کوارک ها: اجزای سازنده ماده

کوارک‌ها کوچکترین اجزای سازنده ماده مرئی در کائنات هستند.

اگر بتوانیم به داخل یک اتم بنگریم، خواهیم دید که از الکترون‌هایی تشکیل شده که پیرامون یک هسته متشکل از پروتونها و نوترونها می گردند. اگر پیشتر رفته و داخل یکی از این پروتونها یا نوترونها را ببینیم، خواهیم دید که هر یک از سه ذره تشکیل شده اند آنقدر خرد، که تقریبا فاقد اندازه بوده و اندکی بیشتر از یک نقطه اند. این ذرات نقطه مانند، کوارک‌ها هستند.

کواراکها مانند الکترونها ذرات بنیادی بشمار می روند، یعنی از هیچ ذره خردتری ساخته نشده اند. می توان گفت آنها در رده اول مدل استاندارد فیزیک ذره ای قرار دارند.

اکتشاف کوارک ها

وجود کوارک ها نخستین بار در 1964 در نتیجه کار دو فیزیکدان به نامهای مورای گل مان و جورج تسوایگ (George Zweig) پیشنهاد شد که هر دو در موسسه تکنولوژی کالیفرنیا (کالتک) کار می کردند لیکن بطور کاملا مستقل به وجو این ذرات بنیادی پی بردند. نظریه آنها نتیجه کار چندین دهه از دانشمندان فیزیک نظری بود.

در سالهای دهه 1950 فیزیکدانان کتابخانه ای از ذرات درون اتمی شناخته شده ساخته بودند. این کتابخانه انواع مختلف ذرات و خواص آنها را فهرست می کرد لیکن فاقد نظریه ای زیربنایی در مورد پیدایش این ذرات بود. این نظریه در نهایت به عنوان مدل استاندارد فیزیک ذره ای شناخته شد لیکن باید چند اکتشاف بنیادی صورت می پذیرفت تا کامل تر شود، از جمله کشف کوارک ها.

شگفت ترین چیز در این مدل ذراتی به نام هایپرون بود که بسیار ناپایدار بود و بسرعت تلاشی می یافتند اما نه به ذراتی که انتظار آنها می رفت. گل مان دریافته بود که باید یک خاصیت کوانتومی ناشناخته در کار باشد که واکنش های نامنتظره تلاشی ذرات را توجیه کند. او این خاصیت را "شگفتی" (strangeness) نامید.

اعداد کوانتومی مانند شگفتی، بار و چرخش (اسپین) از قانون بقا پیروی می کنند. اگر یک ذره با یک عدد کوانتومی معین تلاشی یابد، مجموع اعداد کوانتومی محصولات آن باید با مجموع اعداد کوانتومی ذره نخستین برابر باشد. علاوه براین اعداد کوانتومی یک ذره معین دارای درجات آزادی هستند، یعنی گستره مقادیری که این اعداد می توانند اختیار کنند. این درجات آزادی چندتایی ها (multiplets) نامیده می شوند و الگوی آرایش آنها میان ذرات مختلف، گل مان و تسوایگ را بر آن داشت به این نتیجه برسند که ذرات درون اتم و چندتایی های وابسته به آنها را در صورتی می توان توضیح داد که فرض کنیم آنها از دو یا سه ذره کوچکتر ساخته شده اند.

گل مان با الهام از رمانی از جیمز جویس این ذرات خرد بنیادی را کوارک نامید و نامهای بالا (up)، پایین (down)و شگفت (strange) برای آنها انتخاب شد. عدد شگفتی کوارکهای بالا و پایین صفر است در حالی که عدد شگفتی کوارک شگفت برابر 1- است.

گرچه این نظریه بسیار روشنی بود، به علت فقدان شواهد تجربی بسرعت پذیرفته نشد. چهار سال بعد در 1968 در مرکز شتابدهنده خطی استانفورد کالیفرنیا آزمایشاتی با پرتاب اکترونها و سپس میون های پر انرژی انجام شد. معلوم شد که الکترونها و میونها هنگام عبور از درون پروتونها دچار تفرق می شوند که به علت وجود ذرات خرد دارای بار است. این ذرات همان کوارکها بودند.

طرح فرضی از تفرق الکترونها در نتیجه عبور از درون پروتون و برخورد با کوارکها

معلوم شد که در واقع شش نوع یا "طعم" (flavor) از کوارکها وجود دارد: بالا، پایین، شگفت، افسونگر (charm)، فوقانی (top) و تحتانی (bottom). هرکدام دارای مجموعه مختص به خود از اعداد کوانتومی هستند و جرمهایی بسیار متفاوت دارند بطوری که کوارکهای بالا و پایین از همه سبکتر و کوارک فوقانی از همه جسیم تر است بطوری که 61 هزار برابر کوارک بالا جرم دارد. دلیل این امر معلوم نشده است. لیکن کوارک فوقانی بسرعت به شکل ذراتی کم جرم تر تلاشی می یابد. تنها دلیل دانشمندان برای وجود آنها اثرات کوچکی است که در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) از خود بر جای می گذارند.

دشواری بزرگ در مطالعه کوارکها این است که این ذرات به تنهایی نمی توانند وجود داشته باشند. آنها همواره توسط نیروی هسته ای قوی به هم پیوند یافته اند که به انها امکان تولید ذرات مرکبی به نام هادرون ها را می دهد. ذرات ساخته هشده از دو کوارک مزون نامیده می شوند و ذرات ساخته شده از سه کوارک باریون نام دارند که شامل پروتون (با دو کوارک بالا و یک کوارک پایین) و نوترون (با یک کوارک بالا و دو کوارک پایین) هستند. ذراتی به نام تتراکوارک ساخته شده از چهار کوارک و پنتا کوارک ساخته شده از پنج کوارک نیز وجود دارند که از پایداری نسبی برخوردارند لیکن در نهایت تلاشی می یابند.

رفتار کوارکها تحت حاکمیت یک مدل به نام کوانتوم کروموداینامیکز یا QCD است. کرومو در این نام به "رنگ" اشاره دارد که خود یک عدد کوانتومی است. رنگ در نیروی هسته ای قوی همان نقشی را ایفا می کند که بار در نیروی الکترومغناطیسی. ذرات با رنگ مشابه یکدیگر را رانده و ذرات با رنگ مختلف یکدیگر را جذب کرده و زوجهای پایدار کوارک می سازند. مانند سایر اعداد کوانتومی رنگ نیز باید در واکنش های تلاشی ذرات پایسته باشد.

نیروی قوی که کوارکها را به هم پیوند می دهد توسط نوع دیگری ذره بنیادی خرد حمل می شود که گلوئون (gluon) نام دارد و بین کوارکها مبادله می شود. برای جداساختن کوارکهای منفرد نیاز به مقادیر عظیمی انرژی هست. این مقدار انرژی اولیه در زمانی حدود 10 میلیاردیم ثانیه پس از انفجار بزرگ وجود داشته، یعنی زمانی که دمای عالم به 2 تریلیون درجه سلسیوس می رسیده است. در طی این مدت کوتاه نخستین، عالم نوزاد با شکلی از ماده به نام پلاسمای کوارک – گلوئون پر شده بود، یک سوپ ذره ای از کوارکها و گلوئون هایی که آزادانه شناور بودند. با انبساط عالم نخستین و سرد شدن آن، کوارکها به هم پیوسته و هادرونها را تشکیل دادند که در نهایت پایه همه ماده مرئی مانند ستارگان و کهکشانها است که ما در عالم امروزین می بینیم.

گرچه پلاسمای کوارک- گلوئون 13.8 میلیارد سال گذشته و تنها بلافاصله پس از انفجار بزرگ وجود داشته است، دانشمندان این شرایط را با موفقیت در آزمایشات برخورد ذرات با تصادم میان دو هسته سنگین (مانند سرب) با سرعت های نزدیک به سرعت نور شبیه سازی کرده اند. نخستین بار این کار در مرکز CERN در دستگاه سنکروترون ابرپروتونی به سال 2000 روی داد.

ستارگان کوارکی

مکان دیگری در طبیعت که دارای شرایط بسیار حاد و کناسب برای جداسازی کوارک ها است، در ستارگان فرضی به نام کوارک رخ می دهد.

این سترگان ممکن است از نوع ستاره نوترونی خاصی باشند که چگال ترین اشیای موجود در عالم هستند که به شکل سیاهچاله فرو نمی رمبند. یک ستاره نوترونی در ططی انفجار ابرنوستاره ای تولید می شود که در طی آن لایه های بیرونی یک ستاره بسیار جسیم با انفجار هسته آن به بیرون پرتاب می شود و هسته ای بسیار چگال از خود بجای می گذارد. ستارگان نوترونی ممکن است دارای قطری برابر 10 کیلومتر و در عین حال جرمی هزاران برابر کره زمین باشند. در نتیجه برخورد الکترونها با پروتونهای هر اتم در طی فروریزش گرانشی و تبدیل آنها به نوترون، این ستاره ها تقریبا از نوترون خالص تشکیل شده اند. با این وجود ممکن است در مرکز آنها تحت فشارهای گرانشی بسیار عظیم نوترونها نیز متلاشی شده و کوارک های خود را آزاد سازند.

کوارک های باریونی و نحوه تشکیل ذرات مختلف درون اتمی

منبع اصلی: space.com