دنیای شگفت انگیز ذرات

احتمالا از دبیرستان به یاد دارید كه مواد اطراف ما از الكترون ، پروتون و نوترون تشكیل شده اند. در نگاه اول این حرف درست است : اتمهایی كه مواد اطراف ما را تشكیل داده اند ، نه فقط روی زمین ؛ بلكه در دیگر نقاط عالم از یك هسته تشكیل شده اند كه تعداد مشخصی الكترون در مناطق بخصوصی حول آن می چرخند.
در هسته نیز تعداد مشخصی پروتون و نوترون وجود دارد و تفاوت عناصر مختلف در تعداد پروتون های موجود در هسته است ؛ اما فهمیدن این موضوع خیلی طول كشید. اولین ذره اتمی در سال ۱۸۹۵ كشف شد ، زمانی كه لامپهای كاتدی موضوع روز بودند. در آن زمان تابش كاتدی با بار الكتریكی منفی شناسایی شد كه بعدها مشخص شد خاصیت ذره ای دارد و به همین دلیل ، این ذره را الكترون نامیدند. در سال ۱۸۹۶ ، تابش X و مواد رادیو اكتیو شناسایی شدند. در سال ۱۸۹۹ ، ذرات آلفا شناسایی شدند و بعدها مشخص شد این ذرات ، درواقع اتمهای هلیوم هستند كه الكترون های خود را از دست داده اند. به عبارت دیگر، ذرات آلفا هسته اتم هلیوم هستند كه از ۲پروتون و ۲نوترون تشكیل شده است . اما در سال ۱۹۱۱ ، مدل اتمی نیلز بوهر ارائه شد كه براساس آن هسته ای سنگین با بار مثبت در مركز اتم قرار داشت و الكترون های سبك در مدارهای شخصی حول آن می چرخیدند.
این مدل بسیاری از خواص اتمها را توجیه می كند. در همین سال ، آزمایش دیگری با استفاده از قطرات ریز روغن صورت گرفت و رابرت میلیكان توانست بار الكترون را اندازه گیری كند. در سال ۱۹۳۲ ، آخرین ذره اتم یعنی نوترون به طور مستقل كشف شد و بدین سان ، دانش دبیرستانی ما در مورد اجزای تشكیل دهنده ماده شكل گرفت . اما این آغاز ماجرا بود. در سال ۱۹۲۸ ، دانشمندی انگلیسی به نام پل دیراك ، با تلفیق نظریه نسبیت خاص اینشتین و معادلات مكانیك كوانتوم ، معادله جدیدی به دست آورد كه به معادله دیراك مشهور شد. این معادله وجود ذره ای مشابه الكترون را پیش بینی می كرد كه فقط بار الكتریكی مخالف الكترون داشت (یعنی بار الكتریكی مثبت).
نام این ذره خیالی را پوزیترون نهادند؛ ولی هنگامی كه در سال ۱۹۳۲ وجود این ذره طی یك آزمایش به اثبات رسید، مسیر دنیای علم تغییر كرد. پل دیراك هم مانند دیگر دانشمندانی كه اكتشافات مذكور را به عمل آوردند، مفتخر به دریافت جایزه نوبل فیزیك شد. پوزیترون ، نخستین پادماده ای بود كه كشف شد و درك ما را نسبت به جهان متحول كرد. اگر ذره ای با پادذره اش برخورد كند، هر دو نابود می شوند و انرژی آزاد می كنند. مقدار انرژی آزاد شده و جرم ذره و پادذره با دقت تمام از رابطه E=mc۲ می آیند. تاكنون ذره ای كشف نشده كه فاقد پادذره باشد. در سال ۱۹۳۷ ، اولین ذره جدید كشف شد. میون ، ذره ای مشابه الكترون ولی با جرم بیشتر و بالطبع ناپایدارتر از آن .
در سال های بعد نیز ذرات بیشتری كشف شدند، مانند فرون های پای ، با ریون لامبدا ، فرون K ، نوترینوها و انبوهی دیگر از ذرات . تعداد ذرات بسیار بسیار زیاد شده بود و همه در تلاش بودند نظریه ای ارائه كنند تا این جمعیت زیاد را منظم كند . در سال ۱۹۶۳ ، هوری گلمان نظریه ای ارائه كرد مبنی بر آن كه ذراتی مانند پروتون و نوترون ، از ذرات كوچكتری تشكیل شده اند كه بارشان مضربی از ثلث بار الكترون است . این نظریه بسیار عجیب بود ولی به مرور زمان كارایی خود را نشان داد ، تا جایی كه موفقیت های آن جایزه نوبل را برای گلمان به ارمغان آورد . امروزه مدل استاندارد ذرات ، انواع مختلف ذرات بنیادی و واكنش های آن را بخوبی تفسیر می كند. طبق این مدل ، مواد اطراف ما از ۲گروه اصلی تشكیل شده اند: لپتون ها و هادرون ها. در حال حاضر ۶لپتون شناخته شده است كه به همراه پاد ذرات آنها ۱۲عدد می شود! ۶ لپتون عبارتند از : الكترون ، میون ، تاو، نوترینوی الكترون ، نوترینوی میون و نوترینوی تاو.
به نظر می رسد لپتون ها از چیز دیگری تشكیل نشده باشند. اما هادرون ها، انواع ذراتی هستند كه از كوارك ها تشكیل شده اند. طبق مدل استاندارد، ۶كوارك داریم كه همراه با پادكوارك ها ، ۱۲ذره بنیادی دیگر را تشكیل می دهند. این كوارك ها به ترتیب اكتشاف عبارتند از: بالا (Top) ، پایین (down) ، شگفت (Strange) ، افسون (charm) ، ته (bottom) و سر (top) شاید از خودتان بپرسید این همه ذره چه كمكی به ما می كند. واقعیت ماجرا آن است كه زمانی تمام این ذرات وجود داشته اند. در یك هزار میلیاردیم ثانیه پس از مهبانگ ، دما به قدری زیاد بود كه كوارك ها آزادانه در حركت بودند. یك میلیونیم ثانیه پس از مهبانگ ، هادرون ها و لپتون ها شكل گرفتند و به همین ترتیب ماجرا ادامه یافت . دانشمندان توانسته اند شتاب دهنده هایی بسازند كه تا یك میلیاردیم ثانیه پس از مهبانگ را شبیه سازی كند و ما را با خصوصیات عالم در آن زمان آشنا سازد. دانشمندان در تلاشند با ساخت شتاب دهنده های بزرگتر مانند LHC در سرن به مهبانگ نزدیكتر شوند و دركشان را از عالم پیرامون افزایش دهند.

منبع : شبکه فیزیکی هوپا