![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](https://rasekhoon.net/_files/thumb_images700/article/0032455.jpg)
تمامی مواد از مولکول ها، مولکول ها از اتم ها، و اتم ها نیز از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها تشکیل شده اند. اما خود ذرات اتمی از چه چیزی ترکیب شده اند؟ ظاهراً از ذرات بنیادی(1). اما خود این ذرات بنیادی چه هستند؟...
بعد از کشف نوترون در سال 1932، کشف ضد الکترون در سال 1932، کشف مومزون ها در سال 1937 و کشف پی مزون ها در سال 1947، باتلر و روچستر، دو پژوهشگر انگلیسی، در اشعه کیهانی رد ذره ای را یافتند که آن را لاندا (8 یا
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324551.jpg)
سپس اشعه کا (k) و اعضای خانواده اش کشف گردیدند. این ذره به دو پیون مثبت و منفی تجزیه می شود. به دنبال آن در سال 1955 ضد پروتون، در سال 1956 ضد نوترون و در سال 1960 نیز هیپرون آنتی سیگما بدست آمد.
با الهام از جدول مندلیف، موری گلمان(2) (جلمان) آمریکایی و نی شی جیای ژاپنی در سال 1955 اولین تابلوی طبقه بندی شده ذرات بنیادی را ساختند. ولی این تابلو فقط یک جدول بندی ساده ای نبود که برخلاف جدول مندلیف، هیچ قانونی را منعکس نمی کرد.
گروهی معتقد بودند که سنگ بناهای اولیه با یکدیگر جمع می شوند و نیروهای واکنشی میان آنها، چون ملات و سیمان، آنها را به هم می چسباند، و ذره پیچیده تری را پدید می آورند؛ و این به مثابه بلوکی است که از سنگ و سیمان می سازیم.
گروهی دیگر می گویند که ذرات ساده در هم حل می شوند و ذره دیگری را به وجود می آورند. برای مثال فرمی و یانگ، عقیده داشتند که مزون پی از دو ذره تشکیل شده است (یعنی از نوکلئون و آنتی نوکلئون). گروه سومی نیز معتقد بودند که در ساختمان هر ذره بنیادی، نوکلئون (پروتون و نوترون) وجود دارد. بنابراین نوکلئون ها از همه ذرات بنیادی دیگر بنیادی ترند. فیزیکدان ژاپنی، سی ایشی ساکاتا، معتقد بود که همه ذرات، از نوکلئون و ذرات لاندا ساخته شده اند. فیزیکدان دیگر، موریس گلدها ماده اولیه سازنده عالم را مجموعه ای از نوکلئون و مزون کا (k) می دانست.
از نظر موری گلمان کلیه ذرات بنیادی در اصل از کوارک(3) به وجود آمده اند. گلمان کلمه کوارک را از یکی از داستان های جیمزجویس به نام عزای فینگان اقتباس کرده است، از آنجا که کلاغ ها می گویند: «سه کوارک برای آقای مارک» یا «سه قار قار به افتخار آقای مارک»
بنابر فرضیه مارکوف دانشمند روسی همه ذرات از نوکلئون و آنتی نوکلئون بوجود می آیند. که اگر این تعداد فرد باشد فرمیون ها، و اگر این تعداد زوج باشد بوزن ها پدید می آیند. کوشش مارکوف بر این بود که تعداد ذرات بنیادی را تقلیل دهد، ولی برخی مشکلات ریاضی و نتایج مغایری که در فیزیک هسته ای بدست آمد، سبب کنار گذاردن تئوری مارکوف گردید.
در ژوئیه 1958 رابرت اپنهایمر(4) پدر بمب اتمی آمریکا و ناظر ساخت اولین پیل اتمی، بر چگونگی رده بندی ذرات بنیادی تجدیدنظر کرد. به نظر وی، می توان تعداد آنها را به شش ذره و میدان تقلیل داد. اما وی نیز نتوانست تئوری مقبولی در این باره خلق کند.
چندی پیش دانشمند روسی زلدویچ(5) اعلام نموده است که به نظر وی همه ذرات بنیادی به غیر از الکترون، پوزیترون و موئون، از ماده واحده ای به نام کوارک ساخته شده اند.
به هر حال هنوز کسی نتوانسته قانونی حاکم بر ذرات بنیادی بیابد، که در ضمن تصویری از ماده اولیه سازنده این ذرات و عالم را نیز بدهد. آنچه که از این ذرات می دانیم بسیار کمتر از آن است که پاسخگوی همه پرسش های ما باشد، و تئوری های جدید ذرات بنیادی همگی دارای کمبودهایی چند هستند.
اولین نقص بزرگ آنها این است که ذرات بنیادی را مانند نقاط مادی درنظر می گیرند. یعنی چیزی عاری از حجم و گسترش، که در عین حال دارای جرم و دیگر خصوصیات اجسام مادی است. همه کوشش ها برای دخالت دادن حجم ذرات در معادلات کوانتوم مکانیک با بن بست و تناقضاتی مواجه شده است، که از آن جمله می توان خصوصیات نسبی فضا و زمان را ذکر کرد. نمایش یک ذره همانند نقطه یی بی حجم رضایتبخش نیست. زیرا ابعاد برخی از این ذرات چون پروتون اندازه گیری شده است. و ابعاد ذرات را دیگر نمی توانیم صفر بگیریم. نقص دیگر این تئوری ها در این است که نمی توانند بگویند چرا پارامترهای فیزیکی ذرات باید همین مقادیری باشند، که دارند، و چرا مقادیر دیگر نیست. برای مثال چرا جرم الکترون
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324552.jpg)
سومین نقص اساسی این تئوری ها آن است که، تناقض موجود میان کوانتوم مکانیک و تئوری نسبیت را برطرف نمی سازند. هر چند که هر دو را نیز در حل مسائل و مشکلات بکار می گیرند.
کوانتوم مکانیک مرز مشخص اجرایی در فضا و زمان ندارد، و بعلاوه مسئله اتفاق و احتمال را می پذیرد. ولی تئوری نسبیت همه حوادث را به گذشته، حال و آینده تقسیم می کند و از حوادثی که اینجا و آنجا رخ می دهد سخن می گوید، و تنها بر حوادث الزامی تکیه می کند. اصول نسبیت اتفاق را به کلی حذف می کنند. آیا همه این نقایص ناشی از این نیست که ما برخی از خصوصیات ماده اولیه را، که از حوزه کوانتوم مکانیک خارج می شود، ندیده می گیریم.
کسانی چون ژان پل ویژیه از فرانسه، دیراک و هایزنبرگ تلاش هایی برای رفع این نقایص کرده اند. ولی تاکنون تئوری رضایت بخشی که همه جنبه های دنیای ذرات ریز و ماده اولیه را دربر گیرد، عرضه نشده است.
تاریخچه پژوهش در ذرات بنیادی را می توان به سه دوره تقسیم کرد:
1ـ دوره اول، که از سال 1897 تا سال 1932 طول کشید و با کشف الکترون، پروتون، نوترون، اثر فوتوالکتریک و اثر کامپتون همراه بود. در این دوره مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت خصوصی بسط یافت.
جدول 1- عالم و مکانیک های گوناگون فیزیک جدید
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324553.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324554.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245521.jpg)
این ذرات که وجودشان را نظریه کوانتومی نسبیتی دیراک پیش بینی کرده بود، خود بخود متلاشی نمی شوند، اما در جوار ماده، به ترتیب با الکترون و پروتون ترکیب می شوند و ذرات سبکتری را به وجود می آورند. تا سال 1960 در حدود 30 ذره شناخته شده بود.
3ـ در دوره سوم یعنی از سال 1960 تاکنون، تعداد ذرات بنیادی شناخته شده به سرعت افزایش یافته است. بیشتر این ذرات به سرعت و در مدتی کمتر از
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245522.jpg)
ذرات بنیادی دارای خواصی چون جرم سکون (جرم ذره سوای هر جرمی که بنابر تئوری نسبیت می تواند داشته باشد)، اسپین (اندازه حرکت زاویه ای) و بار الکتریکی می باشند. به همین دلیل ذرات بنیادی را از دیدگاه های مختلف طبقه بندی می کنند:
1ـ ذره ها و ضد ذره ها: براساس تفاوتی که مکانیک کوانتومی نسبیتی برای ذره ها و ضد ذره ها پیش بینی کرده است.
2ـ طبقه بندی از نظر جرم: که برحسب سنگینتر شدن عبارتند از:
الف ـ لپتون ها(9) که از سبکترین ذرات بنیادی تشکیل شده اند. از جمله ذرات این گروه می توان از الکترون، پوزیترون، نوترینو، آنتی نوترینو، مومزون منفی و مومزون مثبت (موئون) و... نام برد.
ب ـ مزون ها(10) که دارای اجرامی متوسط هستند. از جمله ذرات این گروه می توان از پی مزون منفی، پی مزون مثبت (پیون)، پی مزون خنثی، کامزون منفی، کامزون مثبت (کائون)، کامزون خنثی و ضد کامزون خنثی و... نام برد.
پ ـ باریون ها یا ذرات سنگین که شامل ذراتی مانند پروتون، ضد پروتون، نوترون و ضد نوترون می باشد.
ت ـ هیپرون ها یا ذرات بزرگ که ذرات این گروه شامل لاندای خنثی، ضد لاندای خنثی، سیگماهای مثبت و منفی و خنثی و ضد سیگماهای مثبت و منفی و خنثی، کسی خنثی، ضد کسی خنثی، کسی منفی و ضد کسی منفی و... می باشد.
فوتون و گراویتون را که دارای جرم حالت سکون صفر هستند به طور معمول در هیچیک از گروه های نامبرده جای نمی دهند.
جدول 2- برخی از ذرات و ضد ذرات بنیادی
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324555.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324556.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324557.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324558.jpg)
3ـ بوزون ها(11) و فرمیون ها(12): این طبقه بندی براساس رفتار ذرات بنیادی می باشد. بوزون ها ذراتی هستند که همزیستی با یکدیگر را دوست دارند و در هر حالت کوانتیک می توان به تعداد دلخواه از آنها پیدا کرد. اسپین این ذرات برابر با حاصل ضرب یک عدد صحیح در
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/00324559.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245510.jpg)
فرمیون های شناخته شده به دو دسته لپتون ها و باریون ها تقسیم می شوند. لپتون ها (مشتق از کلمه ای یونانی به معنای سبک) عبارتند از الکترون، موئون، نوترینوی الکترون، نوترینوی موئون (و همچنین ضد ذره هایشان). جرم لپتون ها به طور نسبی کم و همگی دارای اسپین
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245511.jpg)
لپتون ها دارای خاصیت بار مانند دیگری هستند که عدد لپتونی نامیده می شود. به این ترتیب که عدد لپتونی فرمیون ها 1+ و عدد لپتونی ضد ذراتشان 1- است. در هر واکنشی که لپتون ها در آن شرکت کنند، حاصل جمع جبری اعداد لپتونی باید ثابت بماند (قانون بقا لپتونی). ولی با این همه عدد لپتونی منشأ هیچ کنش شناخته شده ای نیست. در سال 1961 بود که مطالعه درباره نوترینوها در آزمایشگاه بروکهیون توسط ملوین شوارتز(13) و دیگران آغاز شد. آنها در سال 1961 نشان دادند که دو نوع نوترینو وجود دارد: یکی وابسته به موئون (نوترینوی موئون) و دیگری وابسته به الکترون (نوترینوی الکترون).
باریون ها از جمله فرمیون هایی هستند که اسپین آنها برابر با حاصل ضرب عددی فرد ـ نیمه در
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245512.jpg)
اینکه چرا بار الکتریکی باریون ها و لپتون ها برابر است یکی از پرسش های بی پاسخ فیزیک است. باریون ها نیز خاصیت بار مانندی به نام عدد باریونی دارند. عدد باریونی برای باریون ها 1+ و برای ضد باریون ها 1- است. ذرات دیگر هیچکدام عدد باریونی ندارند. کنش های متقابل قوی موجب می شوند که باریون ها به سرعت به یکدیگر تبدیل شوند. به همین دلیل مطالعه کنش های متقابل قوی از زمانی که نخستین شتابگر پر انرژی در 1952 ساخته شد تاکنون، از حوزه های مهم پژوهش فیزیک تجربی بوده است.
در مورد اسپین ذرات بنیادی باید گفت که هر چند این ویژگی ذرات را به چرخش فرفره تشبیه می کنند ولی در این مورد نکاتی وجود دارد از جمله اینکه:
1ـ در فرفره یک سطح خارجی وجود دارد که حول محور فرفره می چرخد.
2ـ سرعت فرفره متغیر است.
3ـ گشتاور مداری یا گشتاور جنبشی فرفره ثابت نیست.
اگر عامل خارجی قصد کند که چگونگی حرکت ذرات بنیادی را تغییر دهد، ذره، متلاشی و نابود می شود ولی تن به این کار نمی دهد. هر چند کاشفین اسپین، به سادگی آن را چرخش اختصاصی الکترون می دانستند اما از دیدگاه مکانیک کوانتا، که الکترون را مانند یک نقطه تصور می کند، محور یک نقطه مفهومی نخواهد داشت. از این رو چرخش یک نقطه به دور خودش و یا روی خودش نیز بی معنی می شود.
«اشکالی که پیش آمده، ناشی از این حقیقت است که راهی برای مشاهده اسپین وجود ندارد. همان طوری که نتوانسته ایم تصویر قانع کننده ای از موج ـ ذره الکترون و یا ذره ـ موج فوتون بدست آوریم. وجود اسپین الکترون اتمی از اینجا روشن می شود که به گشتاور زاویه ای ناشی از حرکت الکترون به دور هسته، مقداری را که وابسته به حرکت اختصاصی آن است می افزاییم. این مقدار بستگی به نزدیکی و دوری الکترون از هسته نداشته و برای یک الکترون آزاد یا وابسته تفاوتی ندارد. در واقع اسپین الکترون همیشه ثابت بوده و از الکترون جدا ناشدنی است. همچنین باید دانست واحد اسپین برای کلیه ذرات
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245513.jpg)
در دهه 1930 تا حدودی تصویر متقارنی از ذرات بنیادی پدید آمده بود: در مجموع چهار ذره بنیادی در دو خانواده دوتایی وجود داشت. الکترون و نوترینو که جفتی به نام لپتون ها را تشکیل می دادند، و پروتون و نوترون نیز که جفتی به نام هادرون ها(15) را به وجود می آورند.
از سال 1945 تا 1974 فیزیکدانان بیش از 100 نوع ذره یافتند که از کنش متقابل قوی متأثر می شدند. (از آن پس به این مجموعه عنوان هادرون ها داده شد) در حالیکه فقط دو نمونه جدید لپتون (ذراتی همچون الکترون که نیروی قوی را احساس نمی کنند) کشف کرده بودند. این لپتون های جدید عبارت بودند از: موئون (مومزون) و یک نوترینوی دوم.
دانشمندان احساس کردند که انواع ذرات به قدری زیاد شده اند که همه نمی توانند بنیادی باشند. در جریان مطالعه نیروی قوی، الگوهایی منظم در میان هادرون ها پدیدار شد. این الگوها که به راه هشتگانه(16) معروفند، نقشی عمده در تحول بعدی درک فیزیکدانان از ذرات بنیادی ایفا کردند. در نهایت معلوم شد که هادرون ها از ذراتی به نام کوارک تشکیل شده اند. در نتیجه ذرات بنیادی عبارت شدند از لپتون ها و کوارک ها.
«اکثریت عظیم هادرون ها را می توان با فرض وجود فقط دو نوع کوارک، یک کوارک بالا (up) و یک کوارک پایین (down) فهمید. برای مثال نوترون و پروتون به ترتیب عبارت می شوند از ddu (دو کوارک d و یک کوارک u ) و uud.
از خواص کوارک ها این است که بار الکتریکی آنها در مورد کوارک u دو سوم بار پروتون و در مورد کوارک d، منهای یک سوم بار پروتون است.»(17)
هادرون هایی که قبل از 1974 کشف شدند و در این تصویر با کوارک های بالا و پایین نمی گنجیدند خاصیت نامعمول دیگری داشتند که شگفتی(18) نامیده می شود.
در اواخر دهه 1940 آزمایشگران نشانه هایی بر وجود ذراتی یافتند که اگرچه در واکنش های هسته ای قوی ایجاد می شدند، ولی به نظر می رسید که زمان تلاشی آنها به ذرات دیگر با استحاله های نیروی هسته ای ضعیف چون تلاشی بتایی، هم خوانتر است. فیزیکدانان که از مشاهده این آثار در شگفت شده بودند، این ذرات جدید را ذرات شگفت نام نهادند.
«اما در سال 1974 که ذره نامتعارف دیگری به نام مزون
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245514.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245515.jpg)
معلوم شد که کوارک ها قابل تبدیل به یکدیگرند. برای مثال در طی تبدیل نوترون به پروتون یک کوارک d هنگامی که به کوارک u تبدیل می شود
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245516.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245523.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245524.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245525.jpg)
در زمانی که فیزیکدانان هنوز نمی دانستند که چرا طبیعت خود را تکرار می کند، مارتین پرل(23) و همکارانش در سال 1975 در دانشگاه استنفورد آمریکا نسل سومی از لپتون ها را کشف کردند. این لپتون های جدید ذره تاو،(24) و نوترینوی مربوط به آن می باشند. تاو از پروتون سنگینتر است و از این رو نام لپتون به معنای سبک بر آن بی مسمی است. به این دلیل است که امروز اصطلاح لپتون را فقط برای مشخص ذراتی به کار می بریم که از نیروی قوی متأثر نمی شوند.
آیا در نسل سوم نظیری نیز برای کوارک ها وجود دارد؟ این از موارد عمده ای است که در حال حاضر فیزیکدانان سرگرم تحقیق بر روی آن هستند. کوارک پنجمی به نام ته یا پایین (bottom) نیز که بار آن منهای یک سوم است در سال 1977 کشف شد که نامزد اصلی نسل سوم کوارک هاست.
اگر به راستی نسل سومی از کوارک ها وجود داشته باشند، باید کوارک سر یا فوق (TOP) با بار دو سوم، که همزاد کوارک (b) است، در انتظار آن باشد که کشف شود. همان طور که مزون ها به عنوان ماده ای چسبنده بین پروتون ها و نوترون های هسته به حساب می آیند. بنا به فرض کوارک ها نیز به وسیله ذره ای فرضی به نام گلوئون در کنار یکدیگر قرار می گیرند. این نام از واژه (Glue) به معنای چسب، گرفته شده است. بنابراین فوتون ها به عنوان ذره حامل نیروی الکترومغناطیسی، ذرات w و z به عنوان ذره حامل نیروی ضعیف هسته ای، گلوئون ها به عنوان ذره حامل نیروی قوی هسته ای، و ذره گراویتون به عنوان حامل نیروی گرانشی شمرده می شوند.
جدول 3- ذرات حامل نیرو
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245517.jpg)
جدول 4
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245518.jpg)
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245519.jpg)
در حال حاضر برای هر کوارک سه حالت رنگی درنظر می گیرند. البته این رنگ ها ارتباطی با رنگ عادی اجسام ندارد، و در واکنش های الکترومغناطیسی نقشی مشابه با بار الکتریکی ایفا می کنند.
در جمع بندی آخرین نظریات اتمی می توان گفت که همه ذرات بنیادی جهان در دو گروه کوارک ها و لپتون ها طبقه بندی می شوند.جدول 5- لپتون ها و کوارک ها
![ذرات بنیادی ذرات بنیادی](/userfiles/Article/1392/04/02/003245520.jpg)
آینشتاین در کتاب تکامل علم فیزیک می نویسد: «هر پیشرفتی پرسش های جدیدی را نیز همراه خود می آورد. و همراه هر تکاملی، اشکالات تازه و عمیقتری آشکار می شود. علم کتابی نیست که به آخر رسیده باشد و هرگز هم چنین نخواهد بود... در علم هیچ تئوری جاودانی وجود ندارد...»
پی نوشت ها :
1ـ Fundamental Particles (Elementary Particles, Sub-Atomic Particles)
2ـ Murray Gell-Mann
3ـ Quark
4ـ Robert Oppenheimer
5ـ Zeldowitch
6ـ Muons
7ـ Hyperons
8ـ Xi
9ـ Leptons
10ـ Mesons
11ـ (مشتق شده از نام فیزیکدان هندی زاگادیس شاندرا بوز) Bosons
12ـ Fermions
13ـ Melvin Schwartz
14ـ الفبای مکانیک کوانتا، اثر ویتالی رایدنیک، ترجمه مجتبی جعفرپور، انتشارات گوتنبرگ، صفحه های 119 و 120
15ـ Hadrons
16ـ Eightfold Way
17ـ کوارک ها و لپتون ها، اثر جرالد فاینبرگ و...، ترجمه م ـ حیدری خواجه پور، انتشارات گستره، صفحه 57
18ـ Strengness
19ـ Charm
20ـ James Bjorken
21ـ کوارک ها و لپتون ها، صفحه 59
22ـ Generations
23ـ Martin Perl
24ـ Tau
25ـ Jogesh Pati
26ـ Preon
منبع مقاله: ارزنده نیا، محمد، (1387) اتم و الفبای کتاب طبیعت، تهران: اطلاعات، کتابهای سپیده، چاپ سوم
ارزنده نیا، محمد، (1387) اتم و الفبای کتاب طبیعت، تهران: اطلاعات، کتابهای سپیده، چاپ سوم