به دنبال ذره‌های ماده

فیزیکدانان در فرمیلاب واقع در ایالت ایلینوی امریکا، می‌کوشند تا آخرین ذره ماده را آشکار کنند. آنچه در ذیل می‌آید شرحی است در این زمینه.
نظر مرسوم در فیزیک بنیادی بدین گونه است که همه‌ی عالم اساسا از دو نوع ذره تشکیل یافته است. لپتون‌ها و کوارک‌ها. هر ذره خود مرکب از سه جفت ذره است و به هر جفت عنوان یک طعم اطلاق می‌شود.
سه طعم لپتون‌ها عبارتند از: 1.الکترون و نوترینوی آن. 2.میون و نوترینوی آن. 3.تورون و نوترینوی آن. که به شش لپتون بالغ می‌شود. هر ذره تصویر آینه‌ای یا ضد ذره خود را دارد، پس مجموعاً دوازده لپتون داریم. همه‌ی این ذرات کشف شده‌اند، و اخیراً فیزیکدانان، بیشتر از طریق استدلال و برهان، به این نتیجه رسیده‌اند که فقط این سه طعم لپتون وجود دارند. از همه‌ی این طعم‌ها آگاهیم! (از میان طعم‌های لپتون‌ها، الکترون ونوترینوی آ> تنها ذرات مهم در جهان روزمره‌ی ما هستند، اما فیزیکدادان به همه‌ی طعم‌ها توجه دارند وهمه‌ی آن‌ها را اجزای ناگزیر گیتی به شمار می‌آورند).
از نظر فیزیکدانان مسئله تقارن بسیار اهمیت دارد، لذا آنان عقیده دارند که چند و چون لپتون‌ها باید در نوع دیگر ذره ماده، یعنی کوارک‌ها نیز از سه طعم تشکیل یافته‌اند: 1.کوارک بالا و کوارک پایین. 2.کوارک شگفت و کوارک افسون. 3.کوارک سر و کوارک ته. هر ذره کوارک تصویر آینه یا ضد ذره خود را دارد، بنابراین مجموعا دوازده کوارک داریم.
کوارک‌ها هرگز به صورت ذرات منفرد آشکار نشده‌اند و احتمالاً هیچ گاه آشکار نخواهند شد. کوارک‌ها به صورت دسته‌های دوتایی و سه‌تایی محکم به هم می‌چسبند و نمی‌توان آن‌ها را از هم جدا کرد.
زمانی که کوارک‌ها به هم می‌پیوندند، سایر ذرات پیچیده را (که بیش از صد نوع از آن‌ها شناخته شده‌اند) تشکیل می‌دهند و با بهره‌گیری از خواص این ذرات بزرگتر، خواص کوارک‌های سازنده معلوم می‌شود. کوارک بالا و کوارک پایین، نخستین طعم‌ها به شمار می‌آیند. این کوارک‌ها تنها ذرات مهم در جهان روزمره ما هستند، زیرا ساختار پروتون‌ها و نوترون‌ها را که در هسته‌ی اتمی یافت می‌شوند، کوارک بالا و کوارک پایین تشکیل می‌دهند. فیزیکدانان در این مورد نیز به همه طعم‌های کوارک‌ها توجه دارند.
با استفاده از ذراتی که از کوارک‌ها تشکیل یافته‌اند، استنتاج جرم (یا اگر بتوان گفت، "سنگینی") هر کوارک منفرد امکانپذیر است. روی هم رفته، کوارک‌ها نسبت به لپتون‌ها جرم بیشتری دارند. این مسئله اهمیت زیادی دارد، زیرا جرم شکلی از انرژی است و هر اندازه جرم یک ذره بیشتر باشد، دستیابی به آن در دستگاه‌های جدید اتم شکافت، محتاج به انرژی بیشتری دارد و آشکارسازی آن بسیار مشکل است.
کوارک بالا که کمترین جرم را دارد، جرمی قریب پنج برابر جرم الکترون را داراست و جرم کوارک پایین حدوداً هفت برابر جرم الکترون می‌شود. اینها جرم‌های اندکی هستند. پس از آنکه کوارک‌ها برای نخستین بار در سال 1963، توسط موری گلمان کشف شدند، کوارک بالا و کوارک پایین نیز شناخته شده‌اند. موری گلمان به خاطر این کار به دریافت جایزه‌ی نوبل نایل آمد.
دومین طعم کوارک، یعنی کوارک شگفت که از سال 1963 شناخته شد، جرمی در جدود 150 برابر جرم الکترون را داراست. با این حال جرم کوارک افسون 1500 برابر جرم الکترون است و هر ذره‌ای که متشکل از کوارک افسون باشد باید جرم بیشتری نیز داشته باشد و بنابراین امکان تشکیل آن بسیار دشوار است. ذراتی که شامل کوارک‌های افسون هستند، در سال 1974 توسط برتن ریکتر و ساموئل تینگ کشف گردیدند. آنان به خاطر موفقیت در این کار جایزه نوبل گرفتند.
سرانجام، به سومین طعم کوارک‌ها می‌رسیم. کوارک ته در سال 1978 کشف شد. این کوارک جرمی قریب پنج هزار برابر جرم الکترون دارد.
پس باید کوارک سر را کشف کرد. از میان لپتون‌ها و کوارک‌ها، کوارک سر آخرین ذره محسوب می‌شود، تنها ذره‌ای که فعلا آشکار نشده است. فیزیکدانان به وجود این ذره متقاعد شده‌اند، اما می‌خواهند ذره‌ای را کشف یا فراهم کنند که واقعاً کوارک سر در خود داشته باشد.
مشکل اینجاست که فیزیکدانان گمان می‌کنند جرم کوارک سر لااقل 45هزار برابر جرم الکترون است و آشکارسازی این مقدار جرم نیازمند بیشترین مقدار انرژی است که فقط بزرگترین دستگاه‌های اتم شکافت جهان قادر به ایجاد آن هستند.
می‌توان چنین کرد. برخی ذرات به نام ذرات w، در واقع اجزای سازنده‌ی ماده به شمار نمی‌آیند، اما وجود آن‌ها لازم است تا ذرات دیگر ماده برهمکنش پیدا کنند. برآورد می‌شود که این ذرات w جرمی معادل کوارک سر را دارا باشند. ذره‌ی w در سال 1983 توسط کارلی روبیا کشف شد و او جایزه‌ی نوبل گرفت.
فیزیکدانان، هم در فرمیلاب و هم در آزمایشگاه CERN (شورای اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای) در ژنو، سوئیس، به جستجوی ذرات w پرداختندو CERN مسابقه را برد. فیزیکدانان آزمایشگاه فرمیلاب مشتاق هستند که در مسابقه بعدی برنده باشند. از اوایل ژوئن سال 1991، آنان ذرات ماده را در سطوح بالاتر انرژی شکافته و خرد کرده‌اند و امیدوارند ذراتی را که متشکل از کوارک‌های سر باشند، در میان ذرات خرد شکافته کشف کنند.
اگر آنان موفق به کشف کوارک سر نشوند، فیزیکدانان در مورد تمام ساختار ماده که با رنج و تلاش سر هم بندی کرده‌اند، برآشفته خواهند شد.
اما آیا کوارک سر براستی آخرین ذره‌ی ماده است؟ احتمالاً چنین نیست. همبسته با ذرات w که در بالا به آن‌ها اشاره شد ذره‌ی "هیگز" وجود دارد که در مورد آن اطلاعات بسیار ناچیزی داریم. این ذره تا کنون آشکار نشده است. البته شاید ذرات دیگری وجود داشته باشند که فیزیکدانان تا کنون در مورد آن‌ها فقط اندیشه ورزیده‌اند.