مدل کوچکترین ذرات طبیعت
و بر همکنش بین آنها
برهم کنش ذرات رنگی
اکتشافی که جایزه نوبل فیزیک امسال رااز آن خود کرد اهمیتی اساسی در فهم ما از چگونگی کارکرد یکی از نیروهای بنیادین طبیعت داشته است. نیروییکه کوچک ترین ذرات ماده یعنی کوارک ها رابه یکدیگر می چسباند. دیوید گراس دیوید پولیتزرو فرانک ویلچک توانستند با کارهای تئوریک خود مدل استاندارد ذرات بنیادی را کامل کنند. مدلی که کوجکترین ذرات طبیعت و بر همکنش بین آنها را توضیح می دهد.
نیروی بر همکنش قوی
نیروی بر همکنش قوی که اغلب به آن بر همکنش رنگی نیز می گویند یکی از چهار نیروی بنیادین طبیعت است. این نیرو بین کوارک ها که ذرات بنیادی سازنده پروتون ها نوترون ها و نوکلئون ها هستند عمل میکند. دیوید پولیتزرو فرانک ویلچک خاصیتی از نیروی بر همکنش قوی را کشف کردند که به کمک آن می توان توضیح داد به چه علت رفتارکوارک ها تنها درانرژی های بسیارزیاد مانند رفتارذرات آزاد است. (درحالی که بقیه ذرات بنیادی در انرژی های معمول نیز چنین رفتاری را از خود بروز می دهند. به عبارت دیگر کوارک ها در انرژی های پایین همیشه در دل ذرات که از دو یا سه کوارک ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژی های پایین همیشه به صورت ترکیب شده با کوارک های دیگر دیده میشوند.
این تئوری از بسیاری جهات توسط آزمایش های مختلفی به خصوص در سال های اخیر در آزمایشگاه سرن بررسی شده است. این کشفیات توانسته اند پایه ای برای تئوری بر همکنش رنگها (کرومودینامیک کوانتومی) پی ریزی نمایند.
مدل استاندارد و چهار نیروی بنیادی طبیعت
اولین نیرویی که انسانها با آن آشنا شدند نیروی گرانش است. این نیرو باعث افتادن اجسام بر روی زمین و همچنین گردش سیارات به دور خورشید و حرکت ستاره ها در کهکشان است. به نظر می رسد که نیروی گرانش نیروی بسیار قوی است به عنوان مثال ارسال یک موشک به خارج از جو زمین احتیاج به صرف انرژی و سوخت بسیاری دارد. با این حال در جهان ریز میکرو سکوپیک در مقایسه با نیروی بین ذراتی از قبیل الکترون و پروتون نیروی گرانش نیروی بسیار ضعیفی است سه نیروی دیگر طبیعت که اثر آنها اغلب در حوزه جهان های ریز میکروسکوپیک دیده می شود عبارتند از نیروهای بر همکنش.
الکترو مغناطیسی بر همکنش ضعیف وبر همکنش قوی. چگونگی عملکرد این سه نیرو توسط نظریه مدل استاندارد توضیح داده می شود. این نظریه، نظریه ای بسیار قوی است برای اینکه میتواند نظریه نسبیت خاص انیشتن و مکانیک کوانتومی را یکجا دربر بگیرد.(البته به خاطر مسائل و مشکلات تکنیکی هنوز نمتوان آن را نظریه ای کامل و سازگار دانست).
مدل استاندارد می تواند توضیحی برای کوارک ها، لپتون ها و ذراتی که نیروها را حمل می کنند ارائه کند. کوارک ها به عنوان نمونه سازنده ذراتی مانند پروتونها ، نوترونها هستند.
الکترون ها که سازنده پوشش بیرونی اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تا جایی که می دانیم الکترون ها خود از ساختارهای ریزتری تشکیل نشده اند.
بر همکنش الکترو مغناطیسی سازنده نور و چسبندگی مواد
بر همکنش الکترو مغناطیسی می تواند توصیفی مشترک برای بسیاری از پدیده ها که جهان ما را در بر گرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطکاک، مغناطیس و علت ا ینکه چرا جسمی بر روی میز از درون میز عبور نمی کند، به کمک این نیرو قابل توضیح هستند. نیروی الکترو مغناطیسی که در اتم هیدروژن، الکترون و پروتون را به هم پیوند می دهد به اندازه غیر غابل تصور 1041 بار از نیروی گرانشی بین آنها قوی تر است. اندازه این دو نیرو متناسب با مربع فاصله کاهش می یابد با این حال نیروهای بلند برد محسوب می شوند.
هر دوی این نیروها یعنی الکترو مغناطیس و گرانش توسط ذرات حامل که به ترتیب فوتون(ذرات نور) و گراویتون هستند حمل می شوند. بر خلاف فوتون ذره گراویتون هنوز به صورت آزمایشگاهی کشف نشده است. دلیل بلند برد بودن این دو نیرو را می توان به کمک این واقعیت که ذرات حامل این نیروها بدون جرم هستند توضیح داد. فیزیکدانان توانسته اند به کمک تئوری الکترودینامیک کوانتومی توصیف مناسبی برای بر همکنش الکترو مغناطیسی ارائه نمایند. این تئوری یکی از موفقیت آمیزترین تئوری های فیزیکی است که با دقت یک در ده میلیون با نتایج آزمایشگاهی توافق دارد. توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن جایز فیزیک در سال 1965 رابرای این نظریه از آن خود کردند. یکی از دلایل موفقیت این نظریه وجود یک ثابت کوچک به اسم ثابت کوپلاژ 137/1 در معادلات است. وجود این ثابت کوچکتر از یک این امکان را فراهم می سازد که برای محاسبه اثر نیروی الکترو مغناطیس از بسط سریها در معادلات استفاده شود. این روش ریاضی که به آن روش حل اختلالی می گویند توسط فاینمن بسط و گسترش یافت. یکی از خواص مهم نظریه الکترو دینامیک کوانتومی این است که ثابت کوپلاژ در انرژی های مختلف مقادیر مختلفی دارد. این مقدار با افزایش انرژی افزایش می یابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده سرن مقدار آن به جای 137/1 ،128/1 در انرژی حدود 100 بیلیون الکترون ولت اندازه گیری شده است. اگر نمودار اندازه ثابت کوپلاژ نسبت به انرژی رسم شود، آن گاه این منحنی دارای یک شیب آرام به سمت بالا خواهد بود که فیزیکدانان اصطلاحا" می گویند شیب منحنی یا تابع بتا مثبت است.
بر همکنش ضعیف و واپاشی رادیواکتیویته
حدود 100 برابر جرم +- Wو Z0 نیروى برهمکنش ضعیف توسط ذرات بوزونى نیرو یک نیروى کوتاه برد است. این نیرو هم بر روى کوارک ها و هم بر روى لپتون ها اثر مى کند و علت واپاشى رادیواکتیویته است. این نیرو نسبت بسیار نزدیکى با نیروى الکترو مغناطیس دارد به طورى که فیزیکدانان توانستند هر دوى آنها را به صورت نیروى واحدى به نام برهمکنش الکترو ضعیف وحدت ببخشند (۱۹۷۰). جرارد هوفت و مارتینز ولتمن به خاطر فرمول بندى این دو نیرو در یک نظریه واحد جایزه نوبل سال ۱۹۹۹ را از آن خود کردند