مقاله فارسی مدل كوچكترين ذرات طبيعت و بر همكنش بين آنها

برهم كنش ذرات رنگي
اكتشافي كه جايزه نوبل فيزيك امسال رااز آن خود كرد اهميتي اساسي در فهم ما از چگونگي كاركرد يكي از نيروهاي بنيادين طبيعت داشته است. نيروييكه كوچك ترين ذرات ماده يعني كوارك ها رابه يكديگر مي چسباند. ديويد گراس ديويد پوليتزرو فرانك ويلچك توانستند با كارهاي تئوريك خود مدل استاندارد ذرات بنيادي را كامل كنند. مدلي كه كوجكترين ذرات طبيعت و بر همكنش بين آنها را توضيح مي دهد.
نيروي بر همكنش قوي
نيروي بر همكنش قوي كه اغلب به آن بر همكنش رنگي نيز مي گويند يكي از چهار نيروي بنيادين طبيعت است. اين نيرو بين كوارك ها كه ذرات بنيادي سازنده پروتون ها نوترون ها و نوكلئون ها هستند عمل ميكند. ديويد پوليتزرو فرانك ويلچك خاصيتي از نيروي بر همكنش قوي را كشف كردند كه به كمك آن مي توان توضيح داد به چه علت رفتاركوارك ها تنها درانرژي هاي بسيارزياد مانند رفتارذرات آزاد است. (درحالي كه بقيه ذرات بنيادي در انرژي هاي معمول نيز چنين رفتاري را از خود بروز مي دهند. به عبارت ديگر كوارك ها در انرژي هاي پايين هميشه در دل ذرات كه از دو يا سه كوارك ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژي هاي پايين هميشه به صورت تركيب شده با كوارك هاي ديگر ديده ميشوند.

اين تئوري از بسياري جهات توسط آزمايش هاي مختلفي به خصوص در سال هاي اخير در آزمايشگاه سرن بررسي شده است. اين كشفيات توانسته اند پايه اي براي تئوري بر همكنش رنگها (كروموديناميك كوانتومي) پي ريزي نمايند.
مدل استاندارد و چهار نيروي بنيادي طبيعت
اولين نيرويي كه انسانها با آن آشنا شدند نيروي گرانش است. اين نيرو باعث افتادن اجسام بر روي زمين و همچنين گردش سيارات به دور خورشيد و حركت ستاره ها در كهكشان است. به نظر مي رسد كه نيروي گرانش نيروي بسيار قوي است به عنوان مثال ارسال يك موشك به خارج از جو زمين احتياج به صرف انرژي و سوخت بسياري دارد. با اين حال در جهان ريز ميكرو سكوپيك در مقايسه با نيروي بين ذراتي از قبيل الكترون و پروتون نيروي گرانش نيروي بسيار ضعيفي است سه نيروي ديگر طبيعت كه اثر آنها اغلب در حوزه جهان هاي ريز ميكروسكوپيك ديده مي شود عبارتند از نيروهاي بر همكنش.
الكترو مغناطيسي بر همكنش ضعيف وبر همكنش قوي. چگونگي عملكرد اين سه نيرو توسط نظريه مدل استاندارد توضيح داده مي شود. اين نظريه، نظريه اي بسيار قوي است براي اينكه ميتواند نظريه نسبيت خاص انيشتن و مكانيك كوانتومي را يكجا دربر بگيرد.(البته به خاطر
مسائل و مشكلات تكنيكي هنوز نمتوان آن را نظريه اي كامل و سازگار دانست).
مدل استاندارد مي تواند توضيحي براي كوارك ها، لپتون ها و ذراتي كه نيروها را حمل مي كنند ارائه كند. كوارك ها به عنوان نمونه سازنده ذراتي مانند پروتونها ، نوترونها هستند.
الكترون ها كه سازنده پوشش بيروني اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تا جايي كه مي دانيم الكترون ها خود از ساختارهاي ريزتري تشكيل نشده اند.
بر همكنش الكترو مغناطيسي سازنده نور و چسبندگي مواد
بر همكنش الكترو مغناطيسي مي تواند توصيفي مشترك براي بسياري از پديده ها كه جهان ما را در بر گرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطكاك، مغناطيس و علت ا ينكه چرا جسمي بر روي ميز از درون ميز عبور نمي كند، به كمك اين نيرو قابل توضيح هستند. نيروي الكترو مغناطيسي كه در اتم هيدروژن، الكترون و پروتون را به هم پيوند مي دهد به اندازه غير غابل تصور 1041 بار از نيروي گرانشي بين آنها قوي تر است. اندازه اين دو نيرو متناسب با مربع فاصله كاهش مي يابد با اين حال نيروهاي بلند برد محسوب مي شوند.
هر دوي اين نيروها يعني الكترو مغناطيس و گرانش توسط ذرات حامل كه به ترتيب فوتون(ذرات نور) و گراويتون هستند حمل مي شوند. بر خلاف فوتون ذره گراويتون هنوز به صورت آزمايشگاهي كشف نشده است. دليل
بلند برد بودن اين دو نيرو را مي توان به كمك اين واقعيت كه ذرات حامل اين نيروها بدون جرم هستند توضيح داد. فيزيكدانان توانسته اند به كمك تئوري الكتروديناميك كوانتومي توصيف مناسبي براي بر همكنش الكترو مغناطيسي ارائه نمايند. اين تئوري يكي از موفقيت آميزترين تئوري هاي فيزيكي است كه با دقت يك در ده ميليون با نتايج آزمايشگاهي توافق دارد. توموناگا، جوليان شوينگر و ريچارد فاينمن جايز فيزيك در سال 1965 رابراي اين نظريه از آن خود كردند. يكي از دلايل موفقيت اين نظريه وجود يك ثابت كوچك به اسم ثابت كوپلاژ 137/1 در معادلات است. وجود اين ثابت كوچكتر از يك اين امكان را فراهم مي سازد كه براي محاسبه اثر نيروي الكترو مغناطيس از بسط سريها در معادلات استفاده شود. اين روش رياضي كه به آن روش حل اختلالي مي گويند توسط فاينمن بسط و گسترش يافت. يكي از خواص مهم نظريه الكترو ديناميك كوانتومي اين است كه ثابت كوپلاژ در انرژي هاي مختلف مقادير مختلفي دارد. اين مقدار با افزايش انرژي افزايش مي يابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده سرن مقدار آن به جاي 137/1 ،128/1 در انرژي حدود 100 بيليون الكترون ولت اندازه گيري شده است. اگر نمودار اندازه ثابت كوپلاژ نسبت به انرژي رسم شود، آن گاه اين منحني داراي يك شيب آرام به سمت بالا خواهد بود كه فيزيكدانان اصطلاحا” مي گويند شيب منحني يا تابع بتا مثبت است.
بر همكنش ضعيف و واپاشي راديواكتيويته
حدود 100 برابر جرم +- Wو Z0 نيروى برهمكنش ضعيف توسط ذرات بوزونى نيرو يك نيروى كوتاه برد است. اين نيرو هم بر روى كوارك ها و هم بر روى لپتون ها اثر مى كند و علت واپاشى راديواكتيويته است. اين نيرو نسبت بسيار نزديكى با نيروى الكترو مغناطيس دارد به طورى كه فيزيكدانان توانستند هر دوى آنها را به صورت نيروى واحدى به نام برهمكنش الكترو ضعيف وحدت ببخشند (۱۹۷۰). جرارد هوفت و مارتينز ولتمن به خاطر فرمول بندى اين دو نيرو در يك نظريه واحد جايزه نوبل سال ۱۹۹۹ را از آن خود كردند

برهمكنش قوى _ بار و رنگ
از دهه ۱۹۶۰ مشخص شده بود كه پروتون و نوترون از ذرات بنيادى ترى به اسم كوارك ساخته شده اند. اما نكته عجيب اين بود كه امكان ساخت ذره كوارك به صورت آزاد وجود نداشت. آنها هميشه محبوس هستند و اين خاصيتى بنيادى براى اين ذرات است.
تنها جمع كوارك ها به صورت دوتايى و سه تايى مى تواند وجود داشته باشد. بار الكتريكى كوارك ها كسرى از بار الكتريكى پروتون است به صورت يك سوم يا دو سوم بار پروتون و اين خاصيتى است عجيب كه هنوز توضيحى براى آن يافت نشده است. هر كوارك علاوه برداشتن بار الكتريكى خاصيت ويژه ديگرى نيز دارد كه مانند بار الكتريكى كميتى كوانتنيزه است و تنها مى تواند مقادير ويژه اى داشته باشد. به اين خاصيت بار رنگى گفته مى شود. كوارك ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر كوارك يك پادكوارك نيز وجود دارد مانند پوزيترون كه پاد ذره الكترون است. پادكوارك ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى يا پاد سبز هستند. جمع كوارك هايى كه در طبيعت مى توانند وجود داشته باشند بايد داراى بار رنگى خنثى باشند همانطور كه تشكيل مولكول هاى خنثى (از نظر الكتريكى) به خاطر جاذبه الكتريكى بين اجزاى مثبت و منفى آن است. نيروى بين پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نيروى بين بار هاى رنگى كوارك هاى تشكيل دهنده آنها به وجود مى آيد.نيروى بين كوارك ها
توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. اين ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار رنگى هستند. همين خصوصيت باعث پيچيدگى توضيح اين نيرو و تفاوت آن با نيروى الكترو مغناطيس است.
براى سال ها فيزيكدانان اعتقاد داشتند كه نمى توان روشى براى محاسبه برهمكنش قوى ميان كوارك ها يافت كه شبيه روش محاسبات برهمكنش هاى الكترو مغناطيسى و ضعيف باشد. به اين دليل كه ثابت كوپلاژ براى برهمكنش قوى بزرگ تر از يك است و نمى توان روش اختلالى فاينمن (كه در بالا توضيح داده شد) را براى محاسبات اين نظريه به كار برد. متاسفانه تا به امروز نيز روش رضايت بخشى براى محاسبه برهمكنش قوى يافت نشده است.به نظر مى رسد كه شرايط در انرژى هاى بالا بدتر هم باشد البته به شرط آنكه تابع بتا براى اين تئورى مثبت باشد كه در نتيجه ثابت كوپلاژ با بالا رفتن انرژى افزايش مى يابد و محاسبات را دشوارتر مى سازد.كورت زيمانسكى فيزيكدان آلمانى دريافت كه تنها راه رسيدن به يك نظريه معقول پيدا كردن يك تابع بتا منفى براى اين نظريه است. اين رهيافت همچنين مى تواند علت آنكه گاهى اوقات كوارك ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشكار مى سازند توضيح دهد. اثرى كه در آزمايش برخورد ميان الكترون و پروتون ديده مى شود.
متاسفانه زيمانسكى خود نتوانست به اين نظريه دست يابد حتى جرارد هوفت در تابستان ۱۹۷۲ به اين كشف نزديك شده بود ولى فيزيكدانان ديگر نااميد شده بودند
زيرا شواهد نشان مى داد كه يك نظريه واقعى بايد داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه ديگر مشخص شده است كه اين موضوعى نادرست است زيرا در ژانويه ۱۹۷۳ دو مقاله پى در پى در مجله فيزيكال ريويولترز توسط گراس و ويلچك و ديگرى توسط پوليتزر به چاپ رسيدند كه در كمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادير منفى داشته باشد. آنها زمانى اين كشف را انجام دادند كه كاملاً جوان بودند در اين حد كه حتى گراس و ويلچك هنوز دانشجويان تحصيلات تكميلى بودند.مطابق نظريه آنها حامل هاى نيروى برهمكنش قوى يعنى گلوئون ها داراى خاصيتى غيرمنتظره و ويژه هستند به اين صورت كه آنها نه تنها با كوارك ها بلكه خودشان نيز برهمكنش مى كنند.طبق اين خاصيت هنگامى كه كوارك ها به يكديگر نزديك مى شوند برهمكنش بار رنگى ميان آنها كاهش مى يابد. كوارك ها موقعى به يكديگر نزديك مى شوند كه انرژى آنها افزايش يافته باشد و طبق اين نظريه اندازه برهمكنش در اين هنگام كاهش مى يابد. اين خاصيت كه به آن «آزادى مجانبى» مى گويند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت ديگر برهمكنش با افزايش فاصله افزايش مى يابد كه اين مى تواند توضيحى براى اين باشد كه چرا كوارك ها هميشه در نوكلئون ها محبوس هستند. آزادى مجانبى اين امكان را فراهم مى سازد كه بتوان فاصله اى را كه در آن كوارك ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى كنند، محاسبه كرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسيار زياد با يكديگر مى توان آنها را به اندازه كافى به يكديگر نزديك كرد. هنگامى كه آزادى مجانبى كشف شد و نظريه QCD فرمول بندى شد
محاسبات توانستند توافق بسيار خوبى با نتايج آزمايشگاهى از خود نشان دهند.
آبشار ذرات حقيقت را فاش مى كند QCD
 توسط آزمايش برخورد الكترون و پاد ذره آن يعنى پوزيترون در انرژى هاى بالا صورت مى گيرد. در اين آزمايش الكترون و پوزيترون يكديگر را نابود مى كنند و مطابق معادله اينشتين
E=mc2
 انرژى اين ذرات مى تواند به صورت ذرات جديدى ظاهر شود، به عنوان مثال ذرات كوارك. در اين فرآيند ذرات كوارك در فواصل بسيار نزديك به هم آفريده مى شوند و با سرعت بسيار زيادى از يكديگر دور مى شوند. امروزه مى توان اين فرآيند را به كمك مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه كرد.در حقيقت وقتى كوارك ها مى خواهند از يكديگر دور شوند تحت تاثير نيروى افزايش يابنده برهمكنش قوى قرار مى گيرند (در بخش قبل توضيح داده شد) كه اين نيرو باعث توليد زوج ذرات جديد كوارك مى شود و بدين ترتيب آبشارى (رگبارى) از ذرات در جهت كوارك و پادكوارك اوليه توليد مى شود. با اين حال اين فرآيند خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اوليه را در خود نگه مى دارد كه مى توان تاثير آن را بر احتمالات
وقايعى كه در آبشار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه كرد. نتايج اين محاسبات با آزمايش  ها توافق زيادى دارد.واقعه بسيار قانع كننده ديگرى كه در شتاب دهنده DESY در هامبورگ آلمان در اواخر ۱۹۷۰ يافت شد وجود سه آبشار در آ زمايشات بود كه اين فرآيند را مى توان در نظر گرفتن تابش گلوئون از كوارك _ پادكوارك اوليه به خوبى توضيح داد. (شكل سه)آزادى مجانبى حتى توانست پديده اى را كه قبلاً در شتاب دهنده استانفورد ديده شده بود توجيه نمايد. (فريدمن _ كندال و تيلور- جايزه نوبل ۱۹۹۰) اجزاى سازنده پروتون ها كه داراى بار الكتريكى هستند (كوارك ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى كنند در اين حالت اندازه حركت كوارك ها تنها نصف اندازه حركت پروتون ساخته شده از آنها است و بقيه اندازه حركت پروتون ناشى از اندازه حركت گلوئون ها است 
آيا مى توان نيروهاى طبيعت را وحدت بخشيد
 
يكى از جالب ترين آثار آزادى مجانبى در نظريهQCD
 به وجود آمدن امكان توصيف واحد براى نيروهاى طبيعت است. هنگامى كه نمودار مقدار ثابت كوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمكنش هاى الكترومغناطيسى، ضعيف و قوى بررسى مى كنيم، اين موضوع آشكار مى شود كه اين سه نمودار يكديگر را در يك نقطه اى با انرژى بالا (به طور تقريبى نه به صورت دقيق) قطع مى كنند و در اين نقطه
مقدار يكسانى دارند. بدين ترتيب مى توان ديد كه اين سه نيرو با همديگر يكى شده اند و اين يكى از روياهاى قديمى فيزيكدانان است كه دوست دارند قوانين طبيعت را به ساده ترين زبان ممكن توضيح دهند.با اين حال براى آنكه روياى وحدت نيروها به واقعيت بپيوندد بايد اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. يك راه ممكن در نظر گرفتن ذرات جديدى به اسم ذرات ابرتقارن است كه اگر جرمشان به اندازه كافى كم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت
LHC
 در
CERN
 بررسى كرد.اگر ابرتقارن كشف شود مى تواند پشتوانه قويى براى نظريه ابرريسمان ها باشد كه آن نيز شايد بتواند نيروى گرانش را با بقيه نيروها وحدت ببخشد. صرف نظر از اين پيشرفت ها كشف آزادى مجانبى در
QCD
 تغييرات عميقى را در فهم ما از نيروهاى بنيادين طبيعت به وجود آورده است
 
منابع و مآخذ :

فایل : 12 صفحه

فرمت : Word