مزون ها کجا هستند؟

نویسنده: محمد ارزنده نیا

مدل اتمی یوکاوا

در برابر این پرسش که چه چیزی پروتون های مثبت هسته را در کنار هم محکم نگه می دارد، فیزیکدان ها به این نتیجه رسیده بودند که نوترون ها به ناچار باید نقش سیمان نگهدارنده هسته را ایفا کنند. بدیهی است که چون نوترون خنثی است، نیروی نامبرده نمی تواند از نوع نیروهای الکتریکی باشد. دانشمندان در این زمینه به بررسی پرداختند تا اینکه دو سال پس از کشف نوترون یعنی در سال 1935 هیدکی یوکاوا(1) (متولد 1907) استاد دانشگاه اوزاکای ژاپن این فرضیه را پیشنهاد کرد، که نیروی هسته ای خاصی از نوع داد و ستدی، بین پروتون و نوترون وجود دارد و موجبات پایداری هسته را فراهم می سازد.
یوکاوا مدعی شد که نیروی اتصال هسته ای دارای کوانتایی است که آن را مزون(2) نامیدند. به عبارت دیگر همان گونه که فوتون در واکنش با الکترون اتم هاست، مزون نیز در واکنش دائمی با نوکلئون ها یا هستک هاست. در نتیجه از نظر یوکاوا مزون ها می بایستی ماده چسبنده بین ذرات هسته باشند.
یوکاوا نشان داد که برای توضیح خواص مشهود نیروهای هسته ای از جمله پایداری هسته و با درنظر گرفتن فواصل کوتاه اعمال نیروی هسته ای، باید فرض کرد که این ذره جدید جرمی میان جرم یک پروتون و جرم یک الکترون داشته باشد. یعنی در حدود 10 بار سبکتر از پروتون و 200 بار سنگینتر از الکترون. همچنین این ذره فرضی می تواند دارای بار مثبت یا منفی یا خنثی باشد. در ابتدا به خاطر نام یوکاوا به این ذره فرضی نام یوکون ها را دادند. اما چون جرم این ذره میان دو جرم الکترون و پروتون محاسبه شده بود نام مزون را بر این ذره نهادند (مزون در زبان یونانی به مفهوم میان است). تا اینکه دو سال بعد فیزیکدان آمریکایی کارل دیوید آندرسون در سال 1937، وجود ذره های باردار مثبت و منفی را با همین جرم در اشعه کیهانی(3) کشف کرد که از طبقات بالای جو به زمین فرو می بارند. امروزه جهت دقت بیشتر، مزون یوکاوا را مومزون یا موئون(4) می نامند که تجزیه دو نوع مثبت و منفی آن به شکل زیر می باشند.

بدین ترتیب تصویر زیر را از هسته خواهیم داشت: پروتون یک مزون مثبت از دست می دهد و به نوترون تبدیل می گردد؛ نوترون نیز مزون مزبور را جذب نموده و به پروتون تبدیل می شود. و یا عکس این واقعه اتفاق می افتد، نوترون با صدور یک مزون منفی به پروتون تبدیل شده و از ترکیب پروتون و مزون منفی نیز نوترون حاصل می گردد.
اما به زودی معلوم شد که مزون های یوکاوا بنا به دلایلی نمی توانند کوانتای میدان نیروهای اتصال هسته ای باشند. از جمله اینکه اشتهای هسته برای خوردن مزون ها چندین میلیون بیلیون کوچکتر از آن است که برای یک نیروی تبادل قوی لازم است، و اگر نیروهای میان پروتون ها و نوترون ها به یک تبادل همیشگی مزون های مابین آنها مربوط هستند، پس می بایستی این فعل و انفعال برقرار باشد.

شکل 1- «مدل اتمی یوکاوا»

از روی شدت نیروهای هسته ای می توان تخمین زد که این فعل و انفعال باید فعل و انفعال بسیار سریعی باشد، که تنها

ثانیه طول بکشد. ولی از آنجا که تلاشی طبیعی مزون حدود

ثانیه طول می کشد، در عمل همه مزون ها باید خیلی زودتر از آنکه فرصت یک مرگ طبیعی را بدست بیاورند توسط هسته بلعیده شوند. حداکثر یک مزون از میان

مزون، پیش از آنکه هسته ها آن را بخورند، احتمال تجزیه و تبدیل شدن به یک الکترون و دو نوترون را دارد. بنابراین هیچ الکترون منفی نباید از تکه جسم کُند کننده مزونی به خارج دفع شود. ولی مدارک تجربی آشکارا با این نتیجه گیری ناسازگار است. با آنکه تعداد الکترون های منفی که از جسم کند کننده مزونی بیرون افکنده می شوند، در بعضی موارد دو بار و در بعضی موارد ده بار کوچکتر از تعداد الکترون های مثبت بود. اما به یقین

بار کوچکتر نبود. مفهوم این مطلب آن است که هسته های اتم دیگر توجهی بیش از آنچه سگ به یونجه دارد به مزون های کشف شده نداشتند. در نتیجه ساکاتا فیزیکدان ژاپنی و دانشمندان آمریکایی بت و مارشاک، وجود مزون دیگری را پیش بینی کردند، که مأموریت کوانتایی انرژی بین هستک های هسته را داراست.

شکل 2- بنا به تئوری یوکاوا، نیروی جاذبه هسته ای توسط ذراتی حمل می شود که مزون نام دارند. در شکل بالا مراحل مختلف تبادل مزون ها را نشان داده ایم. در شکل «الف» پروتون، با انتشار یک مزون مثبت تبدیل به نوترون می شود. نوترون نیز به نوبه ی خود با جذب مزون مثبت تبدیل به پروتون می شود. در شکل «ب»، نوترون با انتشار یک مزون منفی، تبدیل به پروتون می شود و پروتون نیز، با جذب مزون منفی، تبدیل به نوترون می شود.

مدل اتمی پاول

مزون های یوکاوا کجا هستند؟ آزمایش های زیادی پیرامون هسته های رادیواکتیو به منظور یافتن این ذرات اسرارآمیز به عمل آمد، ولی هیچ اثری از آنها یافت نشد. به همین دلیل فیزیکدان ها به منبع سرشار ذرات بنیادی، یعنی پرتوهای کیهانی روی آوردند. در آن موقع براساس محاسبات یوکاوا، جرم مزون در حدود 200 برابر الکترون درنظر گرفته می شد، اما مزون ها از هرگونه برخوردی با هسته ها خودداری می کردند و با نوترون ها چندان اختلافی نداشتند و با پروتون ها، در چارچوب روابط متقابل الکتریکی روبرو می شدند. لذا فیزیکدان ها تردید کردند که این ذره همان چیزی باشد که در انتظارش بودند. آنها ذره ای پر انرژی می خواستند که خیلی شدید با پروتون و نوترون ها ترکیب شود و بین آنها رد و بدل گردد.
اولین رآکتورها و بمب های اتمی ساخته شدند ولی باز هم این ذره اسرارآمیز و کوچک رخ نمی نمود. تا اینکه سرانجام در سال 1947 سیسیل فرانک پاول(5) (1969-1903) فیزیکدان انگلیسی و همکارانش اکشیالینی(6) از ایتالیا و لاتزا(7) (لاتس) از برزیل بر صفحه عکاسی رد ذره جدیدی را یافتند که در اشعه کیهانی وجود داشت. این ذره، باز هم مزون بود ولی جرم آن به جای اینکه 207 برابر جرم الکترون باشد 273 برابر آن بود. مزون اخیر را برای تشخیص دادن از مزون قبلی، پی مزون(8) نام نهادند. پی مزون یا پیون با ذرات هسته ای خیلی شدید برخورد می کرد و حتی انرژی آن به اندازه ای بود که می توانست هسته ای را که با آن روبرو می شود، متلاشی نماید. و بدین گونه بود که کوانتوم میدان نیروهای اتصال هسته ای کشف شد.

در سال 1950 نیز پی مزون صفر، یا پیون خنثی با جرم 264 برابر جرم الکترون و بدون بار الکتریکی کشف شد که به دو فوتون تجزیه می شود.

فوتون های تولید شده در برخورد با هسته، قادرند زوج الکترون ـ پوزیترون بوجود آورند و همین واکنش بود که سبب کشف پیون خنثی گردید. پیون ها برخلاف ذرات دیگر خیلی شدید با نوکلئون های هسته در واکنش و ارتباط هستند، و به سادگی توسط هسته جذب می شوند، که در شرایط مناسبی هسته نیز آنها را منتشر می سازد. به همان گونه که ذرات باردار را میدان الکترومغناطیسی فوتون ها احاطه کرده است، پیون ها قادرند واکنش های هسته ای بسیار قوی تولید کنند.
از نظر پاول این پی مزون ها هستند که پروتون ها و نوترون ها را در هسته نزدیک به هم نگه داشته و پایداری هسته را ایجاد می نمایند.

شکل 3- «مدل اتمی پاول»

بنا به عقیده برخی از فیزیکدان ها، هستک ها مشابه با سیاره مریخ هستند. به این شکل که قسمت مرکزی آنها را ابری از پیون یا پوشش مزونی احاطه کرده است. اگر داخل این پوشش مثبت، و پوشش نیز از پی مزون های خنثی تشکیل شده باشد، نوکلئون یا هستک از نوع پروتون است. و اگر داخل این پوشش مثبت و پوشش نیز از پی مزون های منفی تشکیل شده باشد، نوکلئون از نوع نوترون است.