چرا فیزیکدانان به ویژگی‌های “سنگین‌ترین کوارک” علاقمند هستند؟

کوارک‌ها به ذرات خیلی کوچکی گفته می‌شود که شالودۀ اصلی ماده را تشکیل می‌دهند. کوارک‌ها بسیار کوچک هستند و خودشان از هیچ چیز کوچکتری ساخته نشده‌اند. البته همچنان که اطلاعات ما رو به افزایش است، شاید شرایط در آینده تغییر کند، اما فعلا اطلاعات خوبی در اختیار داریم.

MfCHEYLjaPVVbHeL

شش نوع کوارک وجود دارد که هر کدام نام‌های نسبتا عجیبی دارند: بالا و پایین، شگفت و افسون، سر و ته. تاکنون، رایج‌ترین کوارک‌هایی که در مقاله‌های علمی دیده‌اید، کوارک‌های بالا و پایین هستند. این کوارک‌ها به صورت سه تایی به یکدیگر پیوند می‌خورند تا پروتون‌ها و نوترون‌ها را به وجود بیاورند. برای تشکیل بار مثبت پروتون و بار خنثی در نوترون، کوارک‌ها نیازمند بارهای کسری(کوچک) هستند. میدانم که این مسائل برایتان عجیب و نامتعارف به نظر می‌رسد، اما دلیلش این است که فکر می‌کردیم بارهای پروتون‌ها و نوترون‌ها بنیادی هستند. خب باید بپذیریم که اشتباه می‌کردیم. نکتۀ گیج‌کننده درباره کوارک‌ها این است که آنها به طرز شگفت‌آوری سبک هستند. کوارک بالا ۰.۲ درصد جرم پروتون را دارد، اما شریکش،  کوارک پایین تنها ۰.۵ درصد جرم پروتون را دارد. خب این ذرات سبک چطور می‌توانند جرم یک پروتون سنگین را تشکیل بدهند؟

جواب، نیرویی است که کوارک‌ها را کنار یکدیگر نگه می‌دارد. این پیوند در میان کوارک‌ها خیلی قدرتمند است. از آنجایی که انرژی چیزی مثل جرم است(متشکریم اینشتین!)، جرم پروتون ناشی از این پیوند است، نه خودِ کوارک‌ها. البته همه کوارک‌ها اینقدر بزرگ نیستند. اما در دنیای فیزیک ذرات، بزرگ بودن خبر بدی است. بزرگ بودن به مانند حضور در بالای یک کوه بلند است. قطعا چشم اندازهای عالی را می‌شود دید، اما نسیمی نیمه تند می‌تواند لرزه بر اندام‌تان انداخته و باعث شود به جای پایدارتر و امن‌تری بروید. پایداری در اینجا به معنای کوچک بودن است.

اگر ذرۀ کوچکی هستید که از ناپایداری رنج می‌برید، مجبورید به ذرات کوچکتری تبدیل شوید. یعنی حیات برای کوارک‌های بالا و پایین با ویژگی‌های خاصی همراه است. کوارک‌ها کوچکترین چیز هستند. اگرچه شاید چشم‌اندازهای معرکه‌ای نداشته باشند، اما در معرض سقوط از صخره‌ای وجودی قرار ندارند. دیگر کوارک‌های بزرگ عبارتند از کوارک‌های شگفت و افسون. نمی‌توان به وفور این ذرات را در طبیعت پیدا کرد. این کوارک‌ها به حدی بزرگ هستند که ساخته شدن‌شان کار دشواری است. به محض اینکه این کوارک‌ها در طی فرایندی غیرعادی ساخته شوند، خیلی زود به چیز دیگری فرومی‌پاشند. لذا در نهایت چیزی به جز خاطره از آنها به جای نمی‌ماند.

to quantum feat x

فیزیکدانان برای مدتی تصور می‌کردند که فقط چهار نوع کوارک به نام‌های «بالا، پایین، شگفت و افسون» وجود دارد. اما آنها در اوایل دهه ۱۹۷۰ میلادی با بررسی برخی فروپاشی‌ها و تجزیه‌های نادر، ایدۀ دیگری را به پیش کشیدند که در آن کائون‌ها دخیل بودند. برای توضیح فرایند تجزیه عجیبی که این کائون‌ها را به وجود آورد، نظریه‌پردازان باید وجود جفت تازه‌ای از کوارک‌ها را حدس می‌زدند. آنها این کوارک‌ها را فوق و زیر نامگذاری کردند. این کوارک‌ها خیلی سنگین‌تر از چهار کوارک دیگر بودند. وقتی کوارک ته (bottom) در سال ۱۹۷۷ به باشگاه ذرات شناخته شده و اندازه‌گیری شده پیوست، جنب و جوش زیادی برای پیدا کردن کوارک ششم و نهایی بنام سر(top) در گرفت.

اما مشکل اینجا بود که کسی از بزرگی آن خبری نداشت؛ فیزیکدانان می‌بایست در محاسبات خود در برخورد دهنده ذرات، عوامل دیگری را مد نظر قرار می‌دادند. همه ساله محققان و فیزیکدانانِ سرتاسر دنیا بر تلاش‌ها و تحقیقات خود افزودند تا سرانجام به این ذره برسند. نهایتا در ماه فوریه ۱۹۹۵ بود که محققان در آزمایشگاه «fermilab» مدعی شدند که کوارک «سَر» را پیدا کرده‌اند و این ذره تقریبا ۲۰۰ برابر سنگین‌تر از پروتون است. بله، درست است: این کوارک حدودا ۱۰۰ تریلیون برابر سنگین‌تر از کوارک بالاست. چرا کوارک‌ها اینقدر جرم‌های متفاوتی دارند؟

اینجاست که “بوزون هیگز” وارد می‌شود. سایر ذرات بنیادی از قبیل الکترون و نوترینوها و کوارک‌ها باید به نوعی درون یک میدان الکترومغناطیسی مانند شناور باشند تا از جایی به جای دیگر بروند. این واقعیت که می‌گوید ذرات بنیادی، میدان هیگز را نادیده می‌گیرند، دقیقا همان دلیلی است که آنها دارای جرم هستند. محققان ابراز امیدواری کرده‌اند که با مطالعۀ بیشتر خود هیگز بتوانند دیدگاه‌های بهتری دربارۀ جرم بزرگ کوارک سَر «top» بدست بیاورند.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید