• 1
  • 2
  • 3

امير مهدي زربو

كارشناس فيزيك اتمي

كاوشي در منشا پيدايش جهان

قسمت اول

صد متر زير زمين، درست در زير مرز سوييس و فرانسه، دانشمندان در حال بازگشت به عقب در زمان هستند تا به مطالعه ي ماده، در كسر هايي از ثانيه پس از پيدايش جهان بپردازند. آنان از بزرگترين ابزار علمي جهان استفاده مي كنند تا به آنها در فهم اينكه اين ماده ي آغازين، چگونه تبديل به سنگ بناهاي نخستيني شد كه امروزه اين گوناگوني وسيع را به وجود آورده است، كمك كند. اين دانشمندان، كاوشگراني هستند كه افق هاي ديد ما را در زمان و مكان وسيع تر نموده، و مي خواهند به اين سوال اساسي پاسخ دهند كه : ما از كجا آمده ايم؟

شكل ١: در سرن - آزمايشگاه اروپايي فيزيك ذرات در نزديكي ژنو - مسير بزرگترين برخورد دهنده ي ذرات جهان در زير مرز فرانسه و سوييس با دايره هاي زرد نشان داده شده است.

مشاهده هاي ستاره شناسان دلالت بر اين دارد كه جهان هنوز هم در حال انبساط از يك توده ي بسيار چگال و پرانرژي، پس از يك «انفجار بزرگ داغ» رخ داده در حدود ١٥ ميليارد سال پيش است. اما سوال آنجا است كه ماده ي امروزي جهان، چگونه از چنين توده اي تحول پيدا كرده است؟ اين يكي از مهم ترين سوال هايي است كه پژوهش هاي نوين فيزيك ذرات، مايل به پاسخ گويي به آن است. برخورد هاي پر انرژي ذرات زير اتمي مي تواند ما را در زمان آنقدر به عقب ببرد تا آنجا كه بتوانيم ماده ي تشكيل شده در كسر هاي اوليه ي پس از مه بانگ ( انفجار بزرگ) را شبيه سازي نماييم. از اين راه، بررسي ماده در كوچكترين مقياس (ذرات زيراتمي) در ارتباط تنگاتنگ با بزرگترين مقياس ممكن (جهان) است. فيزيك ذرات امروز با ستاره شناسان، نيرو هاي خود را براي كاوش منشا پيدايش جهان و بطور اخص، منشا پيدايش ماده، بسيج كرده اند.

تاريخچه ي فيزيك ذرات

در طول دو قرن گذشته، دانشمندان به پيشرفت هاي بزرگي در فهم آنچه ما و جهان اطراف ما از آن ساخته شده ايم، دست يافته اند. نخست، درك اين مطلب بود كه ماده، از عناصر ي با خواص فيزيكي و شيميايي كاملا معين تشكيل شده است. اين عناصر در محدوده ي هيدروژن (به عنوان سبك ترين) و اورانيوم و عناصر فراتر از آن قرار دارند.

هر عنصر از واحد هاي ساختماني – اتم ها – كه براي هر كدام منحصر به فرد مي باشد، تشكيل شده و اتم هاي گوناگون، مي توانند با هم تركيب شوند و تنوع بي شماري تركيبات، از ماده ي ساده اي مانند آب گرفته تا مواد پيچيده اي مانند پروتئين ها را به وجود بياورند. با اينحال، چنانچه دانشمندان در اواخر سده ي نوزدهم كشف كردند، اتم ها ساده ترين واحد هاي سازنده ي ماده نيستند.

گايگر و رادرفورد در حال كشف هسته ي اتم

ما امروزه مي دانيم كه بيشتر جرم اتم در يك هسته ي كوچك، چگال و با بار مثبت متمركز شده است. ابر كوچكي از الكترون ها ي با بار منفي هسته را از فاصله اي دور احاطه كرده اند و بنابراين بيشتر فضاي اتم را فضاي خالي تشكيل مي دهد. در بيشتر اتم ها ، هسته حاوي دو نوع ذره با جرم تقريبا برابر است: پروتون هاي با بار مثبت و نوترون هاي بدون بار الكتريكي. براي خنثي نگه داشتن كل اتم، تعداد پروتون ها دقيقا با تعداد الكترون ها برابري مي كند.

در ١٨٩٠، دو فيزيكدان به طور جداگانه، شروع به كاوش در فضاي داخل اتم نمودند. اولي، جوزف (‘J.J.’) تامسون نخستين ذره ي زير اتمي – الكترون - را كشف كرد كه در همين حين، يكي از شاگردان او به نام ارنست رادرفورد، آغاز به كاوش در پديده ي جديد راديواكتيويته، كه در آن اتم از يك نوع به نوعي ديگر تبديل مي شد نمود. اين كاوش ها سرانجام به كشف هسته ي اتم، در همكاري با هانس گايگر ( كه با شمارگر راديواكتيويته ي گايگر مشهور است) و ارنست مارسدن در ١٩١٠-١٩٠٩ منتهي گرديد. سپس رادرفورد دريافت كه ذرات با بار مثبت موجود در هسته ي اتم، با هسته ي هيدروژن يكسان اند. او اين ذرات را پروتون ناميد. و در ١٩٣٢، جيمز چادويك نشان داد كه هسته ها بايد شامل نوترون ها هم باشند. از آن زمان به بعد بود كه رادرفورد و همكاران او، تصوير نوين اتم را بنا نهادند.

نخستين مشاهده ي كائون مثبت توسط كليفورد باتلر و جرج روچستر در ١٩٤٧ (كائون در ‘B’ واپاشي مي كند.)

اين تنها شروع ماجرا بود. الكترون، پروتون و نوترون اعضاي پيش قراول رژه ي باشكوه ذرات زير اتمي بودند. در خلال دهه هاي ١٩٣٠و ٤٠، بسياري از فيزيكدانان به مطالعه ي تابش كيهاني – بارش مداوم ذرات زير اتمي پر انرژي كه از فضا نشات مي گرفتند – پرداختند.

برخورد هاي تابش هاي كيهاني پر انرژي با ذرات جو زمين، موجب واپاشي هاي هسته اي مي شود كه آنها موجب توليد انواع جديدي از ذرات كوتاه عمر مي شوندكه تنها از طريق رد هاي بجا مانده در آشكارسازهاي حساس قابل مشاهده اند. از جمله ي اين ذرات مي توان از موئون كه كاملا شبيه الكترون رفتار مي كند اما ٢١٠ بار از آن سنگين تر است؛ پيون كه تنها اندكي از موئون سنگين تر است؛ كائون با جرمي اندكي بيش از نصف جرم پروتون؛ و لامبدا داراي جرمي %٢٠ بيش از پروتون نام برد.

پادماده

يكي از ذرات اسرار آميز ي كه در ١٩٣٢ توسط كارل آندرسن در انيستيتو ي تكنولوژي كاليفرنيا كشف شد، پوزيترون – با جرم برابر با الكترون، اما با بار مثبت الكتريكي - بود. وجود پوزيترون در آغاز معمايي بود كه توسط فيزيكدان تئوري دانشگاه كمبريج با نام پل ديراك حل شد.

بر طبق نظريه ي ديراك، پوزيترون ذره ايست با خواصي دقيقا متضاد با يك الكترون و به همين علت به آن نام پادالكترون را دادند. اين نظريه نشان مي داد كه يك الكترون و پوزيترون چگونه مي توانند به همراه هم از انرژي خالص توليد شوند؛ البته به شرط آنكه انرژي مورد بحث، بر طبق رابطه ي اينشتين – E=mc٢- بتواند مقدار جرم اين دو ذره را تامين كند.

ماشين كوككرافت- والتون كه نخستين واپاشي هسته اي مصنوعي در ١٩٣٢ به كمك آن انجام شد.

اگر اين دو ذره با هم برخورد كنند، ذره و پادذره ناپديد شده و تنها انرژي بر جاي مي ماند – اين عمل نابودي متقابل را نابودي زوج مي نامند. آزمايش ها نشان داده اند كه بقيه ي ذرات، مانند پروتون ها، نوترون هاو موئون ها نيز داراي پادذره ي مخصوص به خود هستند.

در اوايل دهه ي ١٩٥٠، مطالعه ي اين ذرات، تبديل به شاخه اي از فيزيك شد كه به حق نام فيزيك ذرات يافت. در اين زمينه، فيزيكدانان ماشين هايي در اختيار گرفتند كه مي توانست به تقليد از تابش هاي كيهاني، منتها در شرايطي قابل كنترل تر ، پروتون ها و الكترون ها را تا انرژي هاي بالا شتاب دهد.

كوشش هاي اوايل دهه ي ١٩٣٠ كه توسط جان كوككرافت و ارنست والتون از دانشگاه كمبريج، و ارنست لاورنس و استنلي ليوينگستون از دانشگاه بركلي كاليفرنيا انجام گرفت، موجب توليد نخستين پروتون هاي شتاب گرفته به دست بشر شد. انديشه هاي پيشروي آنان، موجب تولد دستگاه هاي بزرگي كه توانايي توليد ميليونها پروتون، الكترون، پيون يا كائون را در هر ثانيه داشتند، در دهه هاي ١٩٥٠ و ٦٠ شد. با ابداع آشكارساز هاي پيچيده تر جديد جهت تكميل شتابدهنده ها، امروزه فيزيكدانها ابزار هايي براي بررسي تنوع هاي گوناگون ذرات، با جزئيات قابل توجه در اختيار دارند.

نخستين شتابدهنده ي مدور ساخته شده در ١٩٣٠ توسط ارنست لاورنس و استنلي ليوينگستون در بركلي.

فضاي داخلي

چنين يورشي به قلمرو «فضاي داخلي (اتم)»، نتايج تماشايي به دنبال داشت. ما مي دانيم كه ماده داراي بطن هاي داخلي است كه تنها زماني كه در بررسي تابش هاي كيهاني به كاوش در باره ي آنها مي پردازيم، آشكار مي شوند. پروتون، نوترون، پيون، كائون، لامبدا و بسياري ذرات زير اتمي ديگر، خود داراي ساختاري پيچيده تر، و مبتني بر تنها چند ذره ي پايه اي تر ديگر هستند : كوارك ها و پادكوارك هاي متناظر با آنها. شش نوع كوارك شناخته و نامگذاري شده اند: بالا، پايين؛ افسون، شگفت؛ سر و ته. اين كوارك ها در گروه هاي سه تايي تركيب شده و پروتون ها، نوترون ها، لامبدا ها و ذرات مشابه كه با نام كلي باريون ها شناخته مي شوند، را مي سازند. همچنين اين كوارك ها مي توانند با پادكوارك ها تركيب شده و ذراتي مانند پيون ها و كائون ها، كه با نام كلي مزونها شناخته مي شوند را بسازند.

از سوي ديگر، الكترون و موئون از كوارك ها ساخته نمي شوند، تا آنجا كه مي توان گفت غيرقابل تقسيم اند. آنها به خانواده ي ديگري از ذرات تعلق دارند با نام لپتونها كه شامل ذره ي سنگين تر باردار سومي به اسم تاو و همچنين ذره ي تقريبا بدون جرم، خنثي و تقريبا غير قابل آشكارسازي با نام نوترينو مي شوند.

در باره ي نيرو ها

 

«هر كنش داراي واكنشي مساوي و در جهت مقابل است.»

آنچه به اندازه ي كوارك ها و لپتون ها به عنوان سنگ بناهاي ماده اهميت دارد، نيرو ها ي عمل كننده بين آنها كه آنها را در قالب هاي قابل مشاهده در آورده اند، است. به نظر مي رسد چهار نيروي بنيادي بر مواد اثر دارند: نيروي گرانشي، نيروي الكترومغناطيسي، نيروي ضعيف و نيروي قوي.

نيروي گرانشي، ضعيف ترين نيرو از بين آنهاست؛ اما از فاصله هاي دور اثر مي كند و كهكشان ها و ستارگان را در كنار هم نگاه مي دارد. نيروي الكترومغناطيسي، قوي تر بوده و اتم ها و مولكول ها را در كنار هم نگاه مي دارد؛ و مانند گرانش، برد آن بينهايت است. نيروي ]هسته اي[ ضعيف و نيروي ]هسته اي[ قوي، كه در مقايسه داراي برد محدودتري هستند، تنها در محدوده ي ابعاد هسته ي يك اتم متوسط عمل مي كنند. نيروي ]هسته اي[ ضعيف، موجب انواع مشخصي از واپاشي هاي راديواكتيو بوده و در واكنش هاي هسته اي كه سوخت خورشيد را تامين مي كنند، دخالت دارد. آخري، كه قوي ترين نيرو ي شناخته شده است، كوارك ها و پادكوارك ها را در ذرات در كنار هم نگه مي دارد. به نظر مي رسد نيروي قوي به گونه اي عمل مي كند كه كوارك ها هميشه در داخل ذرات پيچيده تر محبوس شوند و بنابراين، يك تك كوارك آزاد هرگز مشاهده نشده است.

مدل استاندارد

امروزه فيزيكدانان ذرات بر اين باورند كه مي توانند رفتار تمام ذرات زير اتمي شناخته شده را با يك قالب تئوري ساده به نام مدل استاندارد توصيف كنند. اين مدل، كوارك ها و لپتون ها را به همان خوبي نظام مند نموده است، كه برهمكنش آنها را با نيروهاي ضعيف، قوي و الكترومغناطيسي. نيروي گرانشي، از مدل استاندارد بر كنار مانده است.

در مدل استاندارد، نيروهاي بنيادي توسط خانواده ي سومي از ذره ها، بين كوارك ها و لپتون ها مبادله مي شود. آنها بوزون هاي معيار هستند و به طور ساختاري با كوارك ها و لپتون ها – سنگ بنا هاي ماده - تفاوت دارند. براي هر نيرو، يك نوع ذره ي متفاوت وجود دارد: فوتونها (ذرات نور) حامل هاي نيروي الكترومغناطيسي اند؛ گلوئون ها حامل هاي نيروي قوي؛ و بوزون هاي باردار و خنثي، حامل نيروي ضعيف هستند. باور بر اين است كه ذره اي با نام گراويتون – كه هنوز مشاهده نشده – مسوول نيروي گرانشي است؛ اما هنوز امكان ارائه ي يك نظريه ي استوار كه شامل گراويتون باشد، قطعي نيست.

رد پا هاي به جا مانده از برخورد پروتون- پادپروتون پر انرژي كه در آزمايشUA 1 در سرن در ١٩٨٢ آشكارسازي شده است. رد هايي كه از آشكارساز مركزي خارج شده اند، از نابودي زوج الكترون – پوزيترون حاصل از نخستين بوزون Z مشاهده شده پديد آمده اند.

به نظر مي رسد نيرو هاي بنيادي مختلف، در مواد معمولي كاملا به طور متفاوت با هم عمل مي كنند؛ اما مدل استاندارد خاطر نشان مي سازد كه آنها اصولا در محيطي با انرژي بالا بسيار مشابه هم هستند. نظريه پردازان كشف كرده اند كه تنها راه مناسب جهت كار با نيروي ضعيف، قرار دادن آن به همراه نيروي الكترومغناطيسي در نظريه اي يگانه با عنوان نظريه ي «نيروي الكترو- ضعيف» است. اين كشف، يك پيشرفت غير منتظره بود؛ درست آنچنانكه جيمز كلارك ماكسول در نيمه ي قرن نوزدهم با كنار هم قرار دادن الكتريسيته و مغناطيس با هم و مطرح كردن نظريه ي الكترومغناطيس، انجام داد.

پيش به سوي يگانگي

در دنياي با انرژي پايين ما انسانها، نيروي الكترو- ضعيف به دو مولفه ي ضعيف و الكترومغناطيس تقسيم مي شود. اما آنچنانكه برهمكنش ذرات پر انرژي نشان داده اند، در انرژي ها بالاتر تمايز بين نيروي ضعيف و الكترومغناطيس، به صفر مي رسد و قدرت هر دو به يكتايي خواهد رسيد.

حال ما مايليم كه اين شرايط با انرژي بالا را به طور مصنوعي توليد كنيم؛ و اين كار را با برخورد هاي بين ذرات شتاب گرفته توسط ماشين مي توانيم انجام دهيم. اما ممكن است به نظر برسد در آغاز جهان، تمام ماده ي موجود، در اين حالت با انرژي بالا قرار داشت؛ اكنون ما مي دانيم كه نيروي ضعيف و الكترومغناطيس در انرژي هايي كه در كمتر از يك ميليارديم ثانيه پس از مه بانگ بر جهان حاكم بود، به مثابه يك نيروي الكترو- ضعيف رفتار مي كرد. اما قبل از آن چه؟ آيا حالت اوليه اي كه تمام نيرو ها در آن حالت تنها يك نيروي واحد بودند، وجود داشت؟ يافتن مدركي دال بر اين يگانگي نيرو هاي بنيادي، يكي از مهمترين اهداف تحقيقاتي در فيزيك ذرات است.

در مدل استاندارد، كوارك ها، لپتون ها و بوزون هاي معيار جرم هاي خود را از طريق ساز و كاري كه توسط پيتر هيگز از دانشگاه ادينبرو استفاده شد، به دست مي آورند. بر اساس اين ساز و كار، در برهمكنش ذرات با ذره ي جديدي به نام بوزون هيگز ، قدرت اين برهمكنش است كه جرم هر ذره را تعيين مي كند.

بوزون هاي معيار، كه نيرو هاي بنيادي را مبادله مي كنند، آشكار ساز هاي ميدان هاي آن نيرو ها هستند. بر همين اساس، بوزون هيگز يك ذره ي ميدان است. اين ميدان، داراي خواص متفاوتي نسبت به ديگر ميدان ها است، خصوصا آنكه منشا جرم مي باشد. هنوز مدرك تجربي دال بر وجود بوزون هيگز نداريم. اين، يك حلقه ي مفقوده در مدل استاندارد است ؛ بدين معني كه در مقابل آزمايش هاي سخت و دقيق مقاومت نشان مي دهد. يك كار مهم فيزيك ذرات در سالهاي آينده، جستجو به دنبال جزء گمشده اي – كه مي تواند بوزون هيگز يا چيز ديگري باشد – كه در پشت پرده ي نمايشنامه ي جرم قرار دارد، مي باشد.

سرن

فيزيكدان هاي ذرات بيشتر كشور هاي اروپا و ساير نقاط جهان به يك عمل متهورانه ي مشترك فوق العاده پيوسته اند تا پاسخ هايي براي سوالاتي كه ما را در مورد مه بانگ و منشا ماده به چالش كشيده اند، بيابند.

پايگاه آنها در سرن – آزمايشگاه اروپايي فيزيك ذرات – واقع در حومه ي ژنو، بر روي مرز فرانسه و سوييس قرار دارد. سرن نمونه اي از يك همكاري اروپايي خوب نه تنها در زمينه ي دانش، بلكه در هر زمينه ي ديگري است. تاسيس آن به سال ١٩٥٤ بر مي گردد؛ زماني كه بسياري از فيزيك دان هاي اروپايي شروع به درك اين مساله نموده بودند كه همكاري هاي مشترك تنها راه پيش رو براي انجام پروژه هايي به پيچيدگي ساختن يك شتابدهنده ي بزرگ ذرات است.

طرحي از سطح مقطع برخورد دهنده ي L.E.P با كوهها ي آلپ در پس زمينه؛ منطقه ي ژنو در ميان؛ و منطقه ي تحقيقاتي زير زمينيL.E.P در پيش زمينه ي تصوير.

حق کپی با ذکر "نام نویسنده" و "سایت همکلاسی" بلامانع می باشد

www.Hamkelasy.com