مدل استاندارد فیزیک چیست؟ - وبلاگ سروری کیا

به گزارش وبلاگ سروری کیا، مدل استاندارد فیزیک ذرات (Standard Model of Particle Physics) در حال حاضر برترین نظریه دانشمندان برای توصیف اساسی ترین اجزای سازنده دنیا به شمار می رود. این نامی است که در دهه 1970 میلادی به نظریه ذرات بنیادین و چگونگی برهم کنش آن ها داده شد و بدین ترتیب همه چیزهایی را که تا آن موقع درباره ذرات زیراتمی شناخته شده بود دربر گرفت و وجود ذرات اضافی را هم پیش بینی کرد.

در حقیقت این نام به این علت بیان می گردد که مدل استاندارد فیزیک، کوششی برای بیان کامل رفتار ماده در دنیا است. این نظریه شرح می دهد که اتم ها از اجزای بسیار کوچک تری ساخته شده اند و اینکه چگونه ذراتی به نام کوارک (که پروتون ها و نوترون ها را می سازند) و لپتون ها (ازجمله الکترون ها) در نهایت باعث شکل گیری همه مواد شناخته شده در کیهان شده اند و چگونه ذرات حامل نیرو که به گروه وسیع تر بوزون ها (ذرات واسطه) تعلق دارند، بر کوارک ها و لپتون ها اثر می گذارند.

ساختار مدل استاندارد فیزیک

همان طور که اشاره شد، این مدل بیان می نماید که تمام مواد معمولی، از جمله هر اتم در جدول تناوبی عناصر، تنها از سه نوع ذره تشکیل شده اند: کوارک ها، لپتون ها و واسطه ها.

در حقیقت شکل گیری کامل مدل استاندارد زمان زیادی طول کشید. در این مدل هفده ذره با نام اختصاصی وجود دارند که در نمودار زیر نشان داده شده اند. این ذرات هر یک بخشی از اجزای درونی اتم ها هستند. کوشش ها در زمینه ذرات بنیادی از دهه 1950 میلادی شکل گرفت و آخرین ذرات کشف شده بوزون های W و Z در سال 1983، کوارک بالا در سال 1995، نوترینو تاو در سال 2000 و بوزون هیگز در سال 2012 بودند.

این 17 ذره بنیادی فیزیک، خود به دو گروه اصلی تقسیم شده اند. یا بلوک های سازنده ماده هستند که فرمیون (Fermion) نامیده می شوند و یا واسطه های برهم کنش میان ذرات، که بوزون (Boson) نام دارند. در مدل استاندارد در مجموع دوازده فرمیون و پنج بوزون با نام معین وجود دارد.

فرمیون ها از قانون آماری پیروی می نمایند که به وسیله انریکو فرمی (Enrico Fermi) ایتالیایی، پل دیراک (Paul Dirac) انگلیسی و ولفگانگ پائولی (Wolfgang Pauli) اتریشی، با نام اصل طرد (Exclusion Principle) توصیف شده است و بیان می نماید که فرمیون ها نمی توانند با هم یک مکان را اشغال نمایند یا به بیان علمی تر، هیچ دو فرمیونی را نمی توان با اعداد کوانتومی یکسان توصیف کرد.

این طبقه بندی، شامل شش نوع کوارک (بالا، پایین، افسون، شگفت، سر، ته) و شش نوع لپتون (الکترون، الکترون نوترینو، میون، میون نوترینو، تاو، تاو نوترینو) می شوند. لپتون ها و کوارک ها، از نوع فرمیون هستند و چیزهایی مانند پروتون ها، نوترون ها، اتم ها، مولکول ها، انسان ها و دیوارها هم از آن ها ساخته می شوند. این با مشاهدات ماکروسکوپی ما از ماده در زندگی روزمره مطابقت دارد. اینکه افراد نمی توانند از میان دیوارها عبور نمایند مگر اینکه دیوار از سر راه آن ها برداشته گردد.

در مقابل، بوزون ها مسئله ای برای بودن هم زمان در یک مکان ندارند و به بیان علمی، دو یا چند بوزون می توانند با اعداد کوانتومی یکسان توصیف شوند. قوانین آماری که بوزون ها از آن ها تبعیت می نمایند اولین بار به وسیله ساتیندرا بوز (Satyendra Bose) هندی و آلبرت اینشتین (Albert Einstein) توصیف شد.

ذرات گلوئون، فوتون، W و Z و هیگز همگی بوزون هستند. فوتون ها به عنوان ذرات تشکیل دهنده نور و دیگر اشکال تابش الکترومغناطیسی، بوزون هایی هستند که ما مستقیم ترین تجربه را درباره آن ها داریم. در زندگی روزانه، هرگز نمی بینیم که پرتوهای نور به یکدیگر برخورد نمایند بلکه فوتون ها، مانند فانتوم هستند و بدون برهم کنش از یکدیگر عبور می نمایند.

برای بیان حالت این ذرات بنیادی باید یک ویژگی آن ها قابل مقدار گیری باشد و به همین علت گفته می گردد که این ذرات دارای تکانه زاویه ای اسپین (S) و عدد کوانتومی اسپین (s) ذاتی هستند. به عبارت بهتر، کمیت قابل مقدار گیری آن ها یکای مشابه تکانه زاویه ای دارد.

اما باید درنظر داشت که چرخش (اسپین) فقط برای یک جرم دارای بُعد معنا پیدا می نماید و این ذرات در فیزیک کنونی بی بعد هستند و مانند یک نقطه ریاضی به نظر می رسند، بنابراین اسپین آن ها، صرفا یک برچسب مناسب برای مقدار گیری آن ها از دیدگاه ریاضیات است و توصیف واقعیت موجود، محسوب نمی گردد.

اکنون که هر یک از این ذرات به خوبی توصیف شدند، رفتار آن ها قابل آنالیز است. کوارک ها به صورت سه تایی یا دوتایی به هم متصل می شوند. سه قلوها باریون (Baryon) نامیده می شوند که از واژه ای یونانی به معنای سنگین گرفته شده است و دوقلوها مزون (Meson) نام دارند که برگرفته از واژه ای یونانی به معنای میانه است. به این مجموعه های تکی، دوتایی یا سه تایی از کوارک ها، به صورت کلی هادرون (Hadron)، به معنای ضخیم، گفته می گردد.

شش فرمیون دیگر که لپتون ها، به معنای ظریف هستند، نیازی به اتصال به هم ندارند و به نوعی در مقابل هادرون ها ظریف محسوب می شوند. در ابتدا لپتون ها ذرات سبک و هادرون ها سنگین درنظر گرفته می شدند تا اینکه کشف ذره تاو لپتون در سال 1975 که تقریبا دو برابر یک پروتون جرم دارد، این قانون را شکست.

به جز سه ذره الکترون، میون و تاو، یک زیرگروه مهم از لپتون ها، نوترینوها هستند که به نام دیگر همتاهای لپتونی خود، الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو نام گرفته اند. نوترینوها جرم بسیار کمی دارند و به قدری ضعیف با بقیه ذرات برهم کنش می نمایند که تشخیص آن ها بسیار سخت است. به همین علت هم به آن ها نوترینو به معنای خنثی کوچک گفته می گردد.

توصیف نیروهای بنیادین طبیعت

شرح سه مورد از چهار نیروی بنیادی طبیعت در مدل استاندارد فیزیک ذرات گنجانده شده است: الکترومغناطیس، نیروی قوی و نیروی ضعیف. هر نیرو میان ذرات به علت خاصیت آن ذره اعمال می گردد که شامل بار برای الکترومغناطیس، رنگ برای نیروی قوی هسته ای و طعم برای نیروی ضعیف هسته ای است.

بار (Charge) ویژگی ماده ای است که باعث ایجاد پدیده های الکتریکی و مغناطیسی و به عبارتی الکترومغناطیس می گردد. بار کوانتیزه است، یعنی فقط می تواند در مقادیر گسسته با قیدهای معین وجود داشته باشد که مضرب و کسری از بار پایه (بار یک الکترون برابر با 19-^10×1.6 کولن) است.

ذراتی مانند الکترون، میون و تاو که به طور مستقل وجود دارند، مضربی از بار پایه را حمل می نمایند، در حالی که کوارک ها دارای کسری از بار پایه هستند اما این ذرات هم همواره در گروه هایی به هم متصل می شوند که در نهایت مضربی از بار پایه را می سازند. به همین علت هیچ کس تا کنون مستقیما کسری از بار الکتریکی را مقدار گیری نکرده است.

چون بارهای مخالف به هم جذب می شوند، الکترون ها تمایل دارند به پروتون ها متصل شوند و اتم هایی را تشکیل دهند که در کل خنثی هستند و به همین علت معمولا ماهیت الکتریکی ماده را متوجه نمی شویم.

ذرات باردار با تبادل فوتون ها که حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند، برهم کنش دارند. مدل ریاضی که برای توصیف برهم کنش ذرات باردار به وسیله تبادل فوتون ها استفاده می گردد، الکترودینامیک کوانتومی (QED) نام دارد.

کوارک ها اما به علت یک ویژگی که به عنوان رنگ (Color) شناخته می شوند، به هم می چسبند. این که صرفا بیانی برای درک بهتر خاصیت آن ها و نه یک رنگ واقعی است. تصور کنید که نور قرمز، آبی و سبز در کنار هم نور سفید خنثی را تشکیل می دهند و دو نور مکمل هم، چنین هستند. بنابراین می توان باریون سه تایی را شامل سه کوارک قرمز، سبز و آبی دانست و مزون دوتایی را شامل یک کوارک رنگی و یک کوارک با رنگ مخالف دانست که کنار هم ذره های خنثی از نظر رنگ را تشکیل می دهند.

ذرات رنگی اما به وسیله گلوئون ها به هم می پیوندند. رنگ گلوئون ها به روشی پیچیده تر از کوارک ها توصیف می گردد. شش گلوئون دارای دو رنگ، یکی دارای چهار رنگ و دیگری دارای شش رنگ است. گلوئون ها کوارک ها را به هم می چسبانند اما خودشان هم به هم می چسبند و در نتیجه فراتر از هسته اتم کاری انجام نمی دهند. مدل ریاضی استفاده شده برای توصیف برهم کنش ذرات رنگی به وسیله تبادل گلوئون ها به عنوان کرومودینامیک کوانتومی (QCD) شناخته می گردد.

کل این آشفتگی چسبنده را نیروی قوی یا برهم کنش قوی می نامند زیرا منجر به نیروهایی در هسته اتم می شوند که از نیروی الکترومغناطیسی قوی تر هستند. بدون نیروی قوی، هر هسته ای خرد خواهد شد.

حالا فرمیون ها هم برای متمایز شدن با یکدیگر با طعم (Flavor) شناخته می شوند که فقط مختص آن هاست. این عنوان هم نباید با طعم واقعی اشتباه گرفته گردد. ذرات طعم دار به وسیله تبادل بوزون های W یا Z - (بوزون های برداری میانی) که حامل نیروی ضعیف هستند، برهم کنش ضعیفی دارند. برای نمونه هنگامی که یک نوترون به یک پروتون تجزیه می گردد، یک بوزون W- مسئول است.

مدل ریاضی که برای توصیف برهم کنش ذرات طعم دار به وسیله مبادله بوزون های W و Z به کار می رود، گاهی به عنوان دینامیک طعم کوانتومی (QFD) شناخته می گردد، اما این اصطلاح معمولا به وسیله فیزیکدانان استفاده نمی گردد. در انرژی های بالاتر، نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی بیشتر و بیشتر به هم شبیه می شوند و به همین علت مدل ریاضی آن ها، به عنوان نظریه الکتروضعیف (EWT) شناخته می گردد که نام کاربردی برای نظریه نیروی ضعیف است.

محدودیت های مدل استاندارد

با وجود موفقیت در شرح دنیا، مدل استاندارد محدودیت هایی هم دارد. همان طور که اشاره شد، این مدل سه نیرو از چهار نیروی بنیادین حاکم بر دنیا را شرح می دهد: الکترومغناطیس، نیروی قوی هسته ای، نیروی ضعیف هسته ای.

الکترومغناطیس به وسیله فوتون ها حمل می گردد و شامل برهم کنش میدان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی است. نیروی قوی هسته ای که به وسیله گلوئون ها ایجاد می گردد، هسته های اتم را به یکدیگر متصل می نماید تا آن ها را پایدار نگه دارد. نیروی ضعیف هم که به وسیله بوزون های W و Z حمل می گردد، باعث واکنش های هسته ای می گردد که برای میلیاردها سال انرژی خورشید و ستاره های دیگر را تأمین می نمایند. چهارمین نیروی اساسی گرانش است اما به وسیله مدل استاندارد به مقدار کافی شرح داده نشده است.

از سوی دیگر بوزون هیگز به کوارک ها، لپتون های باردار (مانند الکترون ها) و بوزون های W و Z جرم می دهد اما هنوز نمی دانیم که آیا بوزون هیگز به نوترینوها هم جرم می دهد که ذرات شبح-مانندی هستند که به ندرت با دیگر مواد در دنیا برهم کنش دارند.

بعلاوه، فیزیکدانان می دانند که حدود 95 درصد از دنیا از ماده معمولی آن طور که ما می شناسیم، ساخته نشده است بلکه بیشتر کیهان متشکل از ماده تاریک و انرژی تاریک است که در مدل استاندارد نمی گنجند.

یک مورد مهم دیگر که با درنظر گرفتن انرژی تاریک قابل توصیف است، شتاب انبساط کیهان است اما این پدیده در حقیقت با مدل استاندارد شرح داده نمی گردد.

مشارکت در مدل استاندارد فیزیک ذرات

از گذشته، دانشمندان گوناگون و مراکز تحقیقاتی بسیاری در پژوهش روی مدل استاندارد فیزیک نقش داشته اند و به ویژه در سال های اخیر، از مهم ترین آن ها می توان به مرکز تحقیقاتی سرن (CERN) در شمال شرقی شهر ژنو سوییس و مجاورت مرز فرانسه و بعلاوه وزارت انرژی آمریکا (DOE) اشاره نمود.

تا کنون پنج نوع از شش نوع کوارک، یک نوع لپتون و هر سه نوترینو در آزمایشگاه های وزارت انرژی آمریکا کشف شده اند. محققان تحت حمایت دفتر علوم DOE، بعلاوه اغلب با همکاری دانشمندان از سراسر دنیا، در اکتشافات و مقدار گیری های بوزون هیگز که مدل استاندارد را اصلاح کرد، مشارکت داشته اند.

کوشش های تجربی در این زمینه، همچنان با تحقیقاتی که آزمایش های دقیقی از مدل استاندارد انجام می دهند و مقدار گیری خواص ذرات و برهم کنش های میان آن ها را بهبود می بخشند، ادامه دارد.

علاوه بر این، نظریه پردازان هم در کنار دانشمندان تجربی کار می نمایند تا راه های تازه ای برای کشف ناشناخته های مدل استاندارد ایجاد نمایند. این پژوهش ها بعلاوه ممکن است بینشی در خصوص اینکه چه نوع ذرات و نیروهای ناشناخته ای می توانند ماده تاریک و انرژی تاریک را شرح دهند، ارائه نمایند و یا شرح دهند که پس از مِه بانگ (Big Bang) برای پادماده چه اتفاقی افتاده است.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از ذرات زیراتمی

Credit: Geralt, Pixabay

منابع: Physics Hypertextbook, DOE