در شهر صنعتی بریستول در جنوب غربی بریتانیای کبیر، دانشگاه بریستول روی تپه ی کوچکی بالای بندری قدیمی واقع است. در این دانشگاه بود که در سال 1928، سیسیل فرانک پاولِ جوان، برخاسته از خانواده ای فقیر، به عنوان استادیار پروفسور آ. ام. تیندال (1) مشغول به کار شد. مهارت دستی و خلاقیت تجربی او فوراً مورد توجه قرار گرفت. او مردی سختکوش، کم حرف و در نتیجه گیریهایش محتاط بود. پاول یک دوره ی کارورزی را در آزمایشگاه راترفورد، زیر نظر سی. تی. آر. ویلسون، مخترع اتاقک ابر که به نام او نامگذاری شده است، گذرانیده بود.
چند سال بعد تصمیم گرفته شد که آزمایشگاه اچ. اچ. ویلز (2) بریستول هم در قلمرو فیزیک هسته ای فعال بشود. مسئولان آزمایشگاه فکر می کردند که آزمایشگاهشان شهرت بین المللی پیدا نخواهد کرد مگر آنکه در این رشته از فیزیک فعالیت کند. یک شتاب دهنده ی کوچک ساخته شد و یک اتاقک ابر مستقر گردید.
باری، در 1937 به طور تصادفی توجه پاول به مقاله ای از پژوهشگران اتریشی، م. بلو (3) و وامباخر (4) جلب شد که ردّ یک پرتوکیهانی را در یک امولسیون (5) (= فیلم) عکاسی نشان می داد که در قلّه ی کوه بلندی گرفته شده بود. فایده ی بالقوه ی استفاده از امولسیون برای ردیابی ذرات، فوراً توجهش را جلب کرد و با وجود شک وتردید پژوهشگران آزمایشگاههای دیگر، او تمام نیرویش را صرف شرح و بسط آن کرد.
وقتی ذره ای با بار الکتریکی از یک امولسیون عکاسی عبور می کند، در مسیرش زوجهای یونهای باردار تولید می کند، درست شبیه آنچه که در گاز اتاقک ابر تولید می کند. هر زوج از یک الکترون و از یک اتم یونیده ی ماده عبور یافته، تشکیل شده است. تولید این زوج یونها، امولسیون عکاسی را متأثر می کند: کریستالهای برومور نقره ی موجود در ژلاتین، امولسیون را فعال می کند، ظهور فیلم عکاسی امکان می دهد که این «تصویر پنهان»، ظاهر گردد، یعنی نقره ی فلزی برمور نقره از کریستالهای متأثر شده و نه از کریستالهای دیگر، آزاد شود. سپس عمل تثبیت، امکان حل کردن برومور نقره ی باقیمانده ی غیرفعال را می دهد، و پس از شست وشو و خشک کردن، مسیر ذره به صورت تسبیحی از دانه های نقره ای در عبور از امولسیون ظاهر می شود. چگالی دانه های نقره و طول مسیر با انرژی رها شده، متناسب است. باید توجه داشت که امولسیون، ماده ای بسیار پرچگال تر از یک گاز است و اینکه طول مسیر عموماً از چند میلیمتر یا حتی از چند دهم میلیمتر بیشتر نیست؛ بنابراین، می تواند تماماً در لایه ی حساس گنجیده شده باشد، و می توان آن را زیر یک میکروسکوپ مجهز مشاهده کرد. امولسیون عکاسی، وقتی مدت زمانی در معرض تابش قرار گرفت، به مقدار ضعیفی مسیرهای همه ی ذراتی را که از آن در طول مدت اکسپوزیسیون و قبل از ظهور، عبور کرده اند دربردارد. برهم کنشی یک ذره با هسته ی یک اتم امولسیون به صورت یک «رویداد» با دو یا چند شاخه که به زبان خودمانی ستاره نامیده می شود، ظاهر می گردد.
پاول از 1938 تجربیاتش را با قراردادن امولسیونها در معرض باریکه های شتاب دهنده ی کوچکش آغاز کرد. یک سال بعد، سفارش خرید میکروسکوپهای پیشرفته ی لیتز (6) آلمانی را داد و عده ای زن جوان را به همکاری دعوت کرد که هیچ آشنایی قبلی با فیزیک نداشتند. اما پس از یک آموزش کوتاه مدت می توانستند با مهارت کامل یک امولسیون را زیر میکروسکوپ برای ردیابی مسیر ذرات و ستاره ها که در مجموع کار زیادی طلب می کرد، بررسی کنند. خوشبختانه در ابتدای کار، پاول آن مقاله هایی را که استفاده از امولسیونهای عکاسی در فیزیک هسته ای را رد می کردند، نخوانده بود. وقتی که فرصت خواندن آنها را پیدا کرد، دریافت که نتیجه گیریهایشان غلط است: برای آنکه قواعد روش کمّی مراعات شود لازم است که امولسیونهای مخصوصی برای این نوع آزمایشها ساخته شود، و مراحل ظهور، تثبیت و ردیابی با دقتی خاص اجرا گردد، و بالاخره باید از میکروسکوپهای کاملاً مجهز استفاده کرد ــ کارهایی که هیچ کس پیش از او نکرده بود. باید امولسیونها را عیارگیری کرد، علت چروکیدن آنها را به وقت خشکاندن شناخت، طول ردها و جهت آنها را اندازه گیری کرد. تعداد دانه های نقره ای در طول مسیر را شمرد. از تکنیک امولسیونها در زمان جنگ برای اندازه گیری طیفهای انرژی نوترونها با واسطه ی پروتونهای پس زده در امولسیون که از لحاظ هیدروژن غنی است، استفاده می شد.
در 1945، وزیر تدارکات انگلیس یک گروه کوچک کار تشکیل داد تا به کارخانه های سازنده ی مواد عکاسی توصیه کنند امولسیونهای مناسب برای تحقیقات هسته ای بسازند. پس از چند ماه، پاول از شرکت ایلفورد (7)، امولسیونهایی دریافت کرد که با ضخامت یک بیستم میلیمتر، مقدار برومور نقره و ژلاتین آن برابر بود. یک ذر ی باردار در ابتدای مسیر، سرعت خیلی زیادی دارد، احتمالاً نزدیک به سرعت نور. انرژی آزادشده برحسب واحد طول در پایان مسیر، وقتی که سرعت ذره کاهش می یابد، بیشتر است. به هنگام نخستین آزمایشهای بزرگ پاول، امولسیونها تنها در برابر ذرات باردار در آخرین قسمت مسیرشان حساس بودند، اما در 1948، ابتدا کداک، سپس ایلفورد، موفق به ساختن اولسیونهایی شدند که نسبت به همه ی ذرات باردار با هر سرعت اولیه ای در تمامی طول مسیرشان حساس بودند و از سوی دیگر توانستند امولسیونهایی به ضخامت نیم تا یک میلیمتر بسازند.
در پایان جنگ، پاول تحقیقات اساسیش را از سرگرفت. بزودی جنب وجوش زیاد و شور و اشتیاق فراوانی طبقه ی چهارم آزمایشگاه ویلز را دربرگرفت. عده ی بسیاری از زنان جوان «اسکینز (8)» مشغول وارسی کلیشه ها زیر میکروسکوپها بودند. در این میان، فیزیکدان ایتالیایی گی. پی. اس. اوچیالینی (9) مایه ی نشاط و هیجان گروه بود. این شخص در 1945 به بریستول آمده بود و میکروسکوپی مجهز به پروژکتور ساخته بود که آن را «تله پانتو (10)» (همه چیز را می بینم) می نامید. درهای آزمایشگاه به روی فیزیکدانهای خارجی باز بود. روح همکاری گروهی بر فضای آزمایشگاه مسلط بود و هیچ کس برای ادامه دادن کار تا دیر وقت شب تردید نمی کرد. موضوع نخستین کارهای تحقیقی عیارگیری کمّی، امولسیونها بود. از میدانهای مشاهده ی متوالیِ زیر میکروسکوپ، شامل مسیرهای حتی خمیده عکسبرداری می شد، سپس پهلو به پهلو کنار هم چیده می شدند تا موزائیکی ساخته شود که امکان می داد هر رویداد، بازسازی گردد.
یک مشکل فنی مانده بود که باید حل می شد و آن، پاک شدن تدریجی تصویر پنهان از امولسیونهای متأثر شده ای بود که چند هفته ای بدون ظاهر کردن نگهداری می شد. فیزیکدان جوان برزیلی سزار م. ج. لاتس (11) از شرکت ایلفورد خواسته بود امولسیونهایی با ترکیب بوره (= بوراکس) برای مطالعه ی نوترونها بسازد: نوترونها به آسانی با بور10 برهم کنشی دارد و سه ذره ی باردار می دهد که هر سه در امولسیون، قابل مشاهده اند. لاتس می خواست بدین وسیله انرژی و جهت نوترونهای تابشی را تعیین کند. گروه تحقیقاتی بریسول با شگفتی دریافت که بوره به طرز چشمگیری پاک شدگی تصویرها را کاهش می دهد. یک سری امولسیونهای بوره دار که به مدت یک ماه در قله ی پیک دومیدی (12) کوههای پیرنه در معرض تابشهای کیهانی بودند، پس از ظهور، تعداد رویدادهای ناشی از تابشهای کیهانی را که نشان دادند، خیلی بیشتر و متنوع تر از معمول بود. پاول در شرح حالش روایت می کند که «حالت شخصی را داشتم که در باغ حفاظت شده ای رخنه کرده است. در آنجا همه ی درختان محافظت شده گل داده بودند و همه ی میوه های عجیب به وفور یافت می شد».
(توضیح تصویر): نخستین مشاهده در یک امولسیون عکاسی، فروپاشی یک مزون (π) به میون (در نقطه ی A). نوترینوی گسیل شده به هنگام واپاشی، رد برجا نمی گذارد. میون تشکیل شده در نقطه ی B متوقف می شود.
(لاتس، مورهد، اوچیالینی و پاول [1947]).
در بهار 1947 هستیم. آزمایشگاه بلافاصله سراپا برای مطالعه ی این سری جدید امولسیونها بسیج شده است. چند روزی نگذشته که یکی از زنان جوان آزمایشگاه، ماریتا کورز (13)، رویدادی غیرعادی پیدا می کند. او فیزیکدانها را صدا می زند و می گوید: «نگاه کنید، چه رد عجیبی!» همه هیجان زده می شوند. قضیه، دو ذره ی متفاوت بود؛ یکی به دنبال دیگری. ذره ی اولی یک مزون بود و می شد پایان مسیرش را با افزایش قابل توجه چگالی دانه ی نقره تشخیص داد که سپس، از مبدأ این انتهای مسیر به عقب برگشته است، رد دوم، مربوط به یک مزون دوم بود که مسیر آن حدود 0/6 میلیمتر طول داشت و با یک انرژی چند میلیون الکترون ــ ولت متناظر بود.
اندکی بعد، رویداد دومی از همان نوع را زن جوان دیگری به نام ایرن رابرتز (14) پیدا کرد. اندازه گیریهای کمّی نشان می دادند که جای هیچ گونه تردیدی نیست: ردها متعلق به دو ذره ی متفاوت با جرمهای نزدیک به هم بود. اولی، یک مزون جدید، سنگین تر از دومی بود. این مزون به فراوانی در رویدادهای کیهانی با انرژی بالا تولید می شد و با هسته ها برهم کنشیِ قوی داشت. این، همان مزون پیشگویی شده ی یوکاوا بود. دومی یک ذره ی نفوذکننده با جرم میانی بود که ندرمایر، آندرسون، استریت و استیونسون متفقاً کشف کردند، نوعی الکترون سنگین که با ماده برهم کنشیِ ضعیفی داشت.
پاول اولی را مزون π (پی) یا پیون نامید. ذره ی دوم که سبک تر بود، میون (µ) نامیده شد. پیون با بر هم کنشی ضعیف به یک میون و یک ذره ی خنثی، نوترینو، که ردّش بر روی امولسیون دیده نمی شود، واپاشیده می شود؛ و به همین دلیل، مزون دوم با همان انرژی، یعنی با همان طول مسیر، به عقب گسیل می شود. باری، دنیای ذرات، پربارتر از آن بود که توسعه ی فیزیک هسته ای در ابتدای راه، اجازه ی تصورش را می داد.
چند ماه پس از کشف پاول و همکارانش، لاتس، مورهد و اوچیالینی، مقاله ای از دو فیزیکدان امریکایی، رابرت ای. مارشاک (15) و هانس آ. بِته (16) در فیزیکال ریویو در ادامه ی مباحثه هایی که در جریان گردهمایی در شلتر ایلند نزدیک نیویورک، در تابستان، صورت گرفته بود، منتشر شد. دو فیزیکدان، بدون آنکه از نتایج مشاهده ی تجربی مطلع باشند، فرض کرده بودند که دو مزون با جرمهای متفاوت در طبیعت وجود دارد، که یکی در دیگری واپاشیده می شود. اندکی پس از آن معلوم شد که دو تن از اعضای باشگاه مزونها در ژاپن، به نامهای تانیکاوا (17) و ساکاتا (18) در مجله ی پروگرس آوتئوریتیکال فیزیک (19) توکیو، در 1943، همان فرضیه را منتشر کرده بودند، منتهی به سبب جنگ، جز فیزیکدانهای ژاپنی، هیچ کس از آن مطلع نشده بود.
در طبقه ی چهارم آزمایشگاه بریستول تنها دو «رویداد» در امولسیون، در اختیار داشتند و برای کسب اطلاعات بیشتر درباره ی فرایند بنیادی لازم بود که سریعاً رویدادهای دیگری به دست آید.
در 1949 یک جایزه ی نوبل به یوکاوا اعطا شد که وجود مزون را پیشگویی کرده بود، و سال بعد، جایزه ی نوبل به پاول داده شد، که با گروه خودش توانسته بود آن را به طور تجربی کشف کند.
می توان گفت که پاول پدر فیزیک ذرات (پارتیکول) است. تا آن زمان، ذراتی که کشف شده بودند، اجزای عادی اتمها و هسته های آنها یا ذراتی بودند که هسته های رادیواکتیو گسیل می داشتند. فیزیکدان فرانسوی لویی لوپرنس ــ رِنگه (21) در این ایام در این باره از سر شوق گفته بود: «در اروپا برای امولسیونها، بریستول وجود دارد با آفتاب تابان، سپس تعداد اقمار کوچک که ابعادشان را حتی اگر جمع بزنیم، خیلی کوچک تر از بریستول است.»
برای آنکه امولسیونها را در ارتفاع باز هم بالاتری در معرض تابشهای کیهانی قرار دهند، گروه پاول از پرواز با بالون استفاده کردند و ابتدا از نقاط مختلفی در اطراف بریستول به پرواز درآمدند؛ اما عیب بالون این بود که در هر جای ناخواسته هم به زمین فرود می آمد و با کار راه آهن و هواپیمایی بریتانیا تضادهایی ایجاد می کرد. از این رو، پرواز بالونها به جنوب اروپا بسمت ایتالیا و دریای مدیترانه انتقال داده شد که هوای آنجا پایدارتر از انگلستان بود. بدین ترتیب بود که در اثر مساعی پاول، نخستین همکاریهای بین المللی، از سال 1952، با مشارکت ده دانشگاه و مؤسسه ی تحقیقاتی کشورهای گوناگون، به وجود آمد. همه ی این مراکز، هم در پرواز دادن بالونها و هم در بررسی امولسیونها که در بازگشت آنها میانشان تقسیم می شد، مشارکت داشتند. این همکاریها، مخصوصاً به آزمایشگاههای کوچک، دورافتاده و کم بنیه از لحاظ مالی، امکان می داد که در توسعه ی این قلمرو جدید پژوهش مشارکت کنند.
(توضیح تصویر): هیدکی یوکاوا و سیسیل پاول، خانم پاول، خانم یوکاوا در یک رستوران کیوتو، در 1956
تعداد این ذرات جدید به قدری زیاد شد که طبقه بندی آنها لازم آمد؛ نظریه پردازان سعی کردند به آنها نظمی بدهند. اگر آن همه ذرات به اصطلاح بنیادی وجود داشته باشد، آیا نمی باید فکر کرد که برخی از آنها بنیادی تر و ساده تر از ذرات دیگرند، آنها عناصر اولیه اند و ذرات دیگر، از آنها ترکیب شده اند، کم و بیش مثل هسته که از پروتونها و از نوترونها تشکیل شده است؟
قدم اول را در این راستا شواچی ساکاتا فیزیکدان ژاپنی در 1956 برداشت. اما با مشکلاتی روبه رو شد. گام بلند دوم در این راه در 1964 برداشته شد و آن وقتی بود که موری گل ــ مان و جورج تسوایگ پیشنهاد کردند که مزونها و باریونها همگی از چیزهای بنیادی موسوم به «کوارکها» ترکیب شده اند، همان که در روایت یکشنبه شب گفته شد. خاصیّت شگفت انگیز این کوارکها داشتن بار الکتریکی 2/3 یا 1/3 مثبت یا منفی است. در ابتدا، وجود سه گونه (سه طعم) کوارک پذیرفته شد: بالا (u)، پایین (d) و شگفت (s)(22)، بعدها، طعمهای چهارم، پنجم و ششم به آنها افزوده شد. به موجب این توصیف، یک ترکیب از سه کوارک u ( بار 2/3+) و d (بار 1/3-) برای تشکیل پروتون یا نوترون کافی است که به ترکیب از کوارکهای u -u-d (بار1+) و u-d-d (بار صفر) ترکیب می شوند. هر کوارک با یک پادکوارک که پادذره ی آن است، متناظر است. گِل ــ مان فرض کرد که مرونها از یک کوارک و یک پادکوارک ترکیب شده اند و باریونها از سه کوارک.
وقتی که مباحثات بر سر این قضایای نظری ادامه داشت، پژوهشگران آزمایشگاهِ شتاب دهنده ی خطی دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا از باریکه (23) های الکترونهای پرانرژی، نخست برای تعریف دقیق تر ساختار هسته ها، سپس، ساختار نوکلئونها استفاده کردند. یک اَبَر شتاب دهنده ی الکترون از لحاظی شبیه یک میکروسکپ قوی است؛ هر اندازه انرژی داده شده به الکترونها بیشتر باشد، ساختارهای کوچک بهتر مشخص می شوند. رابرت هافستادر (24) و همکارانش ثابت کردند که پروتون و نوترون، نقطه ای نبوده اند، بلکه ساختارهای گسترده دارند، و آنها توانستند ابعادشان را تعیین کنند. تجربیات با انرژیهای باز هم بیشتر ادامه یافت و فیزیکدانهای گروه اچ. وی. پانوفسکی و گروه M .I.T در 1968 پی بردند که الکترونها با انتقال قسمت عمده ای از اندازه ی حرکتشان، بیشتر از آنچه که قبلاً تصور می شد، پخش می شوند. این تجربیات را از لحاظ کیفی می توان چنین توجیه کرد: اگر ماده ی برهم کنش کننده ی درون نوکلئون یکنواخت توزیع شده باشد، گاهی مشاهده خواهد شد که الکترونها (یا پروتونها) از جهت اولیه شان منحرف شوند. در عوض، اگر مانند هسته در درون اتم، ماده ی بر هم کنش کننده در دانه های شبه نقطه ای در درون نوکلئون متمرکز شده باشد، وقتی که این دانه ها با یکدیگر برخورد کنند، گاهی ضربه های خیلی شدید و انحرافهای خیلی بزرگ (لذا، انتقالهای بزرگ اندازه ی حرکت) مشاهده خواهد شد.
همان طور که در گذشته، راترفورد با آزمایشهایش وجود هسته را درون اتم ثابت کرد، این آزمایشهای دانشگاه استنفورد نیز ثابت کرد که درون نوکلئونها ساختارهای ظریف تری، به ظاهر نقطه ای، وجود دارد، مثل هسته های یک تمشک، که روی آنها الکترونها با شدت در جست وخیزند. این ذرات بنیادی را پارتون (25) نامیدند. که به نظر می رسید هر پروتون تقریباً از سه پارتون تشکیل شده باشد. اندکی بعد از آن، آزمایشهای «پخش عمیق» با باریکه های نوترینوومیون که در اَبَر شتاب دهنده ها تولید شده بود، تحقق یافت. این آزمایشها نشان داد که این پارتونها همان کوارکهای گِل ــ مان هستند.
آزمایشهای انجام شده در ژنو، در مرکز اروپایی تحقیقات هسته ای (CERN) با حلقه های برخورد که در آن باریکه های پروتونها با انرژی خیلی زیاد با یکدیگر برخورد می کنند، همچنین رویدادهایی را نشان دادند که اندازه ی حرکت عرضی زیادی دارند، که خود بر وجود کوارکها دلالت می کند. به عنوان حاصل نقطه ی برخورد، چه در برخوردهای پوزیتون ــ الکترون، چه در برخوردهای پروتون ــ پروتون یا پروتون ــ پادپروتون، باریکه های ذرات گروهی، به نام جت مشاهده می شود، که در یک جهت گسیل شده اند؛ وقتی که با شدت زیاد به یک کوارک برخورد می شود. از همه این قرائن به این نتیجه گیری می رسیم که کوارکها، دارای جرم، دربر هم کنشی، ذراتِ از لحاظ الکتریکی خنثی، بدون جرم، مبادله می کنند که گلوئون (26) نامگذاری شده اند، به همان شیوه که دو بار الکتریکی در برهم کنشی بین خود، فوتون مبادله می کنند. نام پارتون به مجموع کوارکها، پادکوارکها و گلوئونها داده شده است.
به رغم همه ی تلاشهایی که تاکنون انجام شده است، هنوز کوارک به حالت آزاد مشاهده نشده است. نتیجه ای که می گیرند این است که کوارکها درون نوکلئون حبس شده اند و نمی توانند به حالت انفرادی از آن خارج شوند. در خارج، تنها به حالت مجموعه های کوارک ــ پادکوارک، یعنی مزونها، ظاهر می شوند.
در این توصیف هنوز خیلی چیزها باید از لحاظ کیفی و کمی روشن شود، اما نظریه پردازان توانسته اند در دهه ی 1970 نظریه ی جدیدی بسازند که قادر است همه ی داده های شناخته شده را بیان کند: سه کوارک در نوکلئون، هر کدام خاصیت ویژه ای ــ تا حدودی شبیه بار الکتریکی ــ دارند که آن را رنگ نامیده اند. مثلاً یک کوارک، «آبی» نامیده شده است، یک کوارک «سبز» و یک کوارک «قرمز». لذا، مجموع کوارکها در یک نوکلئون، «سفید» یعنی بدون رنگ است و تنها سفید به حالت آزاد مشاهده می شود. مجموع کوارک ــ پادکوارک (یک رنگ و پادرنگش: مثلاً سبز و پاد سبز) یک مزون، همچنین یک شییء سفید قابل مشاهده تشکیل می دهد. گلوئونها، به نوبه ی خود ترکیبی از رنگ و پادرنگ دارند که سفید نیست (مثلاً قرمز ــ پادآبی)؛ بدین ترتیب، اگر دو کوارک در درون یک نوکلئون، یک گلئون مبادله کنند، رنگشان تغییر خواهد کرد. این نظریه ی جدید کرومودینامیک کوانتومی (27) نامیده می شود، به قیاس با نظریه ی کوانتومی الکترومغناطیسی، یا الکترودینامیک کوانتومی. لذا، برهم کنشیِ قوی (هسته ای) بنیادی، مبادله ی گلئون میان کوارکها است، که بنیادی تر از مبادله ی مزونها میان نوکلئونهاست که در هسته، طبق نظریه ی هیدکی یوکاوا، مشاهده می شود.
آیا هنوز به دورتر از این خواهند رفت؟ آیا هسته های تمشک واقعاً نقطه ای (بدون جرم) هستند؟ شاید با به کارگرفتن انرژیهای باز هم بیشتر، کشف خواهد شد که کوارکها خود ساختاری فوق العاده ریزتر دارند...
چند سال بعد تصمیم گرفته شد که آزمایشگاه اچ. اچ. ویلز (2) بریستول هم در قلمرو فیزیک هسته ای فعال بشود. مسئولان آزمایشگاه فکر می کردند که آزمایشگاهشان شهرت بین المللی پیدا نخواهد کرد مگر آنکه در این رشته از فیزیک فعالیت کند. یک شتاب دهنده ی کوچک ساخته شد و یک اتاقک ابر مستقر گردید.
باری، در 1937 به طور تصادفی توجه پاول به مقاله ای از پژوهشگران اتریشی، م. بلو (3) و وامباخر (4) جلب شد که ردّ یک پرتوکیهانی را در یک امولسیون (5) (= فیلم) عکاسی نشان می داد که در قلّه ی کوه بلندی گرفته شده بود. فایده ی بالقوه ی استفاده از امولسیون برای ردیابی ذرات، فوراً توجهش را جلب کرد و با وجود شک وتردید پژوهشگران آزمایشگاههای دیگر، او تمام نیرویش را صرف شرح و بسط آن کرد.
وقتی ذره ای با بار الکتریکی از یک امولسیون عکاسی عبور می کند، در مسیرش زوجهای یونهای باردار تولید می کند، درست شبیه آنچه که در گاز اتاقک ابر تولید می کند. هر زوج از یک الکترون و از یک اتم یونیده ی ماده عبور یافته، تشکیل شده است. تولید این زوج یونها، امولسیون عکاسی را متأثر می کند: کریستالهای برومور نقره ی موجود در ژلاتین، امولسیون را فعال می کند، ظهور فیلم عکاسی امکان می دهد که این «تصویر پنهان»، ظاهر گردد، یعنی نقره ی فلزی برمور نقره از کریستالهای متأثر شده و نه از کریستالهای دیگر، آزاد شود. سپس عمل تثبیت، امکان حل کردن برومور نقره ی باقیمانده ی غیرفعال را می دهد، و پس از شست وشو و خشک کردن، مسیر ذره به صورت تسبیحی از دانه های نقره ای در عبور از امولسیون ظاهر می شود. چگالی دانه های نقره و طول مسیر با انرژی رها شده، متناسب است. باید توجه داشت که امولسیون، ماده ای بسیار پرچگال تر از یک گاز است و اینکه طول مسیر عموماً از چند میلیمتر یا حتی از چند دهم میلیمتر بیشتر نیست؛ بنابراین، می تواند تماماً در لایه ی حساس گنجیده شده باشد، و می توان آن را زیر یک میکروسکوپ مجهز مشاهده کرد. امولسیون عکاسی، وقتی مدت زمانی در معرض تابش قرار گرفت، به مقدار ضعیفی مسیرهای همه ی ذراتی را که از آن در طول مدت اکسپوزیسیون و قبل از ظهور، عبور کرده اند دربردارد. برهم کنشی یک ذره با هسته ی یک اتم امولسیون به صورت یک «رویداد» با دو یا چند شاخه که به زبان خودمانی ستاره نامیده می شود، ظاهر می گردد.
پاول از 1938 تجربیاتش را با قراردادن امولسیونها در معرض باریکه های شتاب دهنده ی کوچکش آغاز کرد. یک سال بعد، سفارش خرید میکروسکوپهای پیشرفته ی لیتز (6) آلمانی را داد و عده ای زن جوان را به همکاری دعوت کرد که هیچ آشنایی قبلی با فیزیک نداشتند. اما پس از یک آموزش کوتاه مدت می توانستند با مهارت کامل یک امولسیون را زیر میکروسکوپ برای ردیابی مسیر ذرات و ستاره ها که در مجموع کار زیادی طلب می کرد، بررسی کنند. خوشبختانه در ابتدای کار، پاول آن مقاله هایی را که استفاده از امولسیونهای عکاسی در فیزیک هسته ای را رد می کردند، نخوانده بود. وقتی که فرصت خواندن آنها را پیدا کرد، دریافت که نتیجه گیریهایشان غلط است: برای آنکه قواعد روش کمّی مراعات شود لازم است که امولسیونهای مخصوصی برای این نوع آزمایشها ساخته شود، و مراحل ظهور، تثبیت و ردیابی با دقتی خاص اجرا گردد، و بالاخره باید از میکروسکوپهای کاملاً مجهز استفاده کرد ــ کارهایی که هیچ کس پیش از او نکرده بود. باید امولسیونها را عیارگیری کرد، علت چروکیدن آنها را به وقت خشکاندن شناخت، طول ردها و جهت آنها را اندازه گیری کرد. تعداد دانه های نقره ای در طول مسیر را شمرد. از تکنیک امولسیونها در زمان جنگ برای اندازه گیری طیفهای انرژی نوترونها با واسطه ی پروتونهای پس زده در امولسیون که از لحاظ هیدروژن غنی است، استفاده می شد.
در 1945، وزیر تدارکات انگلیس یک گروه کوچک کار تشکیل داد تا به کارخانه های سازنده ی مواد عکاسی توصیه کنند امولسیونهای مناسب برای تحقیقات هسته ای بسازند. پس از چند ماه، پاول از شرکت ایلفورد (7)، امولسیونهایی دریافت کرد که با ضخامت یک بیستم میلیمتر، مقدار برومور نقره و ژلاتین آن برابر بود. یک ذر ی باردار در ابتدای مسیر، سرعت خیلی زیادی دارد، احتمالاً نزدیک به سرعت نور. انرژی آزادشده برحسب واحد طول در پایان مسیر، وقتی که سرعت ذره کاهش می یابد، بیشتر است. به هنگام نخستین آزمایشهای بزرگ پاول، امولسیونها تنها در برابر ذرات باردار در آخرین قسمت مسیرشان حساس بودند، اما در 1948، ابتدا کداک، سپس ایلفورد، موفق به ساختن اولسیونهایی شدند که نسبت به همه ی ذرات باردار با هر سرعت اولیه ای در تمامی طول مسیرشان حساس بودند و از سوی دیگر توانستند امولسیونهایی به ضخامت نیم تا یک میلیمتر بسازند.
در پایان جنگ، پاول تحقیقات اساسیش را از سرگرفت. بزودی جنب وجوش زیاد و شور و اشتیاق فراوانی طبقه ی چهارم آزمایشگاه ویلز را دربرگرفت. عده ی بسیاری از زنان جوان «اسکینز (8)» مشغول وارسی کلیشه ها زیر میکروسکوپها بودند. در این میان، فیزیکدان ایتالیایی گی. پی. اس. اوچیالینی (9) مایه ی نشاط و هیجان گروه بود. این شخص در 1945 به بریستول آمده بود و میکروسکوپی مجهز به پروژکتور ساخته بود که آن را «تله پانتو (10)» (همه چیز را می بینم) می نامید. درهای آزمایشگاه به روی فیزیکدانهای خارجی باز بود. روح همکاری گروهی بر فضای آزمایشگاه مسلط بود و هیچ کس برای ادامه دادن کار تا دیر وقت شب تردید نمی کرد. موضوع نخستین کارهای تحقیقی عیارگیری کمّی، امولسیونها بود. از میدانهای مشاهده ی متوالیِ زیر میکروسکوپ، شامل مسیرهای حتی خمیده عکسبرداری می شد، سپس پهلو به پهلو کنار هم چیده می شدند تا موزائیکی ساخته شود که امکان می داد هر رویداد، بازسازی گردد.
یک مشکل فنی مانده بود که باید حل می شد و آن، پاک شدن تدریجی تصویر پنهان از امولسیونهای متأثر شده ای بود که چند هفته ای بدون ظاهر کردن نگهداری می شد. فیزیکدان جوان برزیلی سزار م. ج. لاتس (11) از شرکت ایلفورد خواسته بود امولسیونهایی با ترکیب بوره (= بوراکس) برای مطالعه ی نوترونها بسازد: نوترونها به آسانی با بور10 برهم کنشی دارد و سه ذره ی باردار می دهد که هر سه در امولسیون، قابل مشاهده اند. لاتس می خواست بدین وسیله انرژی و جهت نوترونهای تابشی را تعیین کند. گروه تحقیقاتی بریسول با شگفتی دریافت که بوره به طرز چشمگیری پاک شدگی تصویرها را کاهش می دهد. یک سری امولسیونهای بوره دار که به مدت یک ماه در قله ی پیک دومیدی (12) کوههای پیرنه در معرض تابشهای کیهانی بودند، پس از ظهور، تعداد رویدادهای ناشی از تابشهای کیهانی را که نشان دادند، خیلی بیشتر و متنوع تر از معمول بود. پاول در شرح حالش روایت می کند که «حالت شخصی را داشتم که در باغ حفاظت شده ای رخنه کرده است. در آنجا همه ی درختان محافظت شده گل داده بودند و همه ی میوه های عجیب به وفور یافت می شد».
(توضیح تصویر): نخستین مشاهده در یک امولسیون عکاسی، فروپاشی یک مزون (π) به میون (در نقطه ی A). نوترینوی گسیل شده به هنگام واپاشی، رد برجا نمی گذارد. میون تشکیل شده در نقطه ی B متوقف می شود.
(لاتس، مورهد، اوچیالینی و پاول [1947]).
اندکی بعد، رویداد دومی از همان نوع را زن جوان دیگری به نام ایرن رابرتز (14) پیدا کرد. اندازه گیریهای کمّی نشان می دادند که جای هیچ گونه تردیدی نیست: ردها متعلق به دو ذره ی متفاوت با جرمهای نزدیک به هم بود. اولی، یک مزون جدید، سنگین تر از دومی بود. این مزون به فراوانی در رویدادهای کیهانی با انرژی بالا تولید می شد و با هسته ها برهم کنشیِ قوی داشت. این، همان مزون پیشگویی شده ی یوکاوا بود. دومی یک ذره ی نفوذکننده با جرم میانی بود که ندرمایر، آندرسون، استریت و استیونسون متفقاً کشف کردند، نوعی الکترون سنگین که با ماده برهم کنشیِ ضعیفی داشت.
پاول اولی را مزون π (پی) یا پیون نامید. ذره ی دوم که سبک تر بود، میون (µ) نامیده شد. پیون با بر هم کنشی ضعیف به یک میون و یک ذره ی خنثی، نوترینو، که ردّش بر روی امولسیون دیده نمی شود، واپاشیده می شود؛ و به همین دلیل، مزون دوم با همان انرژی، یعنی با همان طول مسیر، به عقب گسیل می شود. باری، دنیای ذرات، پربارتر از آن بود که توسعه ی فیزیک هسته ای در ابتدای راه، اجازه ی تصورش را می داد.
چند ماه پس از کشف پاول و همکارانش، لاتس، مورهد و اوچیالینی، مقاله ای از دو فیزیکدان امریکایی، رابرت ای. مارشاک (15) و هانس آ. بِته (16) در فیزیکال ریویو در ادامه ی مباحثه هایی که در جریان گردهمایی در شلتر ایلند نزدیک نیویورک، در تابستان، صورت گرفته بود، منتشر شد. دو فیزیکدان، بدون آنکه از نتایج مشاهده ی تجربی مطلع باشند، فرض کرده بودند که دو مزون با جرمهای متفاوت در طبیعت وجود دارد، که یکی در دیگری واپاشیده می شود. اندکی پس از آن معلوم شد که دو تن از اعضای باشگاه مزونها در ژاپن، به نامهای تانیکاوا (17) و ساکاتا (18) در مجله ی پروگرس آوتئوریتیکال فیزیک (19) توکیو، در 1943، همان فرضیه را منتشر کرده بودند، منتهی به سبب جنگ، جز فیزیکدانهای ژاپنی، هیچ کس از آن مطلع نشده بود.
در طبقه ی چهارم آزمایشگاه بریستول تنها دو «رویداد» در امولسیون، در اختیار داشتند و برای کسب اطلاعات بیشتر درباره ی فرایند بنیادی لازم بود که سریعاً رویدادهای دیگری به دست آید.
لاتس پیشنهاد کرد که صفحات عکاسی را در کوه بلندتری در معرض تابشهای کیهانی بگذارند. برای این منظور، او به ایستگاه هواشناسی مون شاکالتایا (20)، نزدیک لاپاز پایتخت بولیوی رفت که در ارتفاع 5500 متری از سطح دریا ساخته شده است. در بازگشت به بریستول، 30 ردّ تازه از «مزونهای دوگانه» مشاهده شد.
شتاب دهنده های جدید ذرات که در ایالات متحده ی آمریکا ساخته شده بودند، می توانستند انرژی کافی برای تولید پیونهای مصنوعی که تا آن وقت فقط در تابشهای کیهانی یافت می شد، ایجاد کنند. این بار هم لاتس بود که در 1948 با فیزیکدانهای امریکایی موفق شد اول بار پیونهایی را که مصنوعاً با سیکلوترون 184 اینچی دانشگاه کالیفرنیا در بِرکلی تولید شده بود، مشاهده کند. حالا دیگر فیزیکدانها می توانستند آنچه را که تا آن وقت در قله ی کوههای بلند جست وجو می کردند، در آزمایشگاه مطالعه کنند.در 1949 یک جایزه ی نوبل به یوکاوا اعطا شد که وجود مزون را پیشگویی کرده بود، و سال بعد، جایزه ی نوبل به پاول داده شد، که با گروه خودش توانسته بود آن را به طور تجربی کشف کند.
می توان گفت که پاول پدر فیزیک ذرات (پارتیکول) است. تا آن زمان، ذراتی که کشف شده بودند، اجزای عادی اتمها و هسته های آنها یا ذراتی بودند که هسته های رادیواکتیو گسیل می داشتند. فیزیکدان فرانسوی لویی لوپرنس ــ رِنگه (21) در این ایام در این باره از سر شوق گفته بود: «در اروپا برای امولسیونها، بریستول وجود دارد با آفتاب تابان، سپس تعداد اقمار کوچک که ابعادشان را حتی اگر جمع بزنیم، خیلی کوچک تر از بریستول است.»
برای آنکه امولسیونها را در ارتفاع باز هم بالاتری در معرض تابشهای کیهانی قرار دهند، گروه پاول از پرواز با بالون استفاده کردند و ابتدا از نقاط مختلفی در اطراف بریستول به پرواز درآمدند؛ اما عیب بالون این بود که در هر جای ناخواسته هم به زمین فرود می آمد و با کار راه آهن و هواپیمایی بریتانیا تضادهایی ایجاد می کرد. از این رو، پرواز بالونها به جنوب اروپا بسمت ایتالیا و دریای مدیترانه انتقال داده شد که هوای آنجا پایدارتر از انگلستان بود. بدین ترتیب بود که در اثر مساعی پاول، نخستین همکاریهای بین المللی، از سال 1952، با مشارکت ده دانشگاه و مؤسسه ی تحقیقاتی کشورهای گوناگون، به وجود آمد. همه ی این مراکز، هم در پرواز دادن بالونها و هم در بررسی امولسیونها که در بازگشت آنها میانشان تقسیم می شد، مشارکت داشتند. این همکاریها، مخصوصاً به آزمایشگاههای کوچک، دورافتاده و کم بنیه از لحاظ مالی، امکان می داد که در توسعه ی این قلمرو جدید پژوهش مشارکت کنند.
(توضیح تصویر): هیدکی یوکاوا و سیسیل پاول، خانم پاول، خانم یوکاوا در یک رستوران کیوتو، در 1956
رنگ کوارکها
در سالهای 1950 تا 1960 یک سری ذرات ناپایدار جدید کشف شد. برخی از آنها مزونهای سنگین با جرمهایی بین جرمهای پیون و پروتون بودند. آنگاه ایده ی تبادل مزونها میان نوکلئونها عمومیت یافت؛ چنانکه دو نوکلئون نزدیک یکدیگر باشند، می توانند نه تنها یک مزون π، بلکه دو مزونπ یا یک مزون سنگین مبادله کنند. ذرات دیگر که به پروتون یا به نوترون شبیه بودند اما جرمشان بیشتر بود؛ به آنها، مثل نوکلئونها، نام عمومی باریون داده شد.تعداد این ذرات جدید به قدری زیاد شد که طبقه بندی آنها لازم آمد؛ نظریه پردازان سعی کردند به آنها نظمی بدهند. اگر آن همه ذرات به اصطلاح بنیادی وجود داشته باشد، آیا نمی باید فکر کرد که برخی از آنها بنیادی تر و ساده تر از ذرات دیگرند، آنها عناصر اولیه اند و ذرات دیگر، از آنها ترکیب شده اند، کم و بیش مثل هسته که از پروتونها و از نوترونها تشکیل شده است؟
قدم اول را در این راستا شواچی ساکاتا فیزیکدان ژاپنی در 1956 برداشت. اما با مشکلاتی روبه رو شد. گام بلند دوم در این راه در 1964 برداشته شد و آن وقتی بود که موری گل ــ مان و جورج تسوایگ پیشنهاد کردند که مزونها و باریونها همگی از چیزهای بنیادی موسوم به «کوارکها» ترکیب شده اند، همان که در روایت یکشنبه شب گفته شد. خاصیّت شگفت انگیز این کوارکها داشتن بار الکتریکی 2/3 یا 1/3 مثبت یا منفی است. در ابتدا، وجود سه گونه (سه طعم) کوارک پذیرفته شد: بالا (u)، پایین (d) و شگفت (s)(22)، بعدها، طعمهای چهارم، پنجم و ششم به آنها افزوده شد. به موجب این توصیف، یک ترکیب از سه کوارک u ( بار 2/3+) و d (بار 1/3-) برای تشکیل پروتون یا نوترون کافی است که به ترکیب از کوارکهای u -u-d (بار1+) و u-d-d (بار صفر) ترکیب می شوند. هر کوارک با یک پادکوارک که پادذره ی آن است، متناظر است. گِل ــ مان فرض کرد که مرونها از یک کوارک و یک پادکوارک ترکیب شده اند و باریونها از سه کوارک.
وقتی که مباحثات بر سر این قضایای نظری ادامه داشت، پژوهشگران آزمایشگاهِ شتاب دهنده ی خطی دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا از باریکه (23) های الکترونهای پرانرژی، نخست برای تعریف دقیق تر ساختار هسته ها، سپس، ساختار نوکلئونها استفاده کردند. یک اَبَر شتاب دهنده ی الکترون از لحاظی شبیه یک میکروسکپ قوی است؛ هر اندازه انرژی داده شده به الکترونها بیشتر باشد، ساختارهای کوچک بهتر مشخص می شوند. رابرت هافستادر (24) و همکارانش ثابت کردند که پروتون و نوترون، نقطه ای نبوده اند، بلکه ساختارهای گسترده دارند، و آنها توانستند ابعادشان را تعیین کنند. تجربیات با انرژیهای باز هم بیشتر ادامه یافت و فیزیکدانهای گروه اچ. وی. پانوفسکی و گروه M .I.T در 1968 پی بردند که الکترونها با انتقال قسمت عمده ای از اندازه ی حرکتشان، بیشتر از آنچه که قبلاً تصور می شد، پخش می شوند. این تجربیات را از لحاظ کیفی می توان چنین توجیه کرد: اگر ماده ی برهم کنش کننده ی درون نوکلئون یکنواخت توزیع شده باشد، گاهی مشاهده خواهد شد که الکترونها (یا پروتونها) از جهت اولیه شان منحرف شوند. در عوض، اگر مانند هسته در درون اتم، ماده ی بر هم کنش کننده در دانه های شبه نقطه ای در درون نوکلئون متمرکز شده باشد، وقتی که این دانه ها با یکدیگر برخورد کنند، گاهی ضربه های خیلی شدید و انحرافهای خیلی بزرگ (لذا، انتقالهای بزرگ اندازه ی حرکت) مشاهده خواهد شد.
همان طور که در گذشته، راترفورد با آزمایشهایش وجود هسته را درون اتم ثابت کرد، این آزمایشهای دانشگاه استنفورد نیز ثابت کرد که درون نوکلئونها ساختارهای ظریف تری، به ظاهر نقطه ای، وجود دارد، مثل هسته های یک تمشک، که روی آنها الکترونها با شدت در جست وخیزند. این ذرات بنیادی را پارتون (25) نامیدند. که به نظر می رسید هر پروتون تقریباً از سه پارتون تشکیل شده باشد. اندکی بعد از آن، آزمایشهای «پخش عمیق» با باریکه های نوترینوومیون که در اَبَر شتاب دهنده ها تولید شده بود، تحقق یافت. این آزمایشها نشان داد که این پارتونها همان کوارکهای گِل ــ مان هستند.
آزمایشهای انجام شده در ژنو، در مرکز اروپایی تحقیقات هسته ای (CERN) با حلقه های برخورد که در آن باریکه های پروتونها با انرژی خیلی زیاد با یکدیگر برخورد می کنند، همچنین رویدادهایی را نشان دادند که اندازه ی حرکت عرضی زیادی دارند، که خود بر وجود کوارکها دلالت می کند. به عنوان حاصل نقطه ی برخورد، چه در برخوردهای پوزیتون ــ الکترون، چه در برخوردهای پروتون ــ پروتون یا پروتون ــ پادپروتون، باریکه های ذرات گروهی، به نام جت مشاهده می شود، که در یک جهت گسیل شده اند؛ وقتی که با شدت زیاد به یک کوارک برخورد می شود. از همه این قرائن به این نتیجه گیری می رسیم که کوارکها، دارای جرم، دربر هم کنشی، ذراتِ از لحاظ الکتریکی خنثی، بدون جرم، مبادله می کنند که گلوئون (26) نامگذاری شده اند، به همان شیوه که دو بار الکتریکی در برهم کنشی بین خود، فوتون مبادله می کنند. نام پارتون به مجموع کوارکها، پادکوارکها و گلوئونها داده شده است.
به رغم همه ی تلاشهایی که تاکنون انجام شده است، هنوز کوارک به حالت آزاد مشاهده نشده است. نتیجه ای که می گیرند این است که کوارکها درون نوکلئون حبس شده اند و نمی توانند به حالت انفرادی از آن خارج شوند. در خارج، تنها به حالت مجموعه های کوارک ــ پادکوارک، یعنی مزونها، ظاهر می شوند.
در این توصیف هنوز خیلی چیزها باید از لحاظ کیفی و کمی روشن شود، اما نظریه پردازان توانسته اند در دهه ی 1970 نظریه ی جدیدی بسازند که قادر است همه ی داده های شناخته شده را بیان کند: سه کوارک در نوکلئون، هر کدام خاصیت ویژه ای ــ تا حدودی شبیه بار الکتریکی ــ دارند که آن را رنگ نامیده اند. مثلاً یک کوارک، «آبی» نامیده شده است، یک کوارک «سبز» و یک کوارک «قرمز». لذا، مجموع کوارکها در یک نوکلئون، «سفید» یعنی بدون رنگ است و تنها سفید به حالت آزاد مشاهده می شود. مجموع کوارک ــ پادکوارک (یک رنگ و پادرنگش: مثلاً سبز و پاد سبز) یک مزون، همچنین یک شییء سفید قابل مشاهده تشکیل می دهد. گلوئونها، به نوبه ی خود ترکیبی از رنگ و پادرنگ دارند که سفید نیست (مثلاً قرمز ــ پادآبی)؛ بدین ترتیب، اگر دو کوارک در درون یک نوکلئون، یک گلئون مبادله کنند، رنگشان تغییر خواهد کرد. این نظریه ی جدید کرومودینامیک کوانتومی (27) نامیده می شود، به قیاس با نظریه ی کوانتومی الکترومغناطیسی، یا الکترودینامیک کوانتومی. لذا، برهم کنشیِ قوی (هسته ای) بنیادی، مبادله ی گلئون میان کوارکها است، که بنیادی تر از مبادله ی مزونها میان نوکلئونهاست که در هسته، طبق نظریه ی هیدکی یوکاوا، مشاهده می شود.
آیا هنوز به دورتر از این خواهند رفت؟ آیا هسته های تمشک واقعاً نقطه ای (بدون جرم) هستند؟ شاید با به کارگرفتن انرژیهای باز هم بیشتر، کشف خواهد شد که کوارکها خود ساختاری فوق العاده ریزتر دارند...
پی نوشت ها :
1 . A. M. Tyndall.
2.H. H.Wills.
3. M. Blau.
4. Wambacher.
5. emulsion.
6. Ieitz.
7. Illford.
8. scanneuse.
9. G. P. S. Occhialini.
10. Telepanto.
11. Cesare M. G. Lattes.
12. Pic du Midi.
13. Marietta Kurz.
14.Irene Roberts.
15. Robert E. Marshak.
16. Hans A. Bethe.
17. Tanikawa.
18. Sakata.
19. Progress of Theoretical Physics.
20. Mont Chacaltaya.
21. Louis Leprince-Ringuet.
22.این سه حرف با حروف اول کلمات down،up و Strange متناظرند. ــ م.
23. باریکه (beam/faisceaux) در اصطلاح فیزیکی، روانه ی یک طرفی تابشهای الکترومغناطیسی یا ذرات بنیادی است. ــ م.
24.Robert Hofstadter.
25. Parton.
26. Gluon.
27. Chromodynamic quantum/Chromodimique quantique.
