فيزيك ذرات بنيادي

امروزه مدت زيادي نگذشته كه ثابت شده تمامي مواد از مولكول ها، مولكول ها هم از اتم ها، اتم ها از هسته ها و الكترون ها و هسته ها از پروتون ها و نوترون ها تشكيل شده اند اما پروتون ها و نوترون ها والكترون ها از چه چيزي تركيب يافته اند؟ اين ذزات ، ذرات بنيادي يعني ذرات غير قابل تجزيه نام دارند. با فرض اينكه تجزيه بيشتر آنها باعث مي شود كه به ذرات ديگري تبديل شود.

تاريخچه

در اواخر قرن بيستم دانشمندان درباره ساختمان پنهاني ذرات بنيادي به يك مطالعه سيستماتيك و مداوم پرداختند. اين مطالعه ابتدا از نوكلئون ها (اجزاي هسته ) يعني پروتون ها و نوترون ها شروع شد. عموما در فيزيك هسته اي اين كار مي توانست دردوخط اصلي ادامه يابد.

بررسي پديده هاي شامل ذرات بنيادي با فيزيك هسته اي

كوشش براي شكستن يا خرد كردن يك ذره بنيادي در صورت امكان و تبديل آن به اجزا تشكيل دهنده اش اگر اجزا تشكيل دهنده اي داشته باشد. براي اين منظور ذرات مشابه ديگر را با سرعت هاي حتي المقدور نزديك به سرعت نور شتاب داده و اين گلوله هاي شتاب دار را به ذرات بنيادي موجود در اتم هاي ديگر برخورد مي دهند. براي مثال براي بمباران هيدروژن يونيزه شده (يعني پروتون) از پروتون هاي شتابدار يا براي بمباران پروتون و ذرات آلفا از پروتون و ذرات آلفا ي ديگر استفاده گردد.

انرژي لازم براي اين عمل فقط مي تواند به كمك شتابدهنده هاي قوي ذرات باردار فراهم شود توليد ذرات باردار شتابدار براي دسترسي به انرژي هاي دهها ميليون و بالاخره دهها هزار ميليون الكترون ولت زماني يك كار بزرگ تلقي مي شد.

بررسي ساختمان ذرات بنيادي

اين روش بر اساس پديده آشناي نوري قرار داشت. هر چه ماده مورد مشاهده كوچكتر باشد طول موج نور تابانده شده به اين ماده بايستي كوتاهتر گردد. اگر طول موج نور از طول جسم بزرگتر باشد موج به آساني از اطراف جسم عبور كرده و چيزي ديده نمي شود. و اگر از طول جسم كوچكتر باشد موج منعكس شده بازتاب نور) و جسم روشن شده و قابل رويت مي گردد.

ديدگاه موجي ذرات

دوبروي (DeBroglie) كشف كرد كه هر چه ذرات سريعتر حركت كنند خواص موجي بيشتري از خود نشان مي دهد. پس از اين كشف تهيه نوعي ميكروسكوپ الكتروني ممكن گرديد كه در آنها الكترون با انرژي 100Kev شتاب داده مي شد. اين ميكروسكوپ رويت اجسام با قطر چند انگستروم را ميسر مي سازد. كه هر آنگستروم برابر 8- ^ 10 سانتيمتر مي باشد.

 

مطابق نظريه دوبروي هرچه ذرات سنگين تر بوده و سريعتر حركت كند ، طول موج معادل آن كوتاهتر خواهد بود. اين مطالب نشان مي دهد اگر الكتروني تا انرژي چند صد ميليون الكترون ولت شتاب داده شود طول موجش آنقدر كوچك مي شود كه متناسب با اندازه ذرات هسته اي شده و مي تواند براي بررسي ساختمان هسته اتمي بكار رود.

ساختار فيزيك ذرات بنيادي

- از بازتاب و پخش اين فيزيك امواج براي اندازه گيري ذرات داخل هسته استفاده مي شود. اگر الكتروني تا انرژي يك يا دو هزار ميليون الكترون ولت شتاب يابد طول موج الكترون چندين مرتبه كوچكتر از قطر ذرات هسته اي مي شود. اين فيزيك امواج تحقيق ساختمان پروتون هاو نوترون ها را ممكن مي سازد از روزي كه دانشمندان به يك "توپخانه اتمي قوي" مسلح شدند.ذرات جديد اتمي يكي پس از ديگري كشف گرديد.

- انرژي معادل با يك ميليون الكترون ولت موجب كشف الكترون مثبتي به نام پوزيترون شد. شتاب دهنده هايي با صدها ميليون الكترون ولت تهيه مصنوعي مزون ها را ممكن ساخت. مزون ها اولين بار در پرتوهاي كيهاني كشف شدند.توسعه شتابدهنده هاي با انرژي بسيار زياد موجب كشف ضد ذرات گرديد.ضد ذرات تشكيل دهندگان اصلي ضد ماه مي باشد كه عمده ترين انها عبارتند از: ضد پروتون ، ضد نوترون و غيره.

- بسياري از ذرات كشف شده ، ذرات ناپايدارند آنها پس از يك دوره زماني بسيار كوتاه تجزيه شده و به تعدادي ذرات كوچكتر و پايدارتر تبديل مي شود اين ذرات كوچكتر پايدارتر شامل : الكترون ها ، نوترون ها ، اشعه گاما و يا نوترينو ها مي باشند.

- ذرات ناپايدار ممكن است به ضد ذرات معادل خود كه اصولا پايدارترند ، تبديل مي گردند.

- همانگونه تا بحال معلوم شده هيچيك از ذرات بنيادي شناخته شده نمي توانند به اجزا كوچكتر شكسته شوند. آنها همگي به نام ذرات بنيادي معرفي شده است به همين دليل نشان مي دهد كه ساختماني ندارند.

تقسيم بندي ذرات ناپايدار :

ذرات ناپايدار بدو گروه به صورت زير تقسيم مي شوند:

- يك دسته از آن شامل ذرات سنگين تر از الكترون ولي سبك تر از پروتون است كه مزون (Meson) نام دارند.

- گروه ديگر شامل ذرات سنگين تر از پروتون است كه هيپرون(Hyperon) خوانده مي شوند. هيپرون ها فقط به ذرات هسته اي از جمله پروتون ها و نوترون ها تجزيه مي شوند.

جهان ، بزرگترین مجموعه ممکن است که از ذرات بنیادی شکل یافته است. این ذرات توسط نیروهای گرانشی ، الکترومغناطیسی و هسته‌ای به هم پیوند یافته‌اند. سلسله مراتب ساختمانی آن در فضا ( از هسته‌های اتم گرفته تا ابر کهکشانها) و سیر تکاملی آن (از گوی آتشین تا اشکال کنونی) توسط ویژگیهای ذرات بنیادی و برهمکنش آنها اداره می‌شود. بنابراین ، تشریح ساختمان جهان و تکامل آن بر اساس خواص و برهمکنش ذرات بنیادی صورت می‌گیرد.
ماده جهان از ذرات بنیادی تشکیل شده است. اجسام ، بدن انسان ، ستارگان و ... سیستم‌هایی متشکل از ذرات بنیادی هستند که از نظر تعداد و نحوه جفت و جور شدن با هم تفاوت دارند. بنابراین ، وجود ذرات بنیادی باید در تمام پدیده های جهان ملموس باشد. فیزیک ذرات بنیادی درک عمیقتر و دید بالایی را در مورد ساختمان و تکامل اجسام منفرد مانند اتم‌ها ، مولکول‌ها ، بلورها ، صخره‌ها ، سیارات ، ستارگان ، منظومه‌های ستاره‌ای و کل جهان ارائه می‌دهد. برای همین مطالعه ذرات بنیادی برای فیزیک معاصر و بخصوص اختر فیزیک و کیهان شناسی اهمیت اساسی دارد.

خواص ذرات بنیادی

• ذرات بنیادی دیده نمی‌شوند. فقط از اثری که می‌گذارند و یا پدیده‌هایی را که سبب می‌شوند ، پی به وجودشان برده می‌شود.
• برخی خواص ذرات بنیادی با تعمیم مفاهیم فیزیک کلاسیک ناشی می‌شود. مانند ؛ جرم ، انرژی و بارالکتریکی
• برخی دیگر از خواص ذرات بنیادی ریشه در مکانیک نسبیتی دارد. مانند ؛ زمان ویژه ، طول ویژه
• عمده خواص ذرات بنیادی با تئوری‌های مکانیک کوانتومی تشریح می‌شوند. برای درک این رفتارها ، پدیده‌های کوانتومی از جمله اسپین ، بار لپتونی ، بار باریونی ، اسپین ایزوتوپی ، شگفتی ، زوجیت ، کوانتوم عمل ، نابودی زوج ، تولید زوج ، اصل طرد پاولی ، اصل دوگانگی موج و ذره و ... بایستی بررسی شوند.
• هر ذره ، توسط مجموعه‌ای از اعداد مشخص می‌شود که آن را از دیگر ذرات مجزا می‌کند. و ویژگیهای آنرا توضیح می‌دهد.
• ویژگیهایی همچون جرم سکون ، بارالکتریکی ، اسپین ، بار باریونی ، بار لپتونی ، شگفتی ، اسپین ایزوتوپی ، زوجیت برای ذرات بنیادی ساکن هستند اما خواص اندازه حرکت خطی ، اندازه حرکت زاویه‌ای ، انرژی کل به دنیای اطراف ارتباط دارند.

جرم ذرات بنیادی

جرم ذرات بنیادی بسیار کوچک است ، از اینرو آنها را می‌توان تا سرعت بالایی رساند. مانند فوتونها که بدون جرم بوده و بالاترین سرعت ممکن «سرعت نور) را دارا هستند. سبکترین ذره با جرم غیر صفر الکترون است با جرمی در حدودm_e = 9x10^-28 gr اغلب به عنوان واحدی برای سنجش جرم سایر ذرات به کار می‌برند. جرم پروتون برابر m_p=1836m_e و جرم نوترون m_n=1838.6m_e می‌باشد.

انرژی ذرات بنیادی

انرژی به سبب تغییرپذیری زیادش بر کل جهان حاکم است که ساختمان فضایی ، تکامل زمانی تمام سیستم‌ها از ذرات بنیادی گرفته تا خوشه‌های کهکشانی را تعیین می‌کند. این تنوع انرژی به چند برهمکنش معدود بین ذرات بنیادی می‌تواند تقلیل یابد.

عدد باریونی

ذرات سنگین ، باریون نام دارند. چنانچه باریونها به حال خود رها شوند ، متلاشی می‌گردند. تنها باریون پایدار پروتون است. در تمام فرایندهای مشاهده شده ، تعداد باریونها همواره بقا دارد «قانون بقای باریون ΔN=0).قانون بقای باریون پایداری پروتونها را بیان می‌کند ، باریونی سبکتر از پروتون وجود ندارد. آزمایشات نشان داده‌اند که مدت زمانی که طول می‌کشد تا پروتون تلاشی یابد طولانی تراز 10²² سال ، یعنی <10¹² بار طولانی تر از عمر جهان باشد. عدد بار یونی را با N نشان می‌دهند که برای باریونها (پروتون ، نوترون ، هیپرونها) N=+1 ، برای پاد باریونها N=-1 برای سایر ذرات مزونها ، لپتونها) N=0 ، برای هسته‌ها N>+1 ( N برابرعدد جرمی A است) و برای پاد هسته ها N<-1(Nبرابر –A است) می باشد.

عدد لپتونی

فرمیونهای سبک همان لپتونها هستند که عدد لپتونی را با L نشان می‌دهند. برای لیپون‌ها «الکترون ، موئون ، نوترینو) این عدد برابر L=+1 ، برای غیر لیپونها (باریونها ، بوزونها) این عدد برابر L=0 و برای پالیتونها «پوزیترون ، موئون مثبت ، پادنوترینو) این عدد برابر L=-1 می‌باشدو قانون بقای لیپتون بصورت ΔL=0 می‌باشد. یعنی مجموع تمام لیپتونها قبل و بعد از واکنش مقدار ثابتی دارند.

ایزواسپین

برهمکنش قوی نوکلئون‌ها در هسته ، به بار الکتریکی بستگی ندارد. اندرکنش‌های N-P ، N-N ، P-P ، همگی شبیه هم هستند و تفاوت چندانی بین نکلئونهای باردار و خنثی وجود ندارد. که اختلاف آنها به وسطه ایزواسپین بیان می‌شود.

شگفتی

شگفتی (strangeress) به منظور توضیح یک رفتار عجیب بین هیپرونها و مزونهای K (کائونها) معرفی شده است. این ذرات توسط برهمکنش قوی به وجود آمده‌اند و از طریق برهمکنش ضعیف متلاشی می‌شوند.

زوجیت

زوجیت یکی از ویژگیهای اساسی ذرات بنیادی است که متناظر با انعکاس آینه ای مختصات فضایی است. این ویژگی ، یک خاصیت تقارنی تابع موج است. زوجیت ممکن است مثبت یا منفی باشد بر حسب آنکه تابع موج در اثر انعکاس فضایی ، زوج یا فرد باشد. زوجیت در بر همکنش‌های قوی و الکترومغناطیسی بقا دارد. اما در برهمکنش‌های ضعیف نقض می شود.

چکیده

ذرات بنیادی واحدهای اساسی برای ساختمان جهان می باشند و بر اساس جرم در حال سکونشان به بار یونها (ذرات سنگین) ، لپتونها (ذرات سبک) و مزونها (ذرات میان وزن) طبقه بندی می شوند.

• بیشتر ذرات بنیادی و احتمال تمام آنها می توانند در نتیجه تبدیل انرژی به ماده به وجود آیند حداقل انرژی لازم برای تولید گروهی از ذرات از معادله انرژی انیشتین بدست می آید.
• در چگالی های زیاد ذرات ناپایدار «نوترون ، هیپرونها ، مزونها) پایدار می شوند. و نیز ذرات پایدار «الکترون و پروتون) می‌توانند در اثر برخوردهای متقابل با ذرات خود نابود شوند.
• چنانچه واحدهای اساسی پایدار (ذرات بنیادی پایدار) ، دارای وجود تضمین شده‌ای نباشند، هیچ چیز در جهان مادی وجود تضمین شده‌ای نخواهد داشت.

ذرات بنیادی

پی بردن به اجزای سازنده طبیعت از 2500 سال قبل که یونانیان ایده اتم باوری را مطرح کردند، ذهن پژوهشگران را به خود مشغول کرده اند.

هر چند طبیعت همه اجسام مادی را ازتقریبا 100 عنصر تشکیل می دهد.

اما این اتم ها را می توان فقط با توجه به سه ذره بنیادی:الکترون،پروتون و نوترون فهمید.

کوشش ما در جهت نگرش عمیق تر به الکترون ناموفق بوده است – بنظر می رسید که الکترون ذره بنیادی و بدون ساختار داخلی باشد.

اما وقتی نوکلئون های پرانرژی به یکدیگر برخورد می کنند،نتیجه حاصل دارای پیچیدگی بیشتر است نه سادگی.

بطوریکه صدها ذره جدید بعنوان محصول این واکنش ها پدیدار می شود.

نظم و ترتیب و طبقه بندی ویژگی های ذرات سبب پیدایش مدل کوارک و سیستم مکانیکی نوینی به نام کرمودینامیک کوانتمی شد.

چهار نیروی بنیادی

این نیروها به ترتیب افزایش قدرتشان عبارتند از:

گرانش،برهم کنش ضعیف،الکترومغناطیس،برهم کنش قوی

1.برهم کنش گرانشی:

نیروی گرانشی بین پروتون ها وقتی که سطحشان بر یکدیگر مماس است بسیار کوچکتر از نیروی قوی بین آنهاست((ده به توان منفی سی و هشت برابر)).

تفاوت بنیادی بین گرانش و سایر برهم کنش ها در آن است که،در مقیاس عملی،گرانی انباشتی و دارای برد بی نهایت است، درحالیکه بر هم کنش های قوی و ضعیف در فواصل طولانی تر از ابعاد نوکلئون تاثیری ندارند.

2.برهم کنش ضعیف:

برهم کنش ضعیف عامل واپاشی بتازا،و سایر فرایندهای واپاشی مشابه است که در آن ذرات بنیادی دخیل اند،این برهم کنش نقشی در پیوند هسته ها ندارد.

نیروی ضعیف بین دو پروتون همسایه در حدود(10 به توان 7 -) برابر نیروی قوی بین آنهاست.

نیروی ضعیف در شناخت رفتار ذرات بنیادی اهمیت دارد،ونقش آن در درک تحول عالم حیاتی است.

3.برهم کنش الکترومغناطیسی:

الکترومغناطیس در ساختار و برهم کنش های ذرات بنیادی مهم است.برد برهم کنش های الکترومغناطیسی

بی نهایت است.

بسیاری از نیروهای ماکروسکوپی معمولی (مانند اصطحکاک،مقاومت هوا،کنش و تنش) در نهایت ناشی از نیروهای الکترومغناطیسی هستند.

در داخل اتم نیروهای الکترومغناطیسی مسلط اند.

4.نیروی قوی:

نیروی قوی عامل پیوند هسته ها بشمار می آید،در برهم کنش ها و واپاشیهای اغلب ذرات بنیادی نیروی حاکم است.

بعضی از ذرات(مانند الکترون) این نیرو را به هیچ وجه حس نمی کنند. برد این نیرو نسبتا کوتاه، و در حدود

،یک فمتو متر) است.1fm)

تعریف ذرات بنیادی واقعی:

ذرات بنیادی به لحاظ نیم عمرشان و نیز پایداریشان و ظاهر شدن در واکنش ها و پدیده های میکروسکوپیک و در کل خواص شیمیایی و فیزیکی خودشان در خانواده های مختلف دسته بندی و بررسی می شوند عده ای از این ذرات با فراوانی بیشتر در اغلب اوقات ظاهر می شوند و پدیده های میکرو سکوپیک را کنترل می کنند، به ذرات بنیادی واقعی معروف هستند.

اساسا چهار دسته هیپرون وجود دارد که عبارتند از:

• هیپرون لاندا
• هیپرون سیگما
• هیپرون کسی
• هیپرون امگا

تمام هیپرون ها به ذرات هسته ای تجزیه می گردند.هر هیپرون دارای یک ضد ذره با علامت مخالف است.دنیای ذرات بنیادی هم از نظرتنوع ذرات و هم از نظر نوع تاثیرات و تبدیلات متقابل ، دنیای غنی محسوب می شود .

هادرون ها:

تحقیقاتی که با شتابدهنده ها یی بزرگ انجام شده اند بطور قوی به دانش ذرات بنیادی کمک کرده اند قبل از همه اشاره ها به بزرگترین خانواده ذرات هادرون ها یعنی ذرات شرکت کننده در برهمکنش های قوی هسته ای است ، اشاره می کنیم.

در حال حاضر چند صد از این گونه ذرات از جمله باریون ها و پاد باریون ها و مزون ها شناخته شده اند.بیشتر این ذرات در نتیجه اندرکنش ها قوی هسته ای به هادرون های دیگر وامی پاشند آنها عمر کوتاهی دارند که در فرایند های هسته ای معمول چنین زمانی ( ثانیه ^23-10) را نمی توان مستقیما اندازه گرفت.اما هادرون هایی با عمر ^13-10 تا ^8-10 ثانیه نیز وجود دارند. برد واپاشی این ذرات با عمر دراز اندرکش های ضعیف ما کم هستند.

تعداد خیلی زیادی از هادرون ها کشف شده و گروه بندی آنها در رده ها و خانواده های مختلف ، طبیعت بنیادی آنها را مبهم جلوه می دهد.مدل کوارکی ساختار هادرون ها گروه بندی هادرون ها را در خانواده و طبیعت و ساختار این خانواده ها و همچنین دیگر خواص ساده هادرون ها را بطور خیلی طبیعی توضیح می دهد.

اصول بنیادی این مدل را می توان به شرح زیر فرمول بندی کرد:

• هادرون ها را به معنای درست کلمه نمی توان جز ذرات بنیادی به شمار آورد آنها ساختار درونی پیچیده ای دارند و مانند هسته های اتمی دستگاه های مقید و متشکل از ذرات به راستی بنیادی یا اساسی اند. عناصر اصلی ساختارهادرون ها کوارک نام دارد .

• نظام هادرونی امکان می دهد که اظهار کنیم کلیه باریونهای شناخته شده از سه کوارک و پاد باریونها از سه پاد کوارک تشکیل شده اند. در حالی که تمام مزون ها از یک کوارک و یک پاد کوارک تشکیل شده است .

دست کم شش نوع کوارک وجود دارد که هر کدام آنها حاصل عدد کوانتومی جدید یعنی طعم هادرونی است و به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:

• کوارک b (کوارک زیبا)
• کوارک c (کوارک افسون)
• کوارک d (کوارک پایین)
• کوارک s (کوارک شگفت)
• کوارک t (کوارک درست)
• کوارک u (کوارک بالا)

لپتونهای متنوعی کشف شدهاند که آنها براساس خواص فیزیکی و کوانتومی ویژه خود «جرم ، بار ، اسپین و غیره) به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:

• لپتون های الکترون (e): اینها به نوبه خود دو دسته اند:
• الکترون ها
• نوترینوی الکترون

• لپتون های موئون: اینها نیز به نوبه خود دو دسته اند:
• موئون
• نوترینو موئون

• لپتون های تو (T): اینها نیز دو دسته اند:
• لپتون های تو منفی
• نوترینو تو

فوتون ها:

فوتون ها جرم در حال سکونشان برابر صفر است و اسپینی برابر یک دارند.

گلوئون ها:

گلوئون ها جرم در حال سکونشان مساوی صفر است. و اسپینی مساوی یک دارند. گلوئون ها درون هادرون ها هستند ودر حالت آزاد مشاهده نشده اند .

بوزون ها:

• در فیزیک ذرات برهمکنش های ضعیف هسته ای نیز نقش مهمی ایفا می کنند اینها تنها اندرکشی هستند که می توانند شخصیت ذرات پایه را عوض کنند. و ضمن پیروی از قوانین بقای بارهای لپتونی و باریونی موجب تبدیل های متقابل آنها شود.

• ساز و کار نیروهای برهمکنش ضعیف هسته ای مدتهای مدید نظر پژوهشگران را بسوی خود جلب کرده بود. فرضیه ای مطرح شده است که مطابق آن این نیروها از تعادل نوع خاصی کوانتوم های میدان نیروی برهمکنش ضعیف هسته ای به نام بوزون ها ی میانی ناشی می شود.

• برخلاف گلوئون ها ، بوزون های میانی مثل فوتون ها باید در حالت آزاد وجود داشته باشند. نظریه امکان وجود ، سه تا از این بوزون های میانی را پیش بینی می کند.چند تا از این ذرات (بوزون های میانی) سرانجام در سال 1982 کشف شدند.

لپتون ها- کوارک ها- هیپرون ها
منابع :

1-http://bionuclear.mihanblog.com/Post-29.ASPX

2-http://www.danehsnameh.roshd.ir

3-http://www.aftab.ir