کوانتوم کروموداینامیک QCD

اكتشافی كه جایزه نوبل فیزیك امسال را از آن خود كرد اهمیتی اساسی در فهم ما از چگونگی كاركرد یكی از نیرو های بنیادین طبیعت داشته است نیرویی كه كوچك ترین ذرات ماده یعنی كوارك ها را به یكدیگر می چسباند

اكتشافی كه جایزه نوبل فیزیك امسال را از آن خود كرد اهمیتی اساسی در فهم ما از چگونگی كاركرد یكی از نیرو های بنیادین طبیعت داشته است. نیرویی كه كوچك ترین ذرات ماده یعنی كوارك ها را به یكدیگر می چسباند. دیوید گراس، دیوید پولیتزر و فرانك ویلچك توانستند با كار های تئوریك خود مدل استاندارد ذرات بنیادی را كامل كنند. مدلی كه كوچك ترین ذرات طبیعت و برهمكنش بین آنها را توضیح می دهد

دیوید گراس (David J. Gross)

از موسسه فیزیك نظری دانشگاه كالیفرنیا در سانتاباربارای آمریكا.شهروند آمریكا، متولد سال ۱۹۴۱ در واشینگتن دی سی آمریكا (۶۳ ساله) دانشنامه دكترای خود در رشته فیزیك را در سال ۱۹۶۶ از دانشگاه كالیفرنیا در بركلی اخذ كرد. استاد فیزیك نظری موسسه كاولی در دانشگاه كالیفرنیای آمریكاست

دیوید پولیتزر ( David Politzer H.)از مركز فیزیك انرژی زیاد در موسسه فناوری كالیفرنیا. شهروند آمریكا، متولد سال ۱۹۴۹ (۵۵ ساله) دانشنامه دكترای خود در رشته فیزیك را در سال ۱۹۷۴ از دانشگاه هاروارد اخذ كرد. استاد گروه فیزیك موسسه فناوری كالیفرنیا (كلتك) در پاسادنای كالیفرنیا است.

۳- فرانك ویلچك (Frank A. Wilczek)از مركز فیزیك نظری موسسه فناوری ماساچوست. شهروند آمریكا، متولد ۱۹۵۱ (۵۳ ساله) در كوئینز نیویورك آمریكا. دانشنامه دكترای خود را در رشته فیزیك در سال ۱۹۷۴ از دانشگاه پرینستون اخذ كرد. استاد گروه فیزیك در MITدر ماساچوست آمریكاست

نیروی برهمكنش قوی

نیروی برهمكنش قوی كه اغلب به آن برهمكنش رنگی نیز می گویند یكی از چهار نیروی بنیادین طبیعت است. این نیرو بین كوارك ها كه ذرات بنیادی سازنده پروتون ها، نوترون ها و نوكلئون ها هستند عمل می كند. دیوید گراس، دیوید پولیتزر و فرانك ویلچك خاصیتی از نیروی برهمكنش قوی را كشف كردند كه به كمك آن می توان توضیح داد به چه علت رفتار كوارك ها تنها در انرژی های بسیار زیاد مانند رفتار ذرات آزاد است. (در حالی كه بقیه ذرات بنیادی در انرژی های معمول نیز چنین رفتاری را از خود بروز می دهند. به عبارت دیگر كوارك ها در انرژی های پایین همیشه در دل ذرات كه از دو یا سه كوارك ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژی های پایین همیشه به صورت تركیب شده با كوارك های دیگر دیده می شونداین تئوری از بسیاری جهات توسط آزمایش های مختلفی به خصوص در سال های اخیر در آزمایشگاه سرن (CERN)بررسی شده است. این كشفیات توانسته اند پایه ای برای تئوری برهمكنش رنگ ها (كرومودینامیك كوانتومی(QCDپی ریزی نمایند.

مدل استاندارد و چهار نیروی بنیادی طبیعت

اولین نیرویی كه انسان ها با آن آشنا شدند نیروی گرانش است. این نیرو باعث افتادن اجسام بر روی زمین و همچنین گردش سیارات به دور خورشید و حركت ستاره ها در كهكشان است. به نظر می رسد كه نیروی گرانش نیروی بسیار قوییای است به عنوان مثال ارسال یك موشك به خارج از جو زمین احتیاج به صرف انرژی و سوخت بسیاری دارد. با این حال در جهان ریز (میكرو سكوپیك) در مقایسه با نیروی بین ذراتی از قبیل الكترون و پروتون نیروی گرانش نیروی بسیار ضعیفی است [شكل (۱)]. سه نیروی دیگر طبیعت كه اثر آنها اغلب در حوزه جهان های ریز (میكروسكوپیك) دیده می شود عبارتند از نیرو های برهمكنش

الكترو مغناطیسی بر همكنش ضعیف و برهمكنش قوی. چگونگی عملكرد این سه نیرو توسط نظریه مدل استاندارد توضیح داده می شود. این نظریه، نظریه ای بسیار قوی است برای اینكه می تواند نظریه نسبیت خاص اینشتین و مكانیك كوانتومی را یكجا دربربگیرد. (البته به خاطر مسائل و مشكلات تكنیكی هنوز نمی توان آن را نظریه ای كامل و سازگار دانست.)مدل استاندارد می تواند توضیحی برای كوارك ها، لپتون ها و ذراتی كه نیروها را حمل می كنند ارائه كند. كوارك ها به عنوان نمونه سازنده ذراتی مانند پروتون ها نوترون ها هستند.الكترون ها كه سازنده پوشش بیرونی اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تا جایی كه می دانیم الكترون ها خود از ساختار های ریزتری تشكیل نشده اند.

•برهمكنش الكترومغناطیسی سازنده نور و چسبندگی مواد

برهمكنش الكترو مغناطیسی می تواند توصیفی مشترك برای بسیاری از پدیده ها كه در جهان ما را دربرگرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطكاك، مغناطیس و علت اینكه چرا جسمی بر روی میز از درون میز عبور نمی كند، به كمك این نیرو قابل توضیح هستند.نیروی الكترومغناطیسی كه در اتم هیدروژن، الكترون و پروتون را به هم پیوند می دهد به اندازه غیرقابل تصور ۱۰۴۱ بار از نیروی گرانشی بین آ نها قوی تر است. اندازه این دو نیرو متناسب با مربع فاصله كاهش می یابد با این حال نیروی های بلند برد محسوب می شوند.هر دوی این نیرو ها یعنی الكترو مغناطیس و گرانش توسط ذرات حامل كه به ترتیب فوتون (ذرات نور) و گراویتون هستند حمل می شوند. برخلاف فوتون ذره گراویتون هنوز به صورت آزمایشگاهی كشف نشده است. دلیل بلندبرد بودن این دو نیرو را می توان به كمك این واقعیت كه ذرات حامل این نیرو ها بدون جرم هستند توضیح داد.فیزیكدانان توانسته اند به كمك تئوری الكترودینامیك كوانتومی QEDتوصیف مناسبی برای برهمكنش الكترو مغناطیسی ارائه نمایند. این تئوری یكی از موفقیت آمیزترین تئوری های فیزیكی است كه با دقت یك در ده میلیون با نتایج آزمایشگاهی توافق دارد. توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن جایزه نوبل فیزیك در سال ۱۹۶۵ را برای این نظریه از آن خود كردند. یكی از دلایل موفقیت این نظریه وجود یك ثابت كوچك به اسم ثابت كوپلاژ با مقدار ۱۳۷/۱ در معادلات است. وجود این ثابت كوچك تر از یك این امكان را فراهم می سازد كه برای محاسبه اثر نیروی الكترو مغناطیس از بسط سری ها در معادلات استفاده شود. این روش ریاضی كه به آن روش حل اختلالی می گویند توسط فاینمن بسط و گسترش یافت.یكی از خواص مهم نظریه الكترو دینامیك كوانتومی (QED)این است كه ثابت كوپلاژ در انرژی های مختلف مقادیر مختلفی دارد. این مقدار با افزایش انرژی افزایش می یابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده CERNمقدار آن به جای ۱۳۷/۱ ، ۱۲۸/۱ در انرژی حدود ۱۰۰ بیلیون الكترون ولت اندازه گیری شده است. اگر نمودار اندازه ثابت كوپلاژ نسبت به انرژی رسم شود، آن گاه این منحنی دارای یك شیب آرام به سمت بالا خواهد بود كه فیزیكدانان اصطلاحاً می گویند شیب منحنی یا تابع بتا مثبت است.

•برهمكنش ضعیف و واپاشی رادیواكتیویته

نیروی برهمكنش ضعیف توسط ذرات بوزونی +- Wو Z۰ حمل می شود كه برخلاف فوتون و گراویتون دارای جرم هستند (حدود ۱۰۰ برابر جرم پروتون!) و این توضیحی است برای اینكه چرا این نیرو یك نیروی كوتاه برد است. این نیرو هم بر روی كوارك ها و هم بر روی لپتون ها اثر می كند و علت واپاشی رادیواكتیویته است. این نیرو نسبت بسیار نزدیكی با نیروی الكترو مغناطیس دارد به طوری كه فیزیكدانان توانستند هر دوی آنها را به صورت نیروی واحدی به نام برهمكنش الكترو ضعیف وحدت ببخشند (۱۹۷۰). جرارد هوفت و مارتینز ولتمن به خاطر فرمول بندی این دو نیرو در یك نظریه واحد جایزه نوبل سال ۱۹۹۹ را از آن خود كردند

برهمكنش قوی _ بار و رنگ از دهه ۱۹۶۰ مشخص شده بود كه پروتون و نوترون از ذرات بنیادی تری به اسم كوارك ساخته شده اند. اما نكته عجیب این بود كه امكان ساخت ذره كوارك به صورت آزاد وجود نداشت. آنها همیشه محبوس هستند و این خاصیتی بنیادی برای این ذرات است.تنها جمع كوارك ها به صورت دوتایی و سه تایی می تواند وجود داشته باشد. بار الكتریكی كوارك ها كسری از بار الكتریكی پروتون است به صورت یك سوم یا دو سوم بار پروتون و این خاصیتی است عجیب كه هنوز توضیحی برای آن یافت نشده است. هر كوارك علاوه برداشتن بار الكتریكی خاصیت ویژه دیگری نیز دارد كه مانند بار الكتریكی كمیتی كوانتنیزه است و تنها می تواند مقادیر ویژه ای داشته باشد. به این خاصیت بار رنگی گفته می شود. كوارك ها می توانند بار رنگی قرمز، آبی و سبز داشته باشند. برای هر كوارك یك پادكوارك نیز وجود دارد مانند پوزیترون كه پاد ذره الكترون است. پادكوارك ها دارای بار رنگی پاد قرمز، پاد آبی یا پاد سبز هستند. جمع كوارك هایی كه در طبیعت می توانند وجود داشته باشند باید دارای بار رنگی خنثی باشند همانطور كه تشكیل مولكول های خنثی (از نظر الكتریكی) به خاطر جاذبه الكتریكی بین اجزای مثبت و منفی آن است.

---