مدل استاندارد فیزیک ذره ای

مدل استاندارد فیزیک ذره ای درک فیزیک نوین از سه نیروی بنیادی طبیعت از نیروهای چهاگانه است: الکترومغناطیس، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف.

مدل استاندارد کاملترین توصیف از دنیای زیراتمی توسط فیزیک نوین است. این مدل در طی قرن بیستم بر بنیاد مکانیک کوانتومی، بنا شد، نظریه عجیبی که رفتار ذرات در کوچکترین مقیاس ها را توصیف می‌کند. مدل استاندارد تشریح کننده سه نیروی بنیادی طبیعت یعنی الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف است. این نظریه هزاران بار با دقت فوق تصوری مورد آزمون قرار گرفته و با وجود کاستی هایش، یکی از مهمترین دستاوردهای علوم نوین بشمار می آید.

مدل استاندارد چگونه توسعه یافت؟

توسعه مدل استاندارد در دهه 1950 توسط فیزیکدانان، پس از یک سری اکتشافات نظری و تجربی بنیادین آغاز گردید. در سمت نظری، فیزیکدانان مکانیک کوانتومی را که در ابتدا تنها برای درک ذرات زیراتمی بود برای توضیح نیروی الکترومغناطیسی بسط دادند. در سمت تجربی قضیه، بمب اتمی تازه ابداع شده و فیزیکدانان از نیروهای هسته ای ضعیف و قوی آگاه بودند ولی توصیف کاملی از آنها نداشتند.

مدل استاندارد در دهه 1970 به شکل نوین خود متبلور شد. این کار پس از آن صورت گرفت که عناصر اصلی این مدل در جای خود قرار گرفتند: یک نظریه کوانتومی برای توصیف نیروی هسته ای قوی، امکان متحد ساختن نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته ای ضعیف و کشف مکانیزم هیگز که جرم ذرات از آن ناشی می شد.

مدل استاندارد دنیای زیراتمی را به دو مقوله گسترده ذرات به نام فرمیون ها و بوزون ها سازماندهی می کند. به بیان ساده، فرمیون ها نمی توانند حالت کوانتومی یکسانی را بطور مشترک دارا باشند (به عبارتی، سطح انرژی یکسانی درئن اتم). فرمیون ها "آجرهای ساختمانی" ماده معمولی هستند که به شکل های مختلفی با هم ترکیب شده و ذرات زیراتمی شناخته شده ای مانند پروتون ها، الکترون ها و نوترون ها را می سازند.

دو نوع فرمیون وجود دارد: لپتون ها که به نیروهای الکترومغناطیسی و هسته ای ضعیف پاسخ می دهند و کوارک ها که به نیروی هسته ای قو یپاسخ می دهند. لپتون ها شامل ذره آشنای الکترون و نیز پسرعموهای سنگین تر آن میوئون و تاو هستند. این دو ذره دقیقا همان خواص الکترون را داشته منتها سنگین تر هستند.

هر کدام از این لپتون ها دارای نوترینوی متناظر به خود هستند. نوترینوها ذرات بسیار سبکی هستند که ندرتا با ماده واکنش می کنند اما در واکنش های هسته ای تولید می شوند. بنابراین نوترینوهای الکترونی، نوترینوهای میوئونی و نوترینوهای تاو داریم.

علوه بر این شش لپتون، کوارک ها نیز در شش نوع یا "طعم" مختلف هستند: کوارک بالا، پایین، افسون، شگفت، فوقانی و تحتانی. کوارک های بالا و پایین سبکترین و پایدارترین آنها هستند و در گروه های سه تایی به هم می‌پیوندند تا پروتونها و نوترونها را بسازند.

در سوی دیگر  بوزونها م یتوانند حالت انرژی یکسانی را مشترک شوند. آشناترین آنها فوتون، ذره حامل نیروی الکترومغناطیسی است. سایر بوزونهای حامل نیرو مشتمل بر سه حامل نیروی هسته  ای ضعیف (به نامهای بوزون W+، W- و Z) و هشت حامل نیروی هسته ای قوی به نام گلوئون ها هستند.

آخرین ذره بوزون به نام بوزون هیگز بسیار خاص است و نقش بسیار مهمی در مدل استاندارد ایفا می کند.

نقش مکانیزم هیگز در مدل استاندارد چیست؟

بوزون هیگز دو وظیفه مهم در مدل استاندارد به  عهده دارد. در انرژی های بالا نیروهای الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف با هم به شکل نیرویی به نام الکترو-ضعیف (electroweak) ادغام می شوند. در انرژی های پایین (انرژی های مرسوم زندگی روزمره) این دو نیرو به شکل آشنای خود تفکیک می گردند. بوزون هیگز مسئول جدا نگاه داشتن این دو نیرو در انرژی های پایین است بطوری که نیروی هستهای ضعیف و الکترومغناطیس واکنش متفاوتی با بوزون هیگز دارند.

تمام کوارک ها و لپتونهای دیگر (به استثنای نوترینوها) نیز با بوزون هیگز واکنش می کنند. این واکنش بسته به شدت آن، به ذرات نامبرده جرم منفرد آنها را می دهد. بنابراین حضور بوزون هیگز به بسیاری از ذرات عالم امکان می دهد دارای جرم شوند.

مدل استاندارد چگونه مورد آزمون قرار گرفته است؟

آزمایش مدل استاندارد بسیار دشواراست زیرا تمامی ذرات در این مدل بسیار ریز هستند. هیچکدام از این ذرات، به استثنای شاید الکترونها، قابل مشاهده نیستند لیکن وجود آنها بطور غیرقابل مناقشه ای اثبات شده است.

مدل استاندارد از بوته آزمونهای ابر-دقیق بسیاری در طول چندین دهه پیروز بیرون آمده است. تقریبا تمامی این آزمونها شامل بکارگیری برخورد دهنده های ذرات مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون در نزدیکی ژنو بوده اند که ذرات را با سرعت نزدیک به نور با هم برخورد می دهد. این برخوردها مقادیر عظیمی انرژی آزاد کرده و به فیزیکدانان امکان می دهند واکنش های بنیادین طبیعت را مطالعه کنند. سازمان CERN یا مرکز پژوهش های هسته ای اروپا دارنده و بهره بردار از این برخورد دهنده عظیم است. برای مثال این برخورد دهنده امکان می دهد گشتاور مغناطیسی الکترون را با دقت 13 تا 14 رقم اعشار تعیین کنند که براستی دقت حیرت آوری است.

بخشی از تونل 17 کیلومتری شتابدهنده LHC در مرکز CERN

مشکلات موجود در مدل استاندارد ذره ای

با وجود موفقیت عظیم این نظریه در توضیح گستره وسیعی از پدیده های طبیعی تحت یک چارچوب ریاضی واحد، فیزیکدانان به نواقص آن آگاه هستند. مهمتر از همه اینکه تمام تلاشها برای داخل کردن نیروی گرانش در این مدل با شکست مواجه شده است. معلوم نیست حل این مشکل چقدر به طول بیانجامد و آن را یم توان یکی از بزرگترین چالش های فرا روی علم دانست.

همچنین این مدل مکانیزمی برای جرم دادن به نوترینوها ارائه نمی کند و ماده تاریک یا انرژی تاریک را که اشکال مسلط ماده و انرژی در عالم هستند به حساب نمی آورد.

با این وجود مدل استاندارد ذره ای کماکان مهمترین مدل موجود برای توصیف دنیای زیراتمی است.

منبع: LiveScience

BIBLIOGRAPHY

Hoddeson, L. et al. "The Rise of the Standard Model: A History of Particle Physics from 1964 to 1979" (Cambridge University Press 1997)

Cottingham, W.N. and Greenwood, D. A. "An Introduction to the Standard Model of Particle Physics" (Cambridge University Press 2007)

Oerter, R. "The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics" (Pi Press 2006)

Bardin, D. and Passarino, G. "The Standard Model in the Making: Precision Study of the Electroweak Interactions" (Clarendon Press 1999)

---

Advertisement

دستیار تحقیق در پروژه های علمی و دانشگاهی

با بیش از 25 سال سابقه انجام پروژه های علمی و دانشگاهی

قیمت های توافقی

شماره تماس: [phone]

---

بوزون هیگز چیست؟

فیزیکدانان می دانستند که این ذره گریزپا باید وجود داشته باشد، لیکن نیم قرن طول کشید تا کشف شود.

بوزون هیگز یکی از 17 ذره بنیادی است که مدل استاندارد فیزیک ذره ای را می سازند، مدلی که بهترین نظریه دانشمندان درباره رفتار عناصر سازنده عالم است. ذره بوزون هیگز آخرین ذره زیراتمی است که کشف شده، پنج دهه طول کشیده تا این ذره کشف شود و چنان نقش بنیادینی در فیزیک زیراتمی ایفا می کند که گاهی اوقات از آن به "ذره خدا" یاد می شود. این ذره در سال 2012 کشف شد و اهمیت آن همچنان افزایش می یابد.

نظریه میدان هیگز

یکی از خواص اصلی ماده "جرم" آن است – کمیتی که نشان دهنده میزان مقاومت جسم در برابر نیروی اعمال شده بر آن است. در معادله معروف E = mc² جرم و انرژی توسط ثابت سرعت نور به هم مربوط می شوند. بنابراین جرم و انرژی در اساس یک چیزند. حدود 99 درصد انرژی هر ماده در دنیای واقعی از انرژی پیوند ناشی می شود که ذرات تشکیل دهنده درون اتمها را کنار هم نگه می دارد. باقیمانده 1 درصد جرم در ذات این ذرات بنیادین قرار دارد. سوال این است: این ذرات جرم خود را چگونه بدست می آورند؟

در دهه 1960 فیزیکدانان ذره ای از جمله پیتر هیگز از دانشکاه ادین بورو به یک پاسخ ممکن دست یافتند. سازوکار پیشنهادی توسط آنها شامل یک میدان نامشهود اما همه جا حاضر به نام "میدان هیگز" بود. ذرات بنیادین از طریق برهم کنش با این میدان جرم خود را بدست می آورند.

ذرات مختلف از آنجایی  دارای جرمهای مختلف هستند که هرکدام برهمکنش متفاوتی با میدان هیگز دارند. می توان این واقعیت را به حرکت یک فرد (یک ذره) از میان گروهی از گزارشگران (میدان هیگز) تشبیه کرد. اگر این فرد یک هنرپیشه معروف باشد باید راه خود را به سختی از درون آنها باز کند – درست مانند یک ذره پرجرم – اما اگر فرد ناشناسی باشد براحتی از میان آنها عبور می کند – مانند یک ذره سبک.

بوزون هیگز یکی از 17 عنصر بنیادین است که مدل استاندارد فیزیک ذره را می سازند. مدل استاندارد بهترین نظریه توجیه کننده اجزای سازنده جهان است. بوزون هیگز آخرین ذره این مدل بود که پس از پنج دهه جستجو کشف شد و چنان نقش مهمی در فیزیک ریزاتمی ایفا می کند که به نام ذره خدا معروف شده است.

یکی از بنیادی ترین خواص ماده جرم آن است – کمیتی که میزان مقاومت یک جسم در برابر نیروی اعمال شده به آن را نشان می دهد. این کمیت همان m در معادله معروف اینشتاین E = m c2 است. در این معادله c (سرعت نور) یک ثابت است بنابراین معادله به ما می گوید که انرژی و جرم در حقیقت یک کمیت با یکای اندازه گیری مرتبط هستند. حدود 99 درصد جرم دنیای واقعی – مانند بدن آدمی – از انرژی پیوندی ناشی می شود که ذرات بنیادی را در کنار هم نگه می دارد. یک درصد باقیمانده مربوط به ذرات بنیادی 17 گانه است. سوال این است: این ذرات جرم خود را چگونه بدست می آورند؟

در دهه 1960 فیزیکدانان نظری از جمله پیتر هیگز از دانشگاه ادینبورگ یک پاسخ ممکن برای این پرسش اساسی یافتند. سازوکار پیشنهادی توسط آنها شامل یک میدان نامشهود ولی نافذ در همه جا به نام میدان هیگز بود. ذرات بنیادی از طریق برهمکنش خود با این میدان  جرم خود را بدست می آورند.

بوزون هیگز یک ذره سنگین فرضی بود که دارای جرمی بالا بوده و حامل میدان هیگز بشمار می رفت. هیگز مقاله اولیه خود را در 31 آگوست 1964 ارائه کرد. نظریه هیگز توضیحی عالی برای جرم ذرات بنیادین بود اما آیا این نظریه درست بود؟ مشهودترین راه برای تایید این نظریه کشف یک ذره بوزون بود. اما کشف ذره بوزون کار آسانی نیست زیرا بسیار ناپایدار است و در کسر کوچکی از ثانیه به سایر ذرات متلاشی می شود. جرم عظیم آن نسبت به سایر ذرات نیز بدان معناست که تنها در برخوردهای با انرژی بسیار بالا تولید می شود. وقتی مرکز پژوهشی فیزیک دره ای اروپا (CERN) عظیم ترین شتابدهنده ذره خود به نام برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) را ساخت یکی از انگیزه های اصلی آن کشف بوزون هیگز بود

کشف بوزون هیگز

فیزیکدانان جرم ذرات را بر حسب الکترون ولت (eV) اندازه گیری می کنند. برای مثال جرم یک پروتون – هسته اتم هیدروژن – 938 میلیون الکترون ولت ست. وقتی LHC کار خود را در سال 2008 آغاز کرد تنها چیزی که فیزیکدانان بطور مطمئن درباره بوزون هیگز می دانستند این بود که جرم آن باید حدود 114 میلیارد الکترون ولت باشد زیرا در غیر اینصورت توسط شتابدهنده های نسل های پیشین کشف می گردید. خوشبختانه LHC برای این کار توانمندی لازم را داشت و تعداد فزاینده ای ذره مشابه هیگز با جرم حدود 125 میلیارد الکترون ولت کشف کرد. تا جولای 2012 دیگر شکی باقی نمانده بود که بوزون هیگز کشف شده و اعلام رسمی آن باعث غوغایی در رسانه ها شد. پس از 50 سال از پیشنهاد این مدل ذره ای، بالاخره بوزون هیگز کشف شده بود.

متاسفانه یکی از سه دانشمندی که روی نظریه میدان هیگز کار کرده بودند، رابرت براوت یکسال قبل از اعلام این پیروزی درگذشته بود. لیکن دو دانشمند باقیمانده، فرانسواز انگلرت و پیتر هیگز بواسطه کشف نظری سازوکاری که به درک ما از ماهیت اصلی جرم ذرات زیراتمی کمک می کند، سازوکاری که اخیرا با کشف ذره بنیادی پیش بینی شده تایید شده است، مشترکا جایزه نوبل 2013 فیزیک را  از آن خود کردند. برای کشف این ذره دانشمندان 30.6 میلیون تلاشی ذرات تولید شده در برخوردهای بسیار پرانرژی در شتابدهنده LHC را مورد تحلیل قرار دادند.

ذره بوزون هیگز پس از تلاشی به کوارکها و میونها تبدیل می شود. دانشمندان هنوز در تلاشند با مطالعه بیشتر دزه بوزون هیگز بتوانند برخی از بزرگترین رازهای عالم مانند ماده تاریک را تحلیل کنند.

منابعی برای مطالعه بیشتر:

• Listen to physicist Sean Carroll talking about the Higgs boson
• View a timeline of the Higgs boson from concept to reality
• Learn more about the Standard Model and the Higgs boson's role in it

Bibliography

The Higgs boson. CERN. https://home.cern/science/physics/higgs-boson 

CERN answers queries from social media. CERN. https://home.cern/resources/faqs/cern-answers-queries-social-media 

DOE Explains...the Higgs Boson. U.S. Department of Energy. https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-higgs-boson 

Wilton, Pete. (2015, July) Exploring the Higgs boson's dark side. University of Oxford. https://www.ox.ac.uk/news/science-blog/exploring-higgs-bosons-dark-side

The Nobel Prize in Physics. (2013) The Nobel Foundation. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2013/summary/ 

Peter Higgs and the Higgs Boson. (2014, March) The University of Edinburgh. https://www.ph.ed.ac.uk/higgs/brief-history 

Greene, Brian. How the Higgs Boson Was Found. (2013, July) https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-the-higgs-boson-was-found-4723520/