از دهه ۱۹۶۰ مشخص شده بود كه پروتون و نوترون نیز از ذرات بنيادى ترى به اسم كوارك ساخته شده اند. اما نكته عجيب اين بود كه امكان مشاهده ذره كوارك به صورت آزاد وجود نداشت. آنها هميشه درگیر هستند و اين خاصيتى بنيادى براى اين ذرات است تنها جمع كوارك ها به صورت دوتايى و سه تايى مى تواند وجود داشته باشد. بار الكتريكى كوارك ها كسرى از بار الكتريكى پروتون است به صورت يك سوم يا دو سوم بار پروتون و اين خاصيتى شگرف و باورنکردنی است که هنوز توجیحی جالب برای آن نیافتیم .

گلوئون ها و خاصیت  بار -رنگ در کوارک ها : هر كوارك علاوه برداشتن بار الكتريكى خاصيت ويژه ديگرى نيز دارد كه مانند بار الكتريكى كميتى كوانتومی است و تنها مى تواند مقادير ويژه اى داشته باشد. به اين خاصيت بار-رنگ گفته مى شود. كوارك ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. در مقابل  هر كوارك يك پادكوارك نيز وجود دارد مانند پوزيترون كه پاد ذره الكترون است. پادكوارك ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى يا پاد سبز هستند. جمع كوارك هايى كه در طبيعت مى توانند وجود داشته باشند بايد داراى بار-رنگ خنثى باشند همانطور كه تشكيل مولكول هاى خنثى (از نظر الكتريكى) به خاطر جاذبه الكتريكى بين اجزاى مثبت و منفى آن است. نيروى بين پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نيروى بين بار هاى رنگى كوارك هاى تشكيل دهنده آنها به وجود مى آيد. نيروى بين كوارك ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. اين ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار-رنگ هستند. همين خصوصيت باعث پيچيدگى توضيح اين نيرو و تفاوت آن با نيروى الكترو مغناطيس است

 در نظر گرفتن مقادیر منفی تابع بتا  : براى سال ها ، فيزيكدانان اعتقاد داشتند كه نمى توان روشى براى محاسبه برهمكنش قوى ميان كوارك ها يافت كه شبيه روش محاسبات برهمكنش هاى الكترو مغناطيسى باشد. به اين دليل كه ثابت كوپلاژ براى برهمكنش قوى بزرگ تر از يك است و نمى توان روش اختلالى فاينمن (كه در بالا توضيح داده شد) را براى محاسبات اين نظريه به كار برد. كورت زيمانسكى فيزيكدان آلمانى دريافت كه تنها راه رسيدن به يك نظريه معقول پيدا كردن يك تابع بتا منفى براى اين نظريه است. اين رهيافت همچنين مى تواند علت آنكه گاهى اوقات كوارك ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشكار مى سازند توضيح دهد. اثرى كه در آزمايش برخورد ميان الكترون و پروتون ديده مى شود
متاسفانه زيمانسكى خود نتوانست به اين نظريه دست يابد حتى جرارد هوفت در تابستان ۱۹۷۲ به اين كشف نزديك شده بود. اما فيزيكدانان نااميد شده بودند زيرا شواهد نشان مى داد كه يك نظريه واقعى بايد داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه ديگر مشخص شده است كه اين موضوعى نادرست است زيرا در ژانويه 1973دو مقاله پى در پى در مجله فيزيكال ريويولترز توسط گراس و ويلچك و پوليتزر به چاپ رسيدند كه در كمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادير منفى داشته باشد. آنها زمانى اين كشف را انجام دادند که دانشجو بودند. مطابق نظريه آنها حامل هاى نيروى برهمكنش قوى يعنى گلوئون ها داراى خاصيتى غيرمنتظره و ويژه هستند به اين صورت كه آنها نه تنها با كوارك ها بلكه با خودشان نيز برهمكنش مى كنند. طبق اين خاصيت هنگامى كه كوارك ها به يكديگر نزديك مى شوند برهمكنش بار رنگى ميان آنها كاهش مى يابد. كوارك ها موقعى به يكديگر نزديك مى شوند كه انرژى آنها افزايش يافته باشد و طبق اين نظريه اندازه برهمكنش در اين هنگام كاهش مى يابد. اين خاصيت كه به آن «آزادى مجانبى» مى گويند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت ديگر برهمكنش با افزايش فاصله افزايش مى يابد كه اين مى تواند توضيحى براى اين باشد كه چرا كوارك ها هميشه در نوكلئون ها محبوس هستند

آزادى مجانبى اين امكان را نیز فراهم مى سازد كه بتوان فاصله اى را كه در آن كوارك ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى كنند، محاسبه كرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسيار زياد با يكديگر مى توان آنها را به اندازه كافى به يكديگر نزديك كرد. هنگامى كه آزادى مجانبى كشف شد و نظريه  QCD فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسيار خوبى با نتايج آزمايشگاهى از خود نشان دهند

شواهد  تجربی :  يكى از مهم ترين اثبات هاى نظريه QCD توسط آزمايش برخورد الكترون و پاد ذره آن يعنى پوزيترون در انرژى هاى بالا صورت مى گيرد. در اين آزمايش الكترون و پوزيترون يكديگر را نابود مى كنند و مطابق معادله اينشتين   انرژى اين ذرات مى تواند به صورت ذرات جديدى ظاهر شود، به عنوان مثال ذرات كوارك. در اين فرآيند ذرات كوارك در فواصل بسيار نزديك به هم بوجود می آیند  و با سرعت بسيار زيادى از يكديگر دور مى شوند. امروزه مى توان اين فرآيند را به كمك مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه كرد. در حقيقت وقتى كوارك ها مى خواهند از يكديگر دور شوند تحت تاثير نيروى افزايش يابنده برهمكنش قوى قرار مى گيرند ،  كه اين نيرو باعث توليد زوج ذرات جديد كوارك مى شود و بدين ترتيب رگبارى از ذرات در جهت كوارك و پادكوارك اوليه توليد مى شود. با اين حال اين فرآيند ، خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اوليه را در خود نگه مى دارد كه مى توان تاثير آن را بر احتمالات وقايعى كه در رگبار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه كرد. نتايج اين محاسبات با آزمايش  ها توافق زيادى دارد. واقعه بسيار قانع كننده ديگرى كه در شتاب دهنده DESY در هامبورگ آلمان در اواخر ۱۹۷۰ يافت شد وجود سه  رگبار در آزمايشات بود كه اين فرآيند را مى توان در نظر گرفتن تابش گلوئون از كوارك _ پادكوارك اوليه به خوبى توضيح داد. آزادى مجانبى حتى توانست پديده اى را كه قبلاً در شتاب دهنده استانفورد ديده شده بود توجيه نمايد. اجزاى سازنده پروتون ها كه داراى بار الكتريكى هستند (كوارك ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى كنند در اين حالت اندازه حركت كوارك ها تنها نصف اندازه حركت پروتون ساخته شده از آنها است و بقيه اندازه حركت پروتون ناشى از اندازه حركت گلوئون ها است
 آيا مى توان نيروهاى طبيعت را وحدت بخشيد ؟ به وجود آمدن امكان توصيف واحد براى نيروهاى طبیعت QCD یكى از جالب ترين آثار آزادى مجانبى در نظريه است. هنگامى كه نمودار مقدار ثابت كوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمكنش هاى الكترومغناطيسى، ضعيف و قوى بررسى مى كنيم، اين موضوع آشكار مى شود كه اين سه نمودار يكديگر را در يك نقطه اى با انرژى بالا (به طور تقريبى نه به صورت دقيق) قطع مى كنند و در اين نقطه مقدار يكسانى دارند. بدين ترتيب مى توان ديد كه اين سه نيرو با همديگر يكى شده اند و اين يكى از روياهاى قديمى فيزيكدانان است كه دوست دارند قوانين طبيعت را به ساده ترين زبان ممكن توضيح دهند.با اين حال براى آنكه روياى وحدت نيروها به واقعيت بپيوندد بايد اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. يك راه ممكن در نظر گرفتن ذرات جديدى به اسم ذرات ابرتقارن است كه اگر جرمشان به اندازه كافى كم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت  LHCدر CERN بررسى كرد. اگر ابرتقارن كشف شود مى تواند پشتوانه قويى براى نظريه ی همه چیز باشد كه آن نيز شايد بتواند نيروى گرانش را با بقيه نيروها وحدت ببخشد. صرف نظر از اين پيشرفت ها كشف آزادى مجانبى در QCD تغييرات عميقى را در فهم ما از نيروهاى بنيادين طبيعت به وجود آورده است

  زیر کوانتوم کروموداینامیک : یک زیر کوانتوم کروموداینامیک چیست؟ برای پیداکردن پاسخ این سئوال باید توجه کرد که همه ی ذرات مورد مطالعه ی فیزیکدانان در نهایت به دو دسته فرمیونها و بوزنها تقسیم می شوند. فرمیونها نظیر الکترون و کوارکها سنگ بنای ماده را تشکیل می دهند . بوزونها حامل نیرو های اساسی طبیعت هستند. اما سئوال اساسی این است که آیا بوزونها و فرمیونها از یک ذره ی واحدی ساخته شده اند یا دو چیز کاملاً متفاوتی هستند؟

در نظریه سی. پی. اچ. همه ی ذرات شناخته شده و ناشناخته موجود در جهان از ذره ی واحدی به نام سی. پی. اچ. ساخته شده اند. اگر به رابطه جرم-انرژی توجه کنیم، همه ی اجسام قابل تبدیل به انرژی هستند. این اجسام در نهایت از اتمها ساخته شده اند که شامل فرمیونها و بوزونها هستند. از طرف دیگر نوسان یک ذره ی باردار موجب انتشار امواج الکترومغناطیسی می شود که این موج خود حامل دو میدان الکتریکی و مغناطیسی با خواص مختلف است. این میدانها هر یک شامل تعداد زیادی ذره ی فوق العاده کوچکی هستند که میدان الکتریکی و مغناطیسی را شکل می دهند. اما این ذرا بقدری کوچک هستند که نمی توانند بعنوان یک ذره ی باردار قابل مشاهده یا یک آهنربا بتشند. بنابراین آنها را بار-رنگ و مغناطیس-رنگ می نامیم که همه ی کوانتومهایی که دارای خواص الکتریکی یا مغناطیسی هستند، از آنها ساخته می شوند. بهمین دلیل آنها را زیر کوانتوم کرومودینامیک می نامیم. بهمین دلیل زیر کوانتوم کرمودینامیک ذراتی هستند که میدانهای الکتریکی و میغناطیسی از جمله بار-رنگها را تولید می کنند

 ذرات ماده (فرميون ها): در مدل استاندارد الكترون، كوارك  بالا (up)  و كوارك پايين (down)  ذرات بنيادى تشكيل دهنده مواد معمولى هستند. پروتون ها (uud)  و نوترون ها (udd)  از به هم چسبيدن سه كوارك به وجود مى آيند، كه آنها نيز به نوبه خود هسته اتم را مى سازند. (عكس بالا) الكترون و كوارك هاى بالا (up)  و پايين (down)  همراه با نوترينوى الكترون، اولين گروه از سه رده ذرات را تشكيل مى دهند كه به آنها رده مى گويند. همه رده ها در همه موارد مشابه هم هستند غير از جرم ذرات بنيادى شان. مقدار جرم، نوترينوها و بوزون هيگز در نمودار فرضى است اما طورى انتخاب شده اند كه با محاسبات تئورى و مشاهدات سازگار باشند.

  حمل كننده هاى نيرو (بوزون ها) : مدل استاندارد سه نيرو از چهار نيروى شناخته شده را توضيح مى دهد: الكترومغناطيس، نيروى ضعيف (كه شامل ساختارهاى عناصر شيميايى است) و نيروى قوى (كه پروتون ها و نوترون هاى هسته را در كنار هم نگه مى دارد). نيروها با ذرات نيرو منتقل مى شوند: نوترون ها براى الكترومغناطيس، بوزون هاى W و Z  براى نيروى ضعيف و گلوآن ها براى نيروى قوى، براى گرانش گراويتون ها فرض شده اند كه البته مدل استاندارد شامل گرانش نمى شود. مدل استاندارد نيروهاى الكترومغناطيس و ضعيف  را با هم متحد كرده است. اين دو نيرو در انرژى هاى زياد يا به طور معادل فاصله هاى كوچك تر از قطر پروتون در هم ادغام شده و نيروى الكترو ضعيف را به وجود مى آورند. از بزرگترين موفقيت هاى مدل استاندارد اين است كه ساختار نيروها - ساختار دقيق معادلاتى كه آنها را توصيف مى كند- به طور وسيعى با اصول عمومى كه در نظريه وجود دارد مشخص مى شوند و نه با فرضيات ساختگى براى سازگارى با داده هاى آزمايشگاهى. براى مثال در مورد الكترومغناطيس، اعتبار نظريه ميدان كوانتومى نسبيتى (كه بناى مدل استاندارد است) و وجود الكترون ايجاب مى كند كه فوتون بايد وجود داشته باشد و آن گونه برهم كنش كند كه برهم كنش مى كند و بدين ترتيب در نهايت توانستيم ماهيت نور را بفهميم. مسائل مشابهى وجود و خواص گلوآن ها و ذرات W و Z  را پيش بينى كرد كه بعداً تائيد شدند.

  منبع جرم: مدل استاندارد علاوه بر ذرات توضيح داده شده در بالا، وجود بوزون هيگز را پيش بينى مى كند كه هنوز به طور مستقيم مشاهده نشده است. هيگز با ذرات ديگر مدل استاندارد به گونه اى برهم كنش مى كند كه به آنها جرم مى دهد.

  سطوح عميق تر: آيا احتمال دارد نظريه ديگرى كه در آن كوارك ها و الكترون ها كه خود از ذرات بنيادى تر درست شده اند جانشين مدل استاندارد شوند؟ به احتمال بسيار نه. امروزه آزمايش هايى بسيار دقيق تر از هميشه انجام شده اند و هيچ نشانه اى مبنى بر ساختارى اضافه ديده نشده است. مهمتر اينكه مدل استاندارد يك تئورى سازگار است كه اگر الكترون ها و كوارك ها بنيادى باشند معنى دارد. هيچ نكته مبهمى وجود ندارد تا دال بر وجود ساختار بنيادى عميق ترى باشد. علاوه بر اين همه نيروها در انرژى هاى زياد شبيه هم خواهند بود. به ويژه اگر ابرتقارن درست باشد. (به قاب صفحه۱۹ مراجعه كنيد) اگر الكترون ها و كوارك ها ذرات مركب باشند، اين اتحاد از بين مى رود: نيروها مانند هم نخواهند بود. نظريه ميدان هاى كوانتومى نسبيتى، الكترون ها و كوارك ها را ذرات نقطه اى مى داند يعنى مى گويد اين ذرات بدون ساختار هستند. در آينده مى توان آنها را ريسمان هاى كوچك (String)  يا رويه اى (membrane)  ديد همان گونه كه نظريه ريسمان مى گويد اما آنها باز هم الكترون و كوارك هستند با همه خواصى كه مدل استاندارد در انرژى هاى كم براى آنها متصور است.

نظرات شما عزیزان:

اميرحسين كريمي

ساعت11:54---19 مهر 1392

[وب سایت] - [ایمیل]

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: