مدل استاندارد توصیف اجزای بنیادین جهان

چگونه آب، بخار و یخ یک چیز هستند، در حالی که خواصی چنین متفاوت دارند؟ چرا ما در هوا آزادانه حرکت می کنیم، ولی اگر دیواری سر راه مان باشد، با آن برخورد می کنیم؟ و سوالاتی آشناتر که از کودکان به تناوب می توان شنید. چه چیز در آتش است که نور می دهد؟ یا حتی من از چه چیز هستم؟

اینها از بنیادی ترین سوالات بشر بوده اند. پایه همه این سوال ها یک پرسش است. اجزای بنیادین سازنده جهان چیستند و چه خواصی دارند؟ پاسخ به این سوال ها دغدغه اصلی بسیاری از متفکران و دانشمندان بوده و باعث شکل گیری نظریه ای قدیمی مانند چهارگانه آب و باد و خاک و آتش و همینطور جدول اتمی مندلیف در دنیای مدرن شده است. مدل استاندارد در نیم قرن اخیر پاسخ فیزیک به پرسش بنیادین بوده است.

شاید آخرین برخورد همه ما با اجزای تشکیل دهنده مواد در دبیرستان و با جدولی در شیمی بوده است. جدول مندلیف حدود یکصد عنصر را به عنوان قطعات بنیادین همه مواد معرفی می کند، اما اگر حتی اسم شیمی را هم نشنیده باشیم، کلمه اتم را بارها شنیده ایم. این عنوان امروزه تصویری را در ذهن شکل می دهد از گلوله هایی که دور هسته اتم در جنبش اند و الکترون نام دارند. هسته ای که از حدود یک قرن پیش فهمیده ایم از پروتون و نوترون تشکیل شده است.

مدل استاندارد نامی است که در سال 1975 توسط یکی از پایه گذارانش مورد خطاب قرار گرفت و از آن زمان از منظر بسیاری از فیزیکدانان، استانداردی را برای تعریف اجزای جهان زیراتمی شکل داده است. در این مقاله شما می توانید با مدل استاندارد آشنا شوید.

مدل استاندارد در جستجوی سادگی

کشف اجزای تشکیل دهنده اتم ما را از حدود یکصد عنصر مختلف برای توصیف مواد آزاد کرد و بنیاد مواد را به سه گانه الکترون، پروتون و نوترون کاهش داد. این سادگی اما در زمانی بین دهه های 40 و 60 میلادی با کشف ذرات جدید زیراتمی در آزمایشگاه های ذرات بنیادین از بین رفت. ناگهان صدها ذره زیراتمی خودنمایی کردند و دوباره احتیاج به سادگی جدیدی احساس شد. اواسط دهه 60 میلادی بود که فیزیکدانان متوجه شدند پروتون و نوترون، ذرات آشنای سازنده اتم از ذرات کوچکتری به نام کوارک تشکیل شده اند.

ما تا امروز شش نوع کوارک را می شناسیم که نامگذاری هایی به نظر خنده دار دارند؛ بالا، پایین، شگفت، افسون، سر و ته. کوارک بالا و پایین اجزای تشکیل دهنده پروتون و نوترون هستند و چهار کوارک دیگر باقی ذرات کشف شده در شتاب دهنده ها را شکل می دهند.

غیر از کوارک ها اجزای دیگر ذرات زیراتمی لپتون ها هستند. آشناترین لپتون، الکترون است. در مجموع شش لپتون شناخته شده که سه مورد آنها بار الکتریکی دارند؛ الکترون، میون و تاو. سه مورد دیگر نوترینوهای بدون بار هستند.

12 ذره اصلی

بر اساس مدل استاندارد این 12 ذره اجزای اصلی جهان ما هستند، در حالی که الکترون و کوارک های بالا و پایین اکثر جهان پیرامون ما را می سازند، 9 ذره دیگر اجزای دریای ذرات زیراتمی هستند که شتابگرهای ذرات برای ما آشکار ساخته اند.

اما برای پاسخ به سوالات ابتدای این مقاله باید نیروهایی را که عامل برهم کنش این ذرات با یکدیگر هستند، بشناسیم. بدون این نیروها ذرات تنها در جنبشی بی هدف در فضا می جنبند. هیچ دو کوارکی برای تشکیل پروتون کنار هم قرار نمی گیرند. الکترون ها حول هسته ای نمی گردند. بدون اثرگذاری روی ذرات دیگر در واقع ذرات هیچ خاصیتی ندارند.

مدل استاندارد نیروها

در حال حاضر فیزیکدانان چهار نیرو را می شناسند.

نیروی گرانش، همان نیرویی که ما را روی زمین نگه می دارد و مدار سیارات و ستاره ها را هدایت می کند. این نیرو بسیار ضعیف تر از نیروهای دیگر است و ما درک درستی از چگونگی کارکرد آن در محدوده فیزیک کوانتوم نداریم. این در حالی است که سه نیروی دیگر کاملاً با نظریه فهمیده شده اند.

نیروی دوم الکترومغناطیس است؛ نیرویی که طبیعتاً پایه الکتریسیته و نیروهای مغناطیسی است. این نیرو علت وجود نور نیز هست و در دنیای بسیار کوچک، عامل جذب الکترون به هسته برای شکل دادن به اتم است. نیروی الکترومغناطیس به این ترتیب پایه تمام شیمی محسوب می شود.

چسب ذرات بنیادین

دو نیروی دیگر کمتر شناخته شده اند. نیروی اول نیروی هسته ای قوی است؛ نیرویی که مسئول قرارگیری کوارک ها کنار هم برای شکل دادن به پروتون و نوترون و سایر ذرات زیراتمی است. نیروی هسته ای ضعیف نیز در برخی خواص رادیواکتیو نقش دارد و همینطور تولید انرژی در خورشید را هدایت می کند.

این چهار نیرو خواص بسیار متفاوتی دارند. نیروی گرانش و الکترومغناطیس، نیروهای بلند بُردی هستند. مثلاً نیروی گرانش خورشید در فاصله میلیاردها کیلومتری باعث چرخش پلوتون در مدارش می شود. این در حالی است که فاصله تاثیرگذاری نیروهای ضعیف و قوی کوچکتر از ابعاد پروتون در هسته است و در فواصل بیشتر این نیروها هیچ اثری ندارند.

اندازه این نیروها نیز با هم متفاوت است. اگر اندازه نیروی هسته ای قوی را یک واحد در نظر بگیریم، اندازه نیروی الکترومغناطیس 100 بار از آن کوچکتر است (100/1)، اندازه نیروی هسته ای ضعیف صد هزار بار (100000/1) و اندازه نیروی گرانش بین دو ذره به اندازه یک تقسیم بر عددی با 40 صفر کوچکتر است. اندازه نیروی گرانش که باعث می شود هیچ اثری از آن در آزمایش های ذرات بنیادین مشاهده نکنیم، یکی از معماهای بزرگ حال حاضر فیزیکدانان است و تاکنون راهی برای توصیف گرانش با مدل استاندارد پیدا نشده است.

نحوه عمل نیروها بین ذرات

حال این نیروها چگونه کار می کنند؟ در ابعاد بسیار کوچک نحوه روبرو شدن با نیروها متفاوت است. در ابعاد کوانتومی نیروها از طریق مبادله ذرات، اثرگذاری دارند. دو قایق شناور بر آب را در نظر بگیرید. اگر بسته سنگینی را از یکی از قایق ها به طرف قایق دیگر پرتاب کنیم، قایق دوم بر اثر اصابت بسته نیرویی را تجربه می کند و جابجا می شود. قایق اول نیز به علت پرتاب بسته، نیرویی را در جهت مخالف تجربه می کند و از قایق دوم دور می شود.

ذرات زیراتمی نیز با تبادل ذراتی دیگر نیروها را تجربه می کنند. ذرات نیرو عبارتند از گلوئن برای نیروی قوی، فوتون برای نیروی الکترومغناطیس و بوزون های دابلیو و زد برای نیروی ضعیف. از برون یابی نظری می توان انتظار داشت ذره ای برای اثرگذاری نیروی گرانش تعریف شود که نام آن را گراویتون نهاده اند، ولی در حال حاضر در مدل استاندارد تعریفی ندارد.

بنابراین مدل استاندارد از 12 ذره به عنوان اجزای سازنده ماده تشکیل شده که سه نیرو با چهار ذره، برهم کنش بین آنها را تعریف می کنند. با داشتن این مواد اولیه و دستور پخت مناسب می توان تمام جهان فیزیکی قابل مشاهده را شکل داد.

در سال هایی که از پدید آمدن مدل استاندارد گذشته است، آزمایش های ذرات بنیادین با دقت بسیاری درستی این نظریه را تایید کرده اند. این اما به معنی نهایی بودن مدل استاندارد نیست. هنوز سوال های بسیاری بی پاسخ مانده اند.

در این نظریه بوزون دیگری به نام هیگز وجود دارد که میدان آن عامل جرم دار شدن ذرات بنیادین دیگر است. هنوز ما سوالات بسیاری درباره جرم ذرات داریم. ما نمی دانیم چرا 12 ذره بنیادین وجود دارد. چرا لپتون ها با کوارک ها متفاوت هستند. چرا چهار ذره برای انتقال نیروها وجود دارد و اینکه گرانش چگونه وارد نظریه می شود. اینها سوالات قابل تامل و مهمی هستند، همانند سوالاتی که مقاله را با آن آغاز کردیم. این سوالات فیزیکدان ها را به نظریه پردازی هایی فراتر از مدل استاندارد فراخوانده است.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «مدل استاندارد توصیف اجزای بنیادین جهان»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله تهمینه گدازگر در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.