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]

---

نوترینوها چیستند؟

منبع: Live Science – 21 فوریه 2019

نوترینوها ذرات درون اتمی گریزپایی هستند که در فرایندهای هسته ای گوناگون هستی می یابند. نام آنها به معنای "ذره خنثای کوچک" است که به بدون بار بودن آنها اشاره دارد. از چهار نیروی بنیادی موجود در عالم، نوترینوها تنها با دو تا از آنها واکنش می کنند: گرانش و نیروی هسته ای ضعیف که مسئول واپاشی رادیواکتیو اتمهاست. تقریبا هیچ جرمی ندارند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور در کیهان انتشار می یابند.

در کسر ثانیه ای پس از انفجار بزرگ (Big Bang) تعداد بیشماری نوترینو بوجود آمدند و در سراسر زمان پس از آن نیز نوترینوهای جدیدی در فرایندهای گوناگون خلق شده اند: در قلب هسته ای ستارگان، در شتاب دهنده های ذرات و راکتورهای اتمی موجود بر کره زمین، در طی فروریزش انفجاری ابرنوستاره ها و وقتی عناصر رادیواکتیو دچار واپاشی می شوند. معنای گفته این است که بطور متوسط در عالم تعداد نوترینوها یک میلیارد برابر بیشتر از تعداد پروتون هاست.

با وجود فراوانی آنها، نوترینوها راز بزرگی در برابر فیزیکدانها هستند زیرا شکار آنها بسیار دشوار است. نوترینوها از درون بیشتر مواد چنان به سهولت جریان می یابند که گویی اشعه نوری هستند که از پنجره ای شفاف عبور می کنند و بندرت با هر ماده دیگری واکنش می یابند. تقریبا در این لحظه 100 میلیارد نوترینو از درون بدن شما عبور کرده اند بدون اینکه چیزی حس کنید.

کشف ذرات نامشهود

نوترینوها اولین بار برای حل یک معمای علمی مطرح شدند. در قرن نوزدهم پژوهشگران در مورد پدیده ای به نام واپاشی بتا دچار گیجی شده بودند. در این رخداد هسته درون اتم بطور آنی یک الکترون از خود ساتع می کند. بنظر می رشید واپاشی بتا از دو اصل بنیادین فیزیک یعنی بقای انرژی و بقای اندازه حرکت تخطی می کند. این چنین می نمود که در پیکربندی نهایی ناشی از واپاشی بتا ذرات انرژی بسیار اندکی دارند و پروتون بجای گرفتار شدن در جهت مخالف الکترون ساکن در جای خود می ایستد. تنها در سال 1930 بود که فیزیکدان بزرگ ولفگاگ پاولی این ایده را مطرح کرد که ممکن است ذره دیگری از درون هسته اتم بیرون آید که انرژی و اندازه حرکت گم شده را با خود به بیروه هسته منتقل می کند. پاولی به دوست خود نوشت که با فرض ذره ای غیر قابل آشکار ایده وحشتناکی را مطرح کرده است. نوترینوهای فرضی او چنان وجود شبح واری داشتند که ندرتا به هر چیزی واکنش کرده و جرم اندکی در حد هیچ داشتند.

بیش از یک ربع قرن بعد فیزیکدانانی به نام کلاید کووان و فردریک راینز یک آشکار نوترینو ساخته و آن را در خارج راکتور اتمی نیروگاه رودخانه ساوانا در جنوب کارولاینا قرار دادند. آزمایش آنها توانست تعداد کمی از صدها تریلیون نوترینوی خارج شده از راکتور را آشکار کند. آنها تلگرامی به پاولی در تایید نظریه نوترینوی او ارسال کردند. راینز در سال 1995 جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کردند – در آن زمان کووان همکار او درگذشته بود.

از آن زمان تاکنون نوترینوها بطور مداوم با انتظارات دانشمندان تقابل ورزیده اند. خورشید تعدادی بیشماری نوترینو تولید می کند که زمین را بمباران می نمایند. در میانه قرن بیستم پژوهشگران آشکارسازهایی برای جستجوی این ذرات ساختند اما آزمایشات آنها تنها یک سوم نوترینوهای قابل پیش بینی را آشکارسازی کرده است. یا در مدلهایی که ستاره شناسان برای خورشید ساخته اند چیزی اشتباه است یا امر غریب و نامکشوفی اتفاق می افتد که از آن بی خبریم.

فیزیکدانان بالاخره دریافتند که نوترینوها در سه نوع طعم (flavor) می آیند. نوترینوی عادی، نوترینوی الکترون نامیده می شود. دو طعم دیگر نیز وجود دارند: نوترینوی میون (meun) و نوترینوی تاو (tau). وقتی این ذرات فاصله میان خورشید و سیاره ما را طی می کنند بین این سه نوع نوسان می نمایند. به همین دلیل آزمایشات اولیه که تنها برای کشف نوترینوهایی از یک نوع طراحی شده بودند نمی توانستند دو سوم نوترینوها را آشکارسازی کنند.

اما تنها ذرات دارای جرم می توانند اینگونه بین سه نوع نوسان کنند، واقعیتی که با ایده اولیه در مورد بدون جرم بودن نوترینوها نمی خواند. در حالی که دانشمندان جرم دقیق هر سه نوع نوترینو را نمی دانند آزمایشات تعیین کرده ند که سنگین ترین آنها باید حداقل 0.0000059 بار سبکتر از الکترون باشد.

قوانینی جدید برای نوترینوها

در سال 2011 پژوهشگران در پروژه OPERA واقع در ایتالیا اعلام کردند که نوترینوهایی سریعتر از نور یافته اند، نتیجه ای که طبق فرضیات علمی موجود ناممکن بنظر می رسد. گرچه این خبر بطور وسیعی در رسانه ها منتشر شد نتایج این آزمایشات از سوی جامعه علمی با بدبینی زیادی مواجه گردید. کمتر از یکسال بعد فیزیکدانان دریافتند که یک سیم کشی اشتباه باعث محاسبه غلط سرعت نوترینوها شده و آنها سریعتر از نور حرکت نمی کنند.

اما هنوز دانشمندان باید مطالب زیادی درباره نوترینوها یاد بگیرند. اخیرا پژوهشگران آزمایشگاه شتاب دهنده فرمی در نزدیکی شکاگو نوع جدیدی از نوترینو به نام نوترینوی استریل یافته اند. این نوترینوها در چارچوب مدل استاندارد موجود برای تبیین تمام ذرات و نیروهای موجود (بجز گرانش) قرار نمی گیرند. این پژوهشگران معتقدند چارچوب تحلیلی کاملا جدیدی برای توصیف این ذرات باید ابداع شود.