فیزیک ذرات
فیزیک ذرّات (particle physics)
مطالعۀ ذرات سازندۀ اتم‌ها و بررسی برهم‌کنش‌های این ذرات. فیزیک‌دانان تاکنون توانسته‌اند بیش از ۳۰۰ ذرۀ زیراتمی را شناسایی و آن‌ها را براساس جرم[۱]، بار الکتریکی[۲]، اسپین[۳]، گشتاور مغناطیسی[۴]، و برهم‌کنش‌های آن‌ها دسته‌بندی کنند. ذرات زیراتمی عبارت‌اند از ذرات بنیادی[۵] (کوارک‌ها[۶]، لپتون‌ها[۷]، و بوزون‌های پیمانه‌ای[۸])، و هادرون‌ها[۹] (باریون‌ها[۱۰]، ازجمله پروتون[۱۱] و نوترون[۱۲]، و مزون‌ها[۱۳]). ذرات بنیادی، تا آن‌جا که می‌دانیم، تقسیم‌ناپذیرند و به‌همین سبب، واحدهای بنیادی ساختار ماده شمرده می‌شوند. هادرون‌ها ذرات مرکبی‌اند که از دو یا سه کوارک تشکیل می‌شوند. فقط کوارک‌ها، پروتون‌ها، الکترون‌ها، و نوترینوها[۱۴] ذرات پایدار در طبیعت‌اند. نوترون‌ها فقط وقتی پایدارند که داخل هستۀ اتم باشند. ذرات ناپایدار رفته‌رفته به ذرات دیگر واپاشیده می‌شوند و با آزمایش‌های شتاب‌دهندۀ ذرات[۱۵] و تابش کیهانی[۱۶] قابل‌شناسایی‌اند. (← اتمی،_ساختار) نخستین پژوهش‌ها در زمینۀ فیزیک ذرات در آزمایشگاه کاوندیش[۱۷] دانشگاه کیمبریج انگلستان صورت گرفت. فیزیکدان انگلیسی، جان تامسون[۱۸]، در ۱۸۹۷ کشف کرد که همۀ اتم‌ها شامل ذراتی یکسان با بار منفی‌اند که به‌آسانی از اتم آزاد می‌شوند. این ذرات را الکترون نامیدند. فیزیکدان نیوزیلندی، ارنست رادرفورد[۱۹]، در ۱۹۱۱ نشان داد که الکترون‌های اتمی در اطراف هسته‌های بسیار کوچکِ با بار مثبت قرار دارند. او در ۱۹۳۲ شاهد کشف ذره‌ای به جرم الکترون و با بار مساوی، ولی مختلف‌العلامت با آن، با نام پوزیترون[۲۰]، بود. موجودیت این ذره را فیزیکدان نظریه‌پرداز انگلیسی، پُل دیراک[۲۱]، در ۱۹۲۸ پیش‌بینی کرده بود. این نخستین نمونۀ پادمادۀ[۲۲] کشف شده بود. فیزیک‌دانان بر این باورند که همۀ ذرات پادذره‌های خاصی دارند. در ۱۹۳۴، فیزیکدان ایتالیایی‌تبار امریکایی، انریکو فرمی[۲۳]، مدعی شد که ذرۀ ناشناخته‌ای با‌نام نوترینو می‌باید الکترون‌ها را در گسیل بتا[۲۴] همراهی کند.
ذرات و نیروهای بنیادی. در نیمۀ دهۀ ۱۹۳۰، چهار نوع نیروی بنیادی را در برهم‌کنش بین ذرات شناسایی کردند: ۱. نیروی الکترومغناطیسی[۲۵] که بین ذرات باردار وارد می‌شود و به‌صورت بوزون‌های پیمانه‌ای با نام فوتون[۲۶]، که بستۀ انرژی تابش الکترومغناطیسی[۲۷] است، بین ذرات باردار الکتریکی مبادله می‌شود. ۲. نیروی هسته‌ای قوی[۲۸] که به پیشنهاد فیزیکدان ژاپنی، هیدکی یوکاوا[۲۹]، برای پیوند بین پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته درنظر گرفته شد (۱۹۳۵). این نیرو با مبادلۀ ذراتی با جرم حدود یک‌دهم جرم پروتون، بین ذرات درون هسته عمل می‌کند. این ذرات را پیون[۳۰]ها یا مزون‌های پی[۳۱] می‌نامند و فیزیکدان بریتانیایی، سسیل پاول[۳۲]، آن‌ها را در ۱۹۴۶ کشف کرد. از ۱۹۷۳ به‌بعد، به‌جای نظریۀ یوکاوا، عمدتاً از نظریۀ کرومودینامیک کوانتومی[۳۳] استفاده می‌کنند. این نظریه بر این اصل موضوع استوار است که نیروی هسته‌ای قوی براثر مبادلۀ بوزون‌های پیمانه‌ای، با نام گلوئون[۳۴]، بین کوارک‌ها و پادکوارک‌های سازندۀ پروتون‌ها نوترون‌ها اِعمال می‌شود. ۳. نیروی هسته‌ای ضعیف[۳۵] دستۀ سوم نیروهای بنیادی است. انریکو فرمی پژوهش نظری خود را در زمینۀ آن از دهۀ ۱۹۳۰ آغاز کرد. وجود بوزون‌های پیمانه‌ای حاصل این نیرو، که ذره‌های W و Z نامیده می‌شوند، در ۱۹۸۳ در سرن[۳۶]، سازمان پژوهش‌های هسته‌ای اروپا[۳۷]، تأیید شد. ۴. گرانی[۳۸] چهارمین رده از نیروهای بنیادی است که بر هرگونه ماده‌ای وارد می‌شود و ذرۀ میانجی این نیرو را، بنابر اصل موضوع، گراویتون[۳۹] می‌نامند.
لپتون. لپتون‌ها شامل الکترون، موئون[۴۰]، تاو[۴۱]، و نوترینوهای خاص متناظر به هردسته از این ذرات‌اند. لپتون‌ها ذراتی با اسپین نیمه‌درست‌اند که تحت تأثیر نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند، ولی نیروی هسته‌ای قوی بر آن‌ها اثری ندارد. موئون را فیزیکدان امریکایی، کارل آندرسون[۴۲]، در تابش کیهانی کشف کرد (۱۹۳۷). هنگامی‌که این ذره واپاشیده می‌شود، تولید نوترینوی موئونی می‌کند. نوترینوی تاو هم در واپاشی ذرۀ تاو، کشف شگفت‌انگیز دهۀ ۱۹۷۰، تولید می‌شود.
مزون‌ها و باریون‌ها. هادرون‌ها یا ذرات واکنش‌کننده دربرابر نیروی هسته‌ای قوی در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ کشف شدند. این ذرات به دو دسته تقسیم می‌شوند: مزون‌ها با اسپین صفر یا اسپین درست، و باریون‌ها، شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها، با اسپین نیمه‌درست. در اوایل دهۀ ۱۹۶۰ دانسته شد که اگر هادرون‌های دارای اسپین یکسان را به‌صورت نقاطی روی نمودارهای مناسب نشان دهند، نقش‌های ساده‌ای حاصل می‌شود. این تقارن، با توجه به جای خالی پدید‌آمده در یکی از این نقش‌ها، منجربه پیش‌بینی باریون ناشناخته‌ای با نام اُمگا ـ منفی[۴۳] شد که در آزمایش‌‌ها خود را نشان داد.
کوارک‌ها. در ۱۹۶۴، فیزیک‌دانان امریکایی، موری گِل ـ من[۴۴] و جورج زوایگ[۴۵]، به این نتیجه رسیدند که همۀ هادرون‌ها از سه «طعم» گوناگون ذرۀ جدیدی ساخته می‌شوند که اسپین نیمه‌درست و باری به بزرگی ۳/۱ یا ۳/۲ بار الکترون دارد. گِل‌من این ذرۀ جدید را کوارک نامید. مزون‌ها از زوج کوارک ـ پادکوارک، با حاصل‌جمع اسپین یک یا صفر، و باریون‌ها از سه‌تایی‌های کوارکی ساخته می‌شوند. در ۱۹۸۵، تعداد طعم‌های کوارک را برای توجیه و توضیح مزون‌های جدیدی مثل ذرۀ پسی (ψ) به شش طعم افزایش دادند.
- ↑ mass
- ↑ electric charge
- ↑ spin
- ↑ magnetic moment
- ↑ elementary particles
- ↑ quarks
- ↑ leptons
- ↑ gauge bosons
- ↑ hadrons
- ↑ baryons
- ↑ proton
- ↑ neutron
- ↑ mesons
- ↑ neutrinos
- ↑ particle accelerator
- ↑ cosmic radiation
- ↑ Cavendish Laboratory
- ↑ John Thomson
- ↑ Ernest Rutherford
- ↑ positron
- ↑ Paul Dirac
- ↑ antimatter
- ↑ Enrico Fermi
- ↑ beta-emission
- ↑ electromagnetic force
- ↑ photon
- ↑ electromagnetic radiation
- ↑ strong nuclear force
- ↑ Hideki Yukawa
- ↑ pion π
- ↑ mesons
- ↑ Cecil Powell
- ↑ theory of quantum
- ↑ gluon
- ↑ weak nuclear forces
- ↑ CERN
- ↑ European Nuclear Research Organization
- ↑ gravity
- ↑ graviton
- ↑ muon
- ↑ tau
- ↑ Carl Anderson
- ↑ omega-minus
- ↑ Murray Gell-Mann
- ↑ George Zweig