تا بی‌نهایت کاوش در زیرساختار کوارک و لپتون

شاید شگفت‌آور باشد که محدوده‌های کوارک‌ها و لپتون‌ها اندازه یکسانی دارند و این موضوع حاکی از آن است که کوارک‌ها توسط نیروی قوی تولید می‌شوند و لپتون‌ها که توسط نیروی بسیار ضعیف‌تر برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی تولید می‌شوند باید کمیاب‌تر باشند، اگرچه معلوم شده است که اندازه‌گیری لپتون‌ها بسیار ساده‌تر و دارای عدم قطعیت نظام‌مند ابزاری کوچک‌تری‌اند. جوهر (اصل ـ مغزه) این پژوهش‌ها اندازه‌گیری‌های دقیق نیروی ضعیف است؛ زیرا نیروی ضعیف تنها نیروی شناخته‌شده‌ای است که می‌تواند هویت لپتون یا کوارک را تغییر دهد (مثلاً، میون به الکترون و نوترینوی‌های همراهش وا می‌پاشد)، امکان بسیاری وجود دارد که انحراف‌هایی از پیش‌بینی‌های مدل استاندارد بتوانند اثرهای زیرساختاری کوارک و لپتون را حذف کنند.

زمانی طول کشید تا در اوایل دهه ۱۹۷۰م در آزمایش‌ها ثابت شد که پارتون‌های پیشنهادی اندازه‌گیری‌های اولیه و ساختار مشاهده‌شده در شکل ۲ در واقع همان کوارک‌های گلمن هستند، با این تفاوت که گلمن فقط سه کوارک پیشنهاد کرده بود، اما در آزمایش‌های بعدی معلوم شد در هر باریون شش کوارک وجود دارد. برای انتخاب ۱۰TeV به‌عنوان مرتبه‌ای از مقیاس برای اندازه جرم کمینه یک ذره تکثیرکننده و ادامه دادن استدلالی مشابه آنچه در قسمت بالا مورد بحث قرار گرفت، که شامل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بود، می‌توان یک اندازه بیشینه برای کوارک‌ها و لپتون‌ها (حدود ۲×۱۰-۲۰m) در نظر گرفت.

  آینده با توجه به محدودیت‌های سختی که روی بیشترین اندازه کوارک‌ها و لپتون‌ها گذاشته شده است، آینده چه خواهد شد؟ نخست بسیار اهمیت دارد که بفهمیم شتاب‌دهنده LHC تاکنون فقط ۳درصد از کل باریکه‌ای را که انتظار می‌رود در طول عمر خود توزیع کند ثبت کرده است. این ذرات مجموعه گیج‌کننده‌ای از انواع جرم‌های گوناگون، بارهای الکتریکی، اسپین‌ها و برهم‌کنش‌های خاص بودند و ویژگی‌های بسیاری را با خود همراه داشتند؛ از این‌رو دانشمندان به آن‌ها حیوانات وحشی نام دادند و در «باغ وحش ذرات» جایشان دادند. از سوی دیگر، ایده ساختن شتاب‌دهنده‌ای حتی بزرگ‌تر از LHC به نام برخورددهنده هادرونی بزرگ (VLHe) در دست اقدام است و در این خصوص پیشنهادهای رقابتی دیگری ارائه شده است که نشان می‌دهد مکان‌های استقرار شتاب‌دهنده‌های آینده احتمالاً چین و یا نزدیک سرن است.

کوارک‌ها؛ سازنده ذرات هادرون

این کارشناس فیزیک پلاسما ادامه داد: کوارک‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شود تا منجر به ساخت ذرات مرکبی به نام هادرون شود که پایدارترین این ذرات را ما به عنوان پروتون و نوترون در هسته اتم می‌شناسیم؛ این ذرات به دلیل پدیده حبس رنگ عملاً به صورت مستقیم قابل مشاهده نیست. ذرات بنیادی شامل سلول‌هایی است که ماده و پادماده را می‌سازد و در تقسیم‌بندی فرمول‌های بنیادی شامل کوارک و لپتون‌ها می‌شود؛ بوزون‌های بنیادی نیز که بیشتر حامل نیروهای طبیعی است در تقسیم‌بندی شامل بوزون‌های پیمانه‌ای و نرده‌ای می‌شود. تمنده ویژگی‌های هر ماده‌ای را برای شناخت و بررسی آن در فیزیک مهم دانست و اظهار کرد: ویژگی‌های ذاتی کوارک بار الکتریکی، رنگ، اسپین و جرم آن است که تمامی این موارد باعث می‌شود که شناخت انسان از آن کامل شود.

این کارشناس فیزیک پلاسما اضافه کرد: اینکه کوارک می‌تواند هر چهار نیرو بنیادی را تجربه کند یک نکته مهم است؛ همچنین کوارک تنها ذره‌ای است که بار الکتریکی آن مضربی از بار بنیادی نمی‌تواند، باشد. وی تاکید کرد: کوارک تنها ذره بنیادی است که تمامی چهار برهم‌کنش یا هر چهار نیروی بنیادی را می‌تواند تجربه کند که این چهار نیرو عبارت از الکترومغناطیسی، هسته‌ای قوی و ضعیف و گرانش آن است. عرفان تمنده در گفت‌وگو با خبرنگار ایمنا، با بیان اینکه کوارک نوعی ذره بنیادی است، اظهار کرد: به ذرات داخلی که هیچ پیش ساختاری ندارد ذرات بنیادی گفته می‌شود. وی اشاره کرد: کوارک‌ها به ۶ گونه: UP، Down، Strange، Charm، Top و Bottom تقسیم‌بندی شده است که به هر یک مزه نیز گفته می‌شود.

كشف كوارك سر

كوارك سر, ششمین و به احتمال قریب به یقین آخرین كوارك است كوارك ها همراه با لپتون ها الكترون و هم خانواده هایش واحدهای سازنده ماده هستند سبك ترین كوارك ها كه بالا و پایین نام دارند, پروتون و نوترون معمولی را به وجود می آورند و این دو همراه الكترون, تمام عناصر جدول تناوبی را می سازند. نیروی هسته ای قوی كه كوارك ها را در كنار هم نگه می دارد، آنها را ملزم می كند كه همیشه در كنار دیگر كوارك ها و پادكوارك ها ظاهر شوند؛ اگر كوارك ها دوتادوتا باشند ذره حاصل مزون نام دارد و اگر كوارك ها سه تایی باشند، آن ذره باریون نامیده می شود (پروتون ها و نوترون ها باریون هستند). در هر گروه تحقیقاتی، حداقل سه نفر پیدا می شد كه همسرشان عضو گروه رقیب بود! برای آنكه از پخش مهارنشدنی شایعات جلوگیری شود، دو گروه باهم قرار گذاشتند اگر در تحلیل های خود به نتایجی رسیدند كه ارزش خبری داشت، گروه دیگر را با اعلانی یك هفته ای خبردار كنند.

كوارك های سنگین تر (شگفت، افسون، سر و ته) و دیگر لپتون ها هم تنها در شتاب دهنده ها تولید می شوند؛ البته این بدان معنی نیست كه این ذرات هیچ گاه در طبیعت به وفور وجود نداشته اند، چرا كه در نخستین لحظات پس از مهبانگ، عالم مملو از این ذرات بنیادی بود. درست است كه برای كوارك سر هیچ ساختار مشخصی تعریف نشده است، اما آزمایش ها نشان می دهد سنگینی این ذره ۱۷۵گیگاالكترون ولت (GeV ۱۷۵) است كه معادل سنگینی یك اتم طلا و بسیار سنگین تر از آنی است كه بسیاری از نظریه پردازان پیش بینی كرده بودند. باریكه ذرات این شتاب دهنده نمی توانست كوارك های سنگین تر از ۷۷GeV را تولید كند؛ در نتیجه رقابت به آزمایشگاه ملی فرمی محدود شد، آن هم بین CDF و یك آزمایش جدید در حلقه شتاب دهنده كه به دلیل موقعیتش در مسیر شتاب دهنده، D۰ (دی صفر) نام گرفت.

آشكارساز CDF این توانایی را دارد كه مسیر هر ذره ای را در میدان مغناطیسی به دقت مشخص كند و از این راه تكانه آن ذرات را تعیین كند؛ اما دستگاه D۰ به یك گرماسنج بسیار حساس و دقیق مجهز است كه می تواند انرژی هر برخورد را اندازه گیری كند. مدل استاندارد ذرات بنیادی می تواند تعامل بین این واحدهای سازنده ماده را به خوبی توضیح دهد، اما لازمه اش این است كه هر یك از لپتون ها و كوارك ها به صورت جفت ذره وجود داشته باشند كه معمولاً آنها را نسل ذرات می نامند. جدا از رقابت ایجاد شده بین دو گروه تحقیقاتی فرمی لب كه تلاش ها را دوچندان می كرد، داشتن دو آزمایش كامل كه یك موضوع را بررسی می كردند، این مزیت را داشت كه می شد از صحت نتیجه های به دست آمده اطمینان حاصل كرد.

کشف ذره ی زیراتمی جدید چهارکوارکی!!

ذخیره نام، ایمیل و وبسایت من در مرورگر برای زمانی که دوباره دیدگاهی می‌نویسم.  این ذره ی جدید، از چهار کوارک ساخته شده است و برخلاف سایر ذرات چهارکوارکی دیگر که حداقل دو طعم یکسان دارند، از چهار طعم متفاوت تشکیل شده است (بالا، پایین، سر، ته). ذرات زیراتمی لیست بلندبالایی دارند که به لطف سازه های غول پیکری که ذرات با انرژی های بالا را با یکدیگر برخورد می دهند، اعضای جدیدی به این لیست افزوده می شود. این کشف به وسیله ی دانشمندان دانشگاه لنکستر انگلیس با همکاری فرمی لب (آزمایشگاه دولت آمریکا برای فیزیک ذرات انرژی بالا) انجام شده است.  دانشمندان می گویند: کشف یک ذره ی جدید و غیرمعمول بسیار هیجان انگیز است و به ما کمک خواهد کرد تا نیروی قوی را بهتر درک کنیم.

این بار فیزیکدانان ذره ی زیراتمی جدیدی را کشف کردند که تازه ترین عضوی است که به گونه های عجیب چهار کوارکی اضافه شده است. نیروی قوی، یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت (هسته ای قوی، هسته ای ضعیف، گرانش، الکرتومغناطیس) است. نشانه های این ذره ی چهارکوارکی برای اولین بار در جولای ۲۰۱۵ همه را شگفت زده کرد. از جمله معروفترین هاردون ها، پروتون و نوترون هستند که از سه کوارک تشکیل شده اند. کوارک ها، ذرات بنیادی هستند که بایکدیگر ترکیب شده و هادرون ها را می سازند. دانشمندان این ذره را به دلیل جرم ۵۵۶۸ مگاالکترون ولتی آن، (X(5568 نامیدند. از طرفی کوارک ها دارای شش طعم بالا، پایین، افسون، شگفت، سر و ته هستند.

تمام هادرون هایی که ما می شناسیم متشکل از دو یا سه کوارک هستند.

منبع