رنگ ها و طعم ها
ماجرای فیزیک ذرات بنیادی در دهه ۱۹۶۰ به ماجرای خلق مکانیک کوانتومی و آنچه که در جهان فیزیکدانان در دهه های اول قرن بیستم می گذشت بی شباهت نیست. در اواخر دهه ۱۹۶۰ شتاب دهنده های پرانرژی از تصادم الکترون ها و پروتون ها و در برخی موارد ذرات دیگر، صدها ذره بنیادی فراهم کردند تا فیزیکدانان را از غنای آنچه که در زیرلایه های اتم می گذرد آگاه کنند.
● نگاهی به مدل استاندارد ذرات بنیادی
در نیمه دوم قرن بیستم پیشرفت های عظیمی در درک ما از جهان و به خصوص در دنیای درون اتم اتفاق افتاد. از یک سو پیشرفت های نظری در مکانیک کوانتومی و به تبع آن در نظریه میدان های کوانتومی و از سوی دیگر انجام آزمایش های بزرگ به وسیله شتاب دهنده های عظیم باعث شد که امروزه بتوانیم ادعا کنیم ساختار بخش عظیمی از ماده قابل رویت در جهان را می دانیم. همچنین می توانیم بگوییم که از میان چهار نیروی مستقل در طبیعت امروز نظریه وحدت یافته ای از دوتای آنها در دست است و سومین نیرو هم به طرز خوبی با آنها تلفیق شده است.
اما سئوالات بزرگ تر و اساسی تری پیش روی بشر باز شده است. از یک طرف نیروی چهارم یعنی گرانش تا حدودی رام نشدنی به نظر می رسد. نظریه های ذهنی تری مثل نظریه ریسمان و ابر ریسمان ادعا دارند که شاید بتوانند در آینده هر چهار نیرو را در یک نظریه وحدت یافته توضیح دهند. از سوی دیگر کشفیات کیهان شناسی در اواخر دهه ۹۰ نشان داد که آن چیزی را که ماده قابل رویت در جهان می نامیم و آن را با «مدل استاندارد ذرات بنیادی» توصیف می کنیم، تنها کمتر از پنج درصد جرم کل عالم را تشکیل می دهد و از ۹۵ درصد باقی مانده قسمتی به صورت جرم تاریک است که تنها اثر آن را در سرعت چرخش ستاره ها (مثل خورشید) به دور کهکشان دیده ایم و قسمت بیشتر آن به صورت انرژی تاریک است که باز هم تنها نشانه آن را در افزایش سرعت انبساط عالم کشف کرده ایم و هیچ توجیه نظری که به وسیله عموم فیزیکدانان قابل قبول باشد ارائه نشده است.
با وجود تمام این محدودیت ها می توان گفت که «مدل استاندارد ذرات بنیادی» به واقع شاهکاری است که حاصل میلیون ها نفرساعت _ وقت و یک قرن تلاش بشر و عقلانیت مدرن برای کشف رازهای جاودانه خلقت است.
● نخستین ذرات بنیادی
ماجرای فیزیک ذرات بنیادی در دهه ۱۹۶۰ به ماجرای خلق مکانیک کوانتومی و آنچه که در جهان فیزیکدانان در دهه های اول قرن بیستم می گذشت بی شباهت نیست. در اواخر دهه ۱۹۶۰ شتاب دهنده های پرانرژی از تصادم الکترون ها و پروتون ها و در برخی موارد ذرات دیگر، صدها ذره بنیادی فراهم کردند تا فیزیکدانان را از غنای آنچه که در زیرلایه های اتم می گذرد آگاه کنند.
زمانی که دالتون مدل اتمی نوین خود را در قرن نوزدهم ارائه داد و مندلیف جدول تناوبی عناصر را تنظیم کرد، دانشمندان گمان می کردند که اتم ها، آجرهای ریزسازنده جهان هستند اما این تصور چندان طول نکشید. با کشف الکترون، هسته و پروتون و نوترون درون هسته (که اکثر آنها را مدیون تامسون پدر و پسر و لرد رادرفورد هستیم)، دانشمندان نفس تازه ای کشیدند. آنها توانستند تمام جدول تناوبی عناصر را براساس این ذره توجیه کنند. به نظر می رسید که الکترون، پروتون و نوترون اجزای اصلی سازنده جهان هستند.
اما داستان اینجا تمام نمی شود. دیراک که پس از تدوین مکانیک کوانتومی توسط هایزنبرگ و شرودینگر به دنبال آن بود که یک نظریه مکانیک کوانتومی نسبیتی بسازد نسبیت خاص را با مکانیک کوانتومی پیوند بزند، در اواخر دهه ۱۹۲۰ به معادله ای دست یافت که علاوه بر توضیح دینامیک الکترون وجود ذره دیگری را پیش بینی می کرد که تمام خواص اش همانند الکترون اما بارش مخالف آن است. این ذره را پوزیترون نامیدند. پوزیترون پادذره الکترون است، یعنی تمام خواص آن مثل الکترون است و فقط بارهای ذاتی اعداد کوانتومی آن عکس الکترون است، مثلاً بار الکتریکی مثبت دارد و در سال ۱۹۳۱ توسط کارل اندرسون با استفاده از عکس هایی که از تابش کیهانی گرفته بود، کشف شد. نکته جالب تر اینکه معادله دیراک می تواند هر ذره ای را که اسپین یک دوم دارد توصیف کند اسپین خاصیت کاملاً کوانتومی است و مانسته کلاسیکی ندارد و شبیه یک میدان مغناطیسی ذاتی است پس پروتون و نوترون را هم شامل می شود، در نتیجه آنها هم پادذره دارند.
● نظریه میدان های کوانتومی
پیشرفت بعدی در درک جهان خرد جهان زیر اتمی زمانی حاصل شد که نشان داده شد در معادله دیراک کوانتیزه کردن معادله شرودینگر برای ذرات اسپین یک دوم یک فوتون پرانرژی فوتون، کوانتوم نور است که اینشتین از آن برای توجیه اثر
فتوالکتریک استفاده کرد می تواند یک الکترون و یک پوزیترون خلق کند. البته برای بقای همزمان انرژی و اندازه حرکت، این خلق باید در کنار یک ذره سنگین تر اتفاق بیفتد.
به طور مشابه نشان داده شد که الکترون و پوزیترون می توانند به هم برخورد کنند و ضمن نابود شدن فنا شدن یک فوتون پرانرژی تولید کنند.
در نظریه میدان های کوانتومی که معادله دیراک صورت خاصی از آن است همه ذرات توسط میدان ها توصیف می شوند، همان طور که فوتون نمایان گر میدان الکترومغناطیسی است، الکترون هم تجلی یک میدان الکترونی و پروتون هم یک میدان پروتونی است. به امکان خلق یا فنای کوانتم های میدان ذرات دومین کوانتیزه شدن» می گویند.
● نیروهای بنیادی
در درون هسته اتم ها، پروتون ها و نوترون ها در کنار هم قرار دارند. نوترون ها بی بار هستند اما پروتون ها بار مثبت دارند. دافعه الکتریکی آنها آنقدر زیاد است که باید چیزی بسیار قوی آنها را در کنار هم این گونه آرام قرار داده باشد. نیرویی که «نیروی هسته ای» نام گرفت.
فیزیکدان بزرگ ژاپنی یوکاوا این ایده را مطرح کرد که نیروی هسته ای ناشی از تبادل ذره ای به نام مزون بین اجزای هسته پروتون و نوترون است به این ترتیب پای ذرات دیگری هم به میان آمد. در همین زمان ها بود که شتاب دهنده های بزرگ ساخته شدند و ماحصل کار این شتاب دهنده ها کشف صدها ذره گوناگون بود که همه آنها به نوعی لقب «بنیادی» را به همراه داشتند وضع از زمان جدول مندلیف هم بدتر شد. زیرا آن موقع تنها ۹۲ عنصر وجود داشتند و حالا صدها ذره بنیادی. همان طور که بشر توانست این ۹۲ عنصر شیمیایی را با سه ذره الکترون، پروتون و نوترون توضیح دهد، به نظریه دیگری نیاز بود که بتواند این جنگل عظیم ذرات را با چند مدل ساده تفسیر کند. مدل استاندارد ذرات بنیادی توانست چنین کاری را انجام دهد. تاکنون در طبیعت تنها چهار نیروی مستقل شناخته شده است. نیروی گرانش را نیوتن کشف کرد و در نظریه نسبیت عام اینشتین تعمیم یافت. نظریه نسبیت عام یکی از بهترین و کامل ترین نظریه های علمی است که می تواند نیروی گرانش را تا حد بسیار خوبی توضیح دهد. نیروی دیگر، نیروی الکترومغناطیسی است.
نیروی الکترومغناطیسی در قرن نوزدهم و با کارهای بزرگانی مثل فارادی، هانری، لورنتس، آمپر، اورستد و... قوام پیدا کرد و سرانجام ماکسول توانست این نظریه ها را وحدت بخشیده و در یک نظریه واحد الکترومغناطیسی کلاسیک توضیح دهد. بعد از آن در دهه ۱۹۵۰ فاینمن توانست الکترومغناطیس را با مکانیک کوانتومی پیوند دهد و نظریه کوانتومی الکترودینامیک یا QED را ابداع کند.
نیروی هسته ای هم یکی دیگر از نیروهای بنیادی طبیعت است که اجزای هسته را به هم پیوند می زند. اما بررسی واپاشی نوترون به پروتون و الکترون نشان داد که باید نیروی دیگری هم وجود داشته باشد. نوترون آزاد با نیمه عمری حدود ۱۸ دقیقه واپاشی می کند و یک پروتون و یک الکترون و یک نوترینو آزاد می کند. نیمه عمر این واکنش آنقدر زیاد است که نمی توان این واکنش را در حوزه واکنش های هسته ای قرار داد. از طرف دیگر نوترون بی بار است، پس نیروی الکترومغناطیسی هم نمی تواند این واکنش را توجیه کند. از نیروی گرانش هم با توجه به جرم کم این ذرات اصولاً صرف نظر می شود. برای همین دانشمندان اسم نیرویی که این واکنش را توجیه می کند، نیروی هسته ای ضعیف گذاشته اند زیرا شدت آن بسیار کمتر از نیروی هسته ای معمولی است که ذرات درون هسته را به هم پیوند می دهد. این نیرو هم خود به خود به نیروی هسته ای قوی تغییر نام داد. نیروهای هسته ای قوی و ضعیف و الکترومغناطیسی نیروهایی کوانتومی هستند که نظریه میدان کوانتومی آنها را توضیح می دهد. در مدل استاندارد ذرات بنیادی، ذراتی را به عنوان حامل نیرو تعریف می کنند. این ذرات حامل نیرو بوزون نامیده می شوند و ذرات معمولی که این نیروها بین آنها برقرار می شود، فرمیون نامیده می شوند. بوزون ها از آمار بوز- اینشتین پیروی می کنند و اسپین آنها صحیح است مثل ۰ ، ۱ ۲، و... اما فرمیون ها از آمار فرمی- دیراک پیروی می کنند، یعنی اصل طرد پائولی بر آنها حاکم است و فقط یک فرمیون می تواند در هر حالت قرار بگیرد. مثل ترازهای اتمی که در هر تراز تنها دو الکترون یکی با اسپین بالا و یکی با اسپین پایین قرار می گیرد. اسپین فرمیون ها نیم صحیح است. یک دوم، سه دوم، پنج دوم و...
در نیروی الکترومغناطیسی ذرات باردار ماده را می سازند و نیروی الکترومغناطیسی در آنها با مبادله فوتون که حامل این نیرو و اسپین آن یک است، توضیح داده می شود. حامل نیرو در نیروی هسته ای ضعیف، ذراتی به نام +W و _W، Wo و Zo هستند. حامل نیروی هسته ای قوی هم ذراتی به نام گلوئون هستند.
اما تاکنون هیچ نظریه کوانتومی برای گزارش ارائه نشده و سازش بین نسبیت عام و مکانیک کوانتومی از مسائل لاینحل فیزیک امروزی است. برای توجیه گزارش کوانتومی پیشنهاد می شود که نیروی گرانش هم با استفاده از حاملی به نام گراویتون که اسپین آن۲ و مثل فوتون بدون جرم است، منتقل می شود. علت ۲بودن اسپین گراویتون این است که باید تنها از نوع جاذبه باشد. اما مشکلاتی در این زمینه بروز می کند که تا امروز حل نشده باقی مانده اند.