فیزیک ذرات، جهان را در کوچکترین مقیاس توصیف میکند. این شامل ذرات زیر اتمی مانند پروتونها و نوترونها و همچنین ذرات بنیادی مانند کوارکها و الکترونها میشود که ذرات زیر اتمی را تشکیل میدهند.
همچنین شامل نیروهایی است که نحوه تعامل ذرات را کنترل میکنند، از جمله الکترومغناطیس و نیروهای قوی و ضعیف که اتمها را در کنار هم نگه میدارند. به طرز عجیبی، حتی ذراتی وجود دارند که نیروها را حمل میکنند، مانند فوتونها (که انرژی را از نیروی الکترومغناطیسی یا ذرات نور منتقل میکنند)
حقایق سریع در مورد فیزیک ذرات
تعداد ذرات بنیادی شناخته شده: ۶۱
ذراتی که در یک اتم وجود دارند: پروتون، نوترون و الکترون
ذراتی که در پروتون و نوترون وجود دارند: کوارک
چهار نیروی بنیادی: گرانش، الکترومغناطیس، نیروی قوی و نیروی ضعیف
فیزیک ذرات گاهی اوقات فیزیک انرژی بالا نامیده میشود، زیرا دانشمندان فقط میتوانند ذرات زیر اتمی را با استفاده از آزمایشهای انرژی بالا مطالعه کنند – برای مثال، به هم کوبیدن اتمها به یکدیگر با سرعتی نزدیک به سرعت نور.
فیزیک ذرات چیست؟
فیزیک ذرات، مطالعه جهان در کوچکترین مقیاس ممکن است . ابتداییترین ذرات و نیروهایی که وقتی با هم ترکیب میشوند، همه چیز را تشکیل میدهند. شما به همراه هر موجود زنده دیگر، هر ذره غبار و هر ستارهای در آسمان – همگی از ذرات بنیادی یکسانی ساخته شدهاید.
ممکن است ذره را به عنوان یک ذره کوچک غبار یا یک دانه نمک در نظر بگیرید. با این حال، وقتی فیزیکدانان در مورد ذرات صحبت میکنند، منظورشان یک چیز بسیار کوچک و ریز است که به بهترین شکل با ریاضی توصیف میشود. ذرات مانند اشیاء روزمره رفتار نمیکنند. و آنها آنقدر کوچک هستند که ما اندازه آنها را از نظر طول یا عرض نمیسنجیم، بلکه آن را با انرژی اندازهگیری میکنیم. ما حتی مطمئن نیستیم که آیا الکترونها اصلاً اندازهای دارند یا خیر؟ – هیچ کس نتوانسته آن را پیدا کند.
برخی از ذرات بسیار ناپایدار هستند و تنها کسری از ثانیه دوام میآورند. ما میتوانیم آنها را، حتی با چنین عمر کوتاهی، از طریق ابزارهایی مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) ، یک شتابدهنده غولپیکر ذرات که با برخورد دادن پرتوهای ذرات به یکدیگر با تقریباً همان سرعتی که نور در خلاء حرکت میکند، کار میکند، ایجاد و مطالعه کنیم. LHC در یک تونل 23 کیلومتری (17 مایلی) در زیر فرانسه و سوئیس دفن شده است، جایی که از بیش از 10،000 آهنربای قدرتمند برای شکل دادن به پرتوها به صورت دایره و هدایت آنها در یک راستا استفاده میکند. برخوردهای حاصل، ذرات جدید و جالبی را ایجاد میکنند.
مدل استاندارد فیزیک ذرات چیست؟
مدل استاندارد فیزیک ذرات، تمام ذرات بنیادی شناخته شده و نحوه تعامل سه نیرو از چهار نیروی بنیادی شناخته شده را با یکدیگر را توصیف میکند: این سه نیرو عبارتند از: نیروی الکترومغناطیسی، «نیروی برهمکنشهای ضعیف» و «نیروی برهمکنشهای قوی». نیروی برهمکنشهای قوی چیزی هستند که برخی از ذرات بنیادی را در کنار هم نگه میدارند، مانند کنار هم نگه داشتن پروتونها و نوترونهایی که هسته اتم را تشکیل میدهند. نیروی برهمکنشهای ضعیف «ضعیف» نامیده میشوند زیرا در فواصل بسیار کوچکتری نسبت به برهمکنشهای قوی – کمتر از قطر یک پروتون واحد – عمل میکنند.
شاید شنیده باشید که نور مانند موج عمل میکند و الکترونها مانند ذرات. در فیزیک، وقتی “چیزی” مانند موج عمل میکند، مانند موج های یک دریاچه عمل میکند ، موجهایی که به طور منظم بالا و پایین میروند و این یک “چیز “مهم است. وقتی “چیزها “مانند ذرات عمل میکنند”، بیشتر شبیه تودهای از سنگهای بسیار کوچک هستند. میتوانید سنگها را بشمارید و دقیقاً بدانید که تعداد آنها چقدر است. مدتها دانشمندان فکر میکردند که چیزها یا مانند موج عمل میکنند یا مانند ذرات، اما این درست نیست – به درون یک اتم نگاه کنید و چیزها مانند هر دو عمل میکنند. به این دوگانگی موج-ذره میگویند و مدل استاندارد تا حدودی برای توضیح آن توسعه داده شد.
چطور ممکن است چیزی هم به عنوان یک شیء منحصر به فرد و هم به عنوان یک موج عمل کند؟ ذرات زیر اتمی به بهترین شکل با ریاضیات فازی توصیف میشوند. ما دقیقاً نمیدانیم که یک الکترون کجاست – اما احتمال اینکه در یک نقطه خاص در یک ناحیه عمومی که توسط یک مرز احاطه شده است، باشد را میدانیم. این احتمالات با معادلهای به نام تابع موج توصیف میشوند. وقتی رفتاری را که شبیه یک شیء جداگانه(ذره) است اندازهگیری میکنیم، روی مرز تمرکز میکنیم. وقتی رفتاری را که شبیه یک موج است اندازهگیری میکنیم، روی احتمال تمرکز میکنیم.
در سال ۲۰۱۲، دانشمندان ذره بوزون هیگز را کشف کردند ، که یک ذره بسیار ناپایدار است و به تمام ذرات دارای جرم درست پس از بیگ بنگ جرم میدهد. این یافته، اعتبارسنجی مهمی برای مدل استاندارد بود که وجود این ذره را پیشبینی کرده بود.
با این حال، مدل استاندارد دارای برخی نقصها است. بارزترین مشکل، گرانش است – فیزیکدانان راهی برای گنجاندن گرانش در مدل استاندارد پیدا نکردهاند. اما این مدل هنوز بهترین ابزاری است که ما برای توصیف رفتار ذرات زیراتمی داریم – به جزء برای گرانش، بسیار دقیق است.
اتم از چه ذراتی تشکیل شده است؟
اتمها از پروتونها، نوترونها و الکترونها تشکیل شدهاند. تعداد پروتونها، نوترونها و الکترونها نحوهی برهمکنش اتم با سایر اتمها را تعیین میکند. جدول تناوبی راهنمایی برای انواع مختلف اتمها است؛ این جدول پر از الگوهایی است که نحوهی عملکرد هر عنصر را نشان میدهد.
عدد اتمی جدول تناوبی به شما میگوید که چند پروتون (ذراتی با بار الکتریکی مثبت) در ماده وجود دارد. آنها در نوترونهای اتم جمع شدهاند تا هسته را تشکیل دهند. نوترونها بار الکتریکی ندارند، اما جرم دارند. پروتونها و نوترونها بیشتر جرم اتم را تشکیل میدهند.
الکترونها – ذرات ریزی با بار منفی – به دور هسته با بار مثبت میچرخند. بار هر الکترون برابر با بار پروتون است که به صورت یک بار الکتریکی بنیادی (1 e) تعریف میشود. تعداد و موقعیت الکترونها در جدول تناوبی با ردیف و ستون عنصر نشان داده شده است.
چه نوع ذرات دیگری وجود دارند؟
پروتونها و نوترونها از ذرات بنیادی حتی کوچکتری به نام کوارک ساخته شدهاند. شش “طعم” (نوع) کوارک وجود دارد: بالا، پایین، افسون، شگفت، سر و ته. آنها گروههای سهتایی را تشکیل میدهند تا پروتونها و نوترونها را تشکیل دهند که توسط “بار رنگی” خود در کنار هم نگه داشته میشوند. بار رنگی هیچ ارتباطی با رنگهایی که میبینیم ندارد؛ این فقط یک اصطلاح برای شناسایی برهمکنشهایی است که کوارکها را در کنار هم نگه میدارد. بار رنگی مشابه بار الکتریکی است، اما به جای داشتن بار مثبت یا منفی، سه “رنگ” وجود دارد که یک کوارک ممکن است داشته باشد: قرمز، سبز یا آبی.
همچنین لپتونها وجود دارند. این ذرات بنیادی شبیه کوارکها هستند، اما برخلاف کوارکها، لپتونها «برهمکنشهای قوی» ندارند. به عبارت دیگر، آنها همان نوع پیوندهایی را که کوارکها تشکیل میدهند، تشکیل نمیدهند. الکترونها نوعی لپتون هستند، به همراه میونها، لپتونهای تاو و نوترینوها. میونها و لپتونهای تاو ناپایدار هستند و به الکترونها تجزیه میشوند. نوترینوها لپتونهایی بدون بار الکتریکی هستند.
کوارکها و لپتونها فرمیونها هستند – ذرات بنیادی که ماده را تشکیل میدهند. گروه دیگری از ذرات، که به عنوان بوزونها شناخته میشوند، به عنوان “حاملان نیرو” عمل میکنند. این بدان معناست که آنها نیروهایی را در خود نگه میدارند که به ذرات اجازه میدهند با یکدیگر تعامل داشته باشند. انواع بوزونها شامل فوتونها؛ گلوئونها، که به اتصال ذرات به یکدیگر کمک میکنند؛ بوزونهای Z؛ بوزونهای W؛ و بوزون مرموز هیگز است که در هماهنگی با میدان هیگز، به ذرات جرم میدهد.
برخی از فیزیکدانان ذرات مشهور چه کسانی هستند؟
ساتیندرا نات بوز (۱ ژانویه ۱۸۹۴ – ۴ فوریه ۱۹۷۴) از پیشگامان مکانیک کوانتومی بود که به همراه آلبرت انیشتین، نوع جدیدی از آمار را توسعه داد که نحوه رفتار بوزونها را با دوگانگی موج-ذره توصیف میکند. بوزونها به نام او نامگذاری شدهاند.
چین-شیونگ وو (۳۱ مه ۱۹۱۲ – ۱۶ فوریه ۱۹۹۷) در پروژه منهتن کار کرد و آزمایشهای فیزیکی را برای مطالعه واپاشی بتا، فرآیندی که مواد رادیواکتیو برای پایدارتر شدن طی میکنند، انجام داد. او با وجود ارائه اولین شواهد تجربی از واپاشی بتا، در جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۵۷ که به دو همکار مردش اهدا شد، جایی نداشت.
پیتر هیگز (۲۹ مه ۱۹۲۹ – ۸ آوریل ۲۰۲۴) فیزیکدانی بود که مسئول بخشی از مدل استاندارد فیزیک ذرات بود که توضیح میدهد ذرات چگونه در آغاز جهان جرم خود را به دست آوردهاند. بوزون هیگز به نام او نامگذاری شده است. او جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۳ را که به طور مشترک با فرانسوا انگلرت دریافت کرد، برنده شد.
پاول دیراک (۸ آگوست ۱۹۰۲ – ۲۰ اکتبر ۱۹۸۴) به توسعه نظریه مکانیک کوانتومی کمک کرد و جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۳۳ را به همراه اروین شرودینگر دریافت کرد. او معادله دیراک را توسعه داد که نحوه عملکرد فرمیونها را به صورت ذره و موج توصیف میکند. او همچنین وجود ضدماده را پیشبینی کرد که مادهای با جرم مشابه و بار الکتریکی مخالف ماده معمولی است.
ماری کوری (۷ نوامبر ۱۸۶۷ – ۴ ژوئیه ۱۹۳۴) واپاشی رادیواکتیو را کشف کرد – فرآیندی که برخی از عناصر ناپایدار برای تبدیل شدن به عناصر پایدارتر طی میکنند. او درک ما از ساختارهای اتمی را ارتقا داد و دو جایزه نوبل – یکی در فیزیک و دیگری در شیمی – را از آن خود کرد.
ریچارد فاینمن (۱۱ مه ۱۹۱۸ – ۱۵ فوریه ۱۹۸۸) در پروژه منهتن کار کرد و نمودارهای فاینمن را توسعه داد – روشی برای توصیف رفتار ذرات زیراتمی. کار او درک ما از مکانیک کوانتومی را گسترش داد.
واژهنامه فیزیک ذرات
- بوزون: بوزونها یکی از دو دسته ذرات بنیادی را تشکیل میدهند. بوزونها حامل نیروها بین ذرات هستند. بوزونها دارای عدد کوانتومی اسپینی هستند – عددی که اسپین ذاتی یک ذره معین را تعریف میکند – که یک عدد صحیح است (برای مثال، ۰، ۱ یا ۲). فوتونها نوعی بوزون هستند.
- فرمیون: فرمیونها دسته دوم ذرات بنیادی را تشکیل میدهند و به تشکیل ماده کمک میکنند. آنها شامل پروتونها، نوترونها و الکترونها میشوند. آنها عدد کوانتومی اسپین نیمه صحیح دارند (مثلاً ۱/۲، ۳/۲ یا ۷/۲).
- کوارک: کوارکها ذرات بنیادی هستند که با ترکیب شدن، ذرات مرکبی مانند پروتونها و نوترونها را تشکیل میدهند. انواع یا طعمهای مختلفی از کوارکها وجود دارد: بالا، پایین، افسون، عجیب، سر و ته. تمام مواد معمولی و قابل مشاهده از کوارکهای بالا، پایین و الکترونها ساخته شدهاند.
- لپتون: لپتونها ذرات بنیادی هستند که اسپین نیم صحیح دارند و تحت تأثیر نیروی هستهای قوی که کوارکها را در پروتونها، نوترونها و سایر ذرات محدود میکند، قرار نمیگیرند. الکترونها نوعی لپتون هستند.
تصاویر فیزیک ذرات
تصویر ۱ از ۳
برخورد دهنده بزرگ هادرونی
برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) یک شتابدهنده ذرات عظیم و قدرتمند است که در آن وجود بوزون هیگز تأیید شد
منبع :Live Science