مدل استاندارد ذرات

داستان کشف ذرات زیر اتمی بعد از کشف نوترون ادامه پیدا کرد و ذرات زیر اتمی بسیار دیگری نیز کشف شدند، بطوریکه با توجه به تنوع زیاد آنها شبیه گونه های زیاد موجود در یک باغ وحش، لقب باغ وحش ذرات (Zoo Particle) به آنان داده شد. ذرات زیر اتمی کشف شده به دو دسته ذرات بنیادی (Elementary Particles) و ذرات کامپوزیت یا غیر بنیادی یا ترکیبی (Composite Particles)طبقه بندی می شوند. ذرات بنیادی ذراتی هستند که از ذرات دیگر یا ریزتری تشکیل نشدند و ذرات کامپوزیت ذراتی هستند که از دو یا تعداد بیشتری ذره بنیادی تشکیل شدند. مدلهای مختلفی برای دسته بندی ذرات وجود دارد. مدل استاندارد (Standard Model) یکی از این مدلهاست که مورد قبول عموم می باشد. در ادامه با این مدل آشنا خواهیم شد، اما قبل از آن بایستی با ضد ماده، بار رنگی (Charge Color) و ذرات حامل نیرو آشنا شویم.

هر ذره موجود در جهان دارای ضد ذره متناظر است. بعنوان مثال اگر پروتون داریم، ضد پروتون هم داریم یا اگر الکترون داریم، ضد الکترون هم داریم. بطور ساده ضد ذره هر ذره جرمی برابر آن ذره و باری برابر اما مخالف آن دارد. بعنوان مثال ضد پروتون هم جرم پروتون است، اما مثل الکترون منفی است یا ضد الکترون ( که پوزیترون نامیده می شود) هم جرم الکترون است، اما بار مثبتی باندازه قرینه بار الکترون دارد. در مورد ذرات خنثی ممکن است ضد ذره با خود ذره یکسان باشد، ممکن هم است یکسان نباشد. بعنوان مثال نوترون و ضد نوترون هر دو خنثی هستند، اما ذرات یکسانی نیستند. از طرفی دیگر فوتونها که بعدا با آنها آشنا می شویم، با ضد فوتونها یکسان هستند یا در واقع برای آنها ضد ذره بعنوان یک ذره متفاوت و جدید نداریم. تفاوت نوترون و ضد نوترون بعنوان یک مثال نشان می دهد که در واقع ذره و ضد ذره بیشتر مربوط به تفاوت در ماهیت است تا تفاوت در بار. ذره و ضد ذره ماهیتی متضاد هم دارند و از این رو است که در کنار هم دوام نمی آورند و در صورت برخورد بهم از بین می روند و به انرژی معادل جرم از بین رفته تبدیل می شوند. جهان ما جهان ذرات است، بدین معنی که جهان ما از ذرات و نه ضد ذرات تشکیل شده است. ضد ذرات در جهان ما دوام نمی آورند و در اثر برخورد به ذرات سازنده جهان ما از بین می روند و به انرژی تبدیل می شوند. با این وجود در جهان ما ضد ذرات در واکنشهای هسته ای مثلا در ستارگان یا در آزمایشگاههای هسته ای بوجود می آیند، اگرچه بعلت برخورد با ذرات و نابود شدن عمر کوتاهی خواهند داشت.

قبلا دیدیم که نیروهای موجود در طبیعت به چهار دسته نیروهای الکتریکی و مغناطیسی، گرانشی، هسته ای ضعیف و هسته ای قوی طبقه بندی می شوند. می دانیم که ذرات با بار الکترومغناطیسی یا بطور ساده تر ذرات با بار الکتریکی بهمدیگر نیروهای الکتریکی و مغناطیسی وارد می کنند و در واقع نیروهای الکتریکی و مغناطیسی بخاطر بار الکتریکی مواد است. بطور کاملا مشابه نیروهای هسته ای قوی نیز بخاطر باردار بودن ذرات برهمکنش کننده مربوطه است، اما باری که منجر به برهمکنش های هسته ای قوی میشود، بار الکتریکی نیست و نوع منحصر بفردی است. بار الکتریکی دارای یک نوع بصورت یک زوج قرینه است که همان مثبت و منفی است که قبلا هم دیدیم و می دانیم در صورت برابر بودن بار مثبت و منفی بار الکتریکی ذره صفر یا خنثی خواهد بود و ذره خنثی نیروهای الکتریکی و مغناطیسی وارد یا احساس نخواهد کرد. اما بار مسبب نیروهای هسته ای قوی دارای سه نوع بهمراه قرینه شان یا متضادشان است که در صورت حضور همزمان هر سه نوع بار یا حضور همزمان یک نوع بار همراه قرینه اش بار صفر یا خنثی نتیجه خواهد شد و ذره خنثی نیروهای هسته ای قوی وارد یا احساس نخواهد کرد. از این بابت بار مسبب نیروهای هسته ای قوی شبیه رنگهای قرمز، آبی و سبز است که سه نوع هستند و ترکیب آنها بدون رنگ است. از این رو است که بار مسبب نیروهای هسته ای قوی بار رنگی (Charge Color) نامیده می شود و شامل انواع قرمز، ضد قرمز ( قرینه قرمز)، آبی، ضد آبی ( قرینه آبی)، سبز و ضد سبز ( قرینه سبز) است. بنابراین اگر به دو یا چند ذره بارهای رنگی غیر خنثی متفاوتی مثلا یک ذره قرمز و یک ذره آبی نسبت داده شود، آنها بهمدیگر نیروهای هسته ای قوی وارد خواهند کرد. اگر دو یا چند ذره بار رنگی نداشته باشند یا ذرات تشکیل دهنده آنها بار رنگی همدیگر را خنثی کنند، آنها بهمدیگر نیروهای هسته ای قوی وارد نخواهند کرد.

ذرات حامل نیرو در واقع بسته های انرژی هستند که تغییرات انرژی مربوط به یک نیرو را انتقال می دهند. بعنوان مثال فوتون یک ذره حامل نیرو برای نیروی الکتریکی و مغناطیسی است و تغییرات انرژی مربوط به نیروی الکتریکی و مغناطیسی توسط آن انتقال می یابد. مثلا اگر سطح انرژی پتانسیل یک سیستم حاوی برهم کنشهای الکتریکی و مغناطیسی کاهش یابد و سیستم انرژی آزاد کند، انرژی آزاد شده بصورت تولید یک بسته انرژی خواهد بود و بالعکس اگر سطح انرژی پتانسیل یک سیستم حاوی برهم کنشهای الکتریکی و مغناطیسی افزایش یابد و سیستم نیازمند جذب انرژی باشد، انرژی جذب شده بصورت جذب یک بسته انرژی خواهد بود که در هر دو صورت بسته انرژی مبادله شده فوتون نامیده می شود. پس مثلا تغییر سطح انرژی ذره ای مثل الکترون در اتم که تحت تاثیر برهم کنشهای الکتریکی و مغناطیسی است، همراه با تولید یا جذب فوتون خواهد بود.

مدل استاندارد (Standard Model)ذرات بنیادی را شامل شش کوارک(up, down, bottom, top, strange and charm) و ضد آنها که بار رنگی دارند، شش لپتون (electron, electron neutrino, muon, muon neutrino, tau, tau neutrino) و ضد آنها که هیچکدام بار رنگی ندارند، دوازده حامل نیرو ( فوتون برای الکترومغناطیس، W⁺ و W^- وZ  برای برهمکنش هسته ای ضعیف و هشت گلوئون برای برهمکنش هسته ای قوی) و بوزون هیگز در نظرمی گیرد. مدلهای دیگری نیز وجود دارند که ممکن است ذرات بنیادی دیگری مثل ذره گراویتون بعنوان ذره حامل نیرو برای نیروی گرانشی در نظر بگیرند، اما مدل استاندارد پذیرفته شده تر است. شش کوارک و شش لپتون در سه نسل قرار می گیرند. نسل اول شامل کوارک های up و down و لپتون های الکترون و نوترینوی الکترون است. نسل دوم شامل کوارک های charm و strange و لپتون های موئون و نوترینوی موئون است. نسل سوم شامل کوارک های top و bottom و لپتون های تاو و نوترینوی تاو است. بطور کلی با افزایش مرتبه نسل ذرات سنگین تر و ناپایدارتر می شوند. ذرات نسل اول واپاشی انجام نمی دهند و پایدارند. ذرات نسل دوم و سوم جز نوترینوی موئون و نوترینوی تاو سریعا واپاشی انجام می دهند و ناپایدارند و تنها در محیط ها با سطوح انرژی فوق العاده بالا مشاهد می شوند.

کوارکها به تنهایی نمی توانند وجود داشته باشند. کوارکها با هم ترکیب می شوند تا ذرات مرکب (غیر بنیادی) بدون بار رنگی به نام هاردون ها را بوجود آورند. هاردون ها به دو دسته باریونها که ترکیب سه کوارک با بارهای رنگی قرمز، آبی و سبز هستند و مزون ها که ترکیب ناپایدار یک کوارک و یک ضد کوارک با بارهای رنگی قرینه هستند، طبقه بندی می شوند. من جمله باریونها  پروتونها و نوترونها هستند. هر پروتون از دو کوارک up و یک کوارک down تشکیل شده است. هر نوترون از دو کوارک down و یک کوارک up تشکیل شده است. شکل بعدی این مطلب را نمایش می دهد. علاوه بر پروتونها و نوترونها ذرات غیر بنیادی بسیار دیگری نیز وجود دارند. با توجه به اینکه در جهان ما اتمها از الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده اند، میتوان نتیجه گرفت سه ذره بنیادی الکترون و کوارکهای up و down ذرات سازنده مواد عادی دنیای ما هستند.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||