles)، در فیزیک به ذرات کوچک‌تر از اتم گفته می‌شود. این ذرات به دو دسته ذرات بنیادی (Elementary particle) و ذرات ترکیبی (Composite particles) تقسیم می‌شود. فیزیک ذرات (Particle physics) و فیزیک هسته‌ای (Nuclear physics) بخشی از فیزیک هستند که به مطالعه این ذرات می‌پردازند.

معروف‌ترین ذرات زیراتمی الکترون‌ها (Electrons)، پروتون‌ها (Protons) و نوترون‌ها (Neutrons) هستند. الکترون ذره‌ی بنیادی و غیرقابل تقسیم می‌باشد و پروتون و نوترون ذرات ترکیبی هستند که از سه کوارک تشکیل شده‌اند.

الکترون‌ (Electron): (با نماد e یا β) یک ذره زیر اتمی پایدار با بار الکتریکی منفی ۱،٦٠٢×۱٠-۱۹ کولن و جرم در حال سکون ۹،۱٠۹×۱٠-٣۱ کیلوگرم - در سامانه‌ی متریک - (تقریباً برابر با ۱/۱۸۳٦ جرم پروتون) است که به نسل نخست از خانواده لپتون‌ها تعلق دارند و به‌طور عمومی به‌عنوان ذره بنیادی شناخته می‌شوند زیرا هیچ جز و زیرساختار تشکیل‌دهنده شناخته‌شده‌ای ندارند. الکترون‌ها در همه اتم‌ها وجود دارند و در لایه‌های خاصی به دور هسته‌ی اتم می‌چرخند.

پروتون‌ (Proton): (با نماد p+ یا N+)، یک ذره زیر اتمی با بار مثبت است که بخشی از ذرات درون هسته‌ای هر اتم را تشکیل می‌دهد و جرم آن ۱۸۳۷ برابر جرم الکترون یا ۱،٦۷٢٦×۱٠-٢۷ کیلوگرم - در سامانه‌ی متریک - است.

بر اساس قوانین پایستگی و به‌علت آن‌که پروتون سبک‌‌ترین باریون است، پایدار است. اما براساس نظریه وحدت بزرگ این ذره عمر ۱٫٦‎×۱۰۳۰ سال داشته و بعد از این مدت به پوزیترون و پیون صفر تبدیل می‌شود.

پروتون، فرمیونی با اسپین ۱/٢ است که از سه کوارک تشکیل شده است. دو کوارک بالا و یک کوارک پایین درون پروتون با نیروی قوی هسته‌ای در کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند.

نوترون‌ (Neutron): (با نماد n)، یک ذره زیر اتمی دارای بار الکتریکی خنثی است که بخشی از ذرات درون هسته‌ای هر اتم می‌باشد و به همراه پروتون در داخل هسته‌ی اتم اصل جرم اتم را تشکیل می‌دهند. جرم مطلق نوترون ۱٬٦۷۴۸۲×۱٠-٢۷ کیلوگرم و جرم نسبی آن ۱٬۰۰۸٦٦۵۴۱ است که از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین ساخته شده است.

پروتون و نوترون ذرات ترکیبی هستند و چنان‌که در بالا گفته شد، از کوارک تشکیل شده‌اند. پرتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین، و نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین ساخته شده‌اند؛ کوارک‌ها به‌وسیله گلوئون به‌هم می‌چسبند. شش نوع کوارک متفاوت وجود دارد: بالا، پایین، سر، ته، افسون و شگفت.

ذرات زیراتمی
ذرات زیراتمی ساختار کوارکی پروتون ساختار کوارکی نوترون
ساختار ذرات زیراتمی

ساختار کوارکی پروتون

ساختار کوارکی نوترون

دیگر ذرات زیراتمی فوتون و نوترینو هستند که توسط خورشید ایجاد می‌‌شوند. بیشتر ذرات زیراتمی از طریق بررسی پرتو کیهانی کشف شده‌اند و از آن‌ها در شتاب‌دهنده‌ها استفاده می‌‌شود.


ذرات بنیادی

فيزيك ذرات بنيادی بخشی از فيزيك است. موضوع مورد مطالعه‌ی فيزيكدانان ذرات بنيادی اين است كه بدانند جهان از چه ذراتی ساخته شده و اين ذرات چگونه در كنش با يكديگر هستند. بنابراین، فیزیک ذرات، ناب‌ترین تجلی کنجکاوی آدمی است نسبت به جهانی که در آن می‌‌زید. اما اين ذرات چه هستند؟

گیتی بزرگ از تکه‌های کوچک پدید آمده است که از هیچ ذره‌ی کوچک‌تری ساخته نشده یا هنوز ساختار داخلی آن‌ها مشخص نشده است. این تکه‌های بسیار کوچک (ذره)، در واقع، ذرات بنیادی هستند. مدل استاندارد در حال حاضر نظریه اصلی و مورد پذیرش جامعه علمی در مورد ذرات بنیادی می‌باشد.

با این حال، دموکریتوس، از آخرین فیلسوفان یونانی پیش از سقراط، پیشنهاد کرد که هر چیزی از تکه‌های تفکیک‌ناپذیر ریز معینی ساخته می‌شود؛ وی آن‌ها را «اتم» نامید. جان دالتون، شیمیدان و فیزیکدان بریتانیایی، که در اوایل دهه‌ی ۱۸۰۰، کار می‌کرد، برای اشاره به تکه‌هایی که عناصر شیمیایی را تعریف می‌کند، این نام را به‌کار برد. تا حدود سال ۱۹۰۰، تصور می‌شد كه اتم سنگ‌بنای جهان است و غيرقابل تجزيه می‌باشد. اما به‌زودی مشخص شد كه چیزی که به‌عنوان اتم شناخته می‌شود، به‌هیچ‌روی تفکیک‌ناپذیر نیست.

امروزه بدیهی است که ماده از اتم ساخته می‌شود و اتم‌ها خود از هسته‌ی دارای پروتون‌ها و نوترون‌ها ساخته شده‌اند، که در پیرامونش دسته‌ای از الکترون‌ها می‌چرخند. هم‌چنین پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز از تکه‌هایی کوچک‌تری به‌نام «کوارک» ساخته شده‌اند. در حال حاضر، الکترون‌ها و کوارک‌ها همان ذرات ریز تفکیک‌ناپذیر هستند که آن‌ها را «ذرات بنیادی» می‌نامند. اما ذرات بنيادی ديده نمی‌شوند. فقط از اثری كه می‌گذارند و يا پديده‌هايی را كه سبب می‌شوند، پی به‌وجودشان برده می‌شود.

در آغاز تصور می‌شد که در کل، برای ساختن هر دانه‌ی ماده که در جهان وجود دارد، به تنها سه ذره‌ی بنیادی نیاز است: دو نوع کوارک - با نام‌های سرخوشانه‌ی «بالا» و «پایین» - و الکترون‌ها. ولی فرکاستن جهان تنها به سه ذره، اندکی اغراق‌آمیز است. در حالی‌که الکترون‌ها و کوارک‌های بالا و پایین برای توضیح‌دادن بسیاری از پدیده‌های مادی کفایت می‌کنند، تنها ذرات بنیادی نیستند. در واقع، دوازده نوع ذره‌ی متفاوت از ماده وجود دارد: شش کوارک که به شدت برهم‌کنش دارند و درون مجموعه‌ای بزرگ‌تر مانند هسته‌ی اتم گیر افتاده‌اند، و شش «لپتون» که می‌توانند آزادانه و تکی در فضا حرکت کنند. هم‌چنین ذرات حامل نیرو وجود دارد که در آمیزه‌های گوناگون، آن‌ها را کنار هم نگه می‌دارد. بدین ترتیب، سرانجام فيزيكدانان ذرات سازنده‌ی ماده را به دو دسته: لپتون‌ها و كوارك‌ها تقسيم كردند. اما این پایان کار نیست.

چنان‌که در بالا اشاره شد، بر اساس مدل استاندارد ذرات بنیادی، ماده از ۱٦ ذره تشکیل شده که این ذرات در سه دسته قرار می‌گیرند:
  • شش عدد كوارك (Quark)، که به طعم (flavor) شهرت دارند: بالا (up)، پایین (down)، افسون (charm)، شگفت (strange)، سر (top) و ته (bottom)
  • شش عدد لپتون (Lepton): نوترینو، لپتون تاو، میون، پوزیترون و الکترون
  • چهار واسطه (بوزون) كه نیروها را حمل می‌كنند.
مدل استاندارد ذرات بنیادی

به‌طور كلی ذراتی كه ماده را می‌سازند فرمیون (Fermion) و ذراتی كه نیروها را حمل می‌كنند، بوزون (Boson) نامیده می‌شوند.


[] يادداشت‌ها

يادداشت ۱: اين مقاله برای دانش‌نامه‌ی آريانا توسط مهدیزاده کابلی گردآوری و نگارش شده است.


[] پی‌نوشت‌ها

[۱]-


[] جُستارهای وابسته




[] سرچشمه‌ها