دانلود تحقیق مدل کوجکترین ذرات طبیعت و بر همکنش بین آنها

برهم کنش ذرات رنگی

اکتشافی که جایزه نوبل فیزیک امسال رااز آن خود کرد اهمیتی اساسی در فهم ما از چگونگی کارکرد یکی از نیروهای بنیادین طبیعت داشته است. نیروییکه کوچک ترین ذرات ماده یعنی کوارک ها رابه یکدیگر می چسباند. دیوید گراس دیوید پولیتزرو فرانک ویلچک توانستند با کارهای تئوریک خود مدل استاندارد ذرات بنیادی را کامل کنند. مدلی که کوجکترین ذرات طبیعت و بر همکنش بین آنها را توضیح می دهد.

نیروی بر همکنش قوی

نیروی بر همکنش قوی که اغلب به آن بر همکنش رنگی نیز می گویند یکی از چهار نیروی بنیادین طبیعت است. این نیرو بین کوارک ها که ذرات بنیادی سازنده پروتون ها نوترون ها و نوکلئون ها هستند عمل میکند. دیوید پولیتزرو فرانک ویلچک خاصیتی از نیروی بر همکنش قوی را کشف کردند که به کمک آن می توان توضیح داد به چه علت رفتارکوارک ها تنها درانرژی های بسیارزیاد مانند رفتارذرات آزاد است. (درحالی که بقیه ذرات بنیادی در انرژی های معمول نیز چنین رفتاری را از خود بروز می دهند. به عبارت دیگر کوارک ها در انرژی های پایین همیشه در دل ذرات که از دو یا سه کوارک ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژی های پایین همیشه به صورت ترکیب شده با کوارک های دیگر دیده میشوند.

این تئوری از بسیاری جهات توسط آزمایش های مختلفی به خصوص در سال های اخیر در آزمایشگاه سرن  بررسی شده است. این کشفیات توانسته اند پایه ای برای تئوری بر همکنش رنگها (کرومودینامیک کوانتومی) پی ریزی نمایند.

مدل استاندارد و چهار نیروی بنیادی طبیعت

اولین نیرویی که انسانها با آن آشنا شدند نیروی گرانش است. این نیرو باعث افتادن اجسام بر روی زمین و همچنین گردش سیارات به دور خورشید و حرکت ستاره ها در کهکشان است. به نظر می رسد که نیروی گرانش نیروی بسیار قوی است به عنوان مثال ارسال یک موشک به خارج از جو زمین احتیاج به صرف انرژی و سوخت بسیاری دارد. با این حال در جهان ریز میکرو سکوپیک در مقایسه با نیروی بین ذراتی از قبیل الکترون و پروتون نیروی گرانش نیروی بسیار ضعیفی است سه نیروی دیگر طبیعت که اثر آنها اغلب در حوزه جهان های ریز میکروسکوپیک دیده می شود عبارتند از نیروهای بر همکنش.

الکترو مغناطیسی بر همکنش ضعیف وبر همکنش قوی. چگونگی عملکرد این سه نیرو توسط نظریه مدل استاندارد توضیح داده می شود. این نظریه، نظریه ای بسیار قوی است برای اینکه میتواند نظریه نسبیت خاص انیشتن و مکانیک کوانتومی را یکجا دربر بگیرد.(البته به خاطر مسائل و مشکلات تکنیکی هنوز نمتوان آن را نظریه ای کامل و سازگار دانست).

مدل استاندارد می تواند توضیحی برای کوارک ها، لپتون ها و ذراتی که نیروها را حمل می کنند ارائه کند. کوارک ها به عنوان نمونه سازنده ذراتی مانند پروتونها ، نوترونها هستند.

الکترون ها که سازنده پوشش بیرونی اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تا جایی که می دانیم الکترون ها خود از ساختارهای ریزتری تشکیل نشده اند.

بر همکنش الکترو مغناطیسی سازنده نور و چسبندگی مواد

بر همکنش الکترو مغناطیسی می تواند توصیفی مشترک برای بسیاری از پدیده ها که جهان ما را در بر گرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطکاک، مغناطیس و علت ا ینکه چرا جسمی بر روی میز از درون میز عبور نمی کند، به کمک این نیرو قابل توضیح هستند. نیروی الکترو مغناطیسی که در اتم هیدروژن، الکترون و پروتون را به هم پیوند می دهد به اندازه غیر غابل تصور 1041 بار از نیروی گرانشی بین آنها قوی تر است. اندازه این دو نیرو متناسب با مربع فاصله کاهش می یابد با این حال نیروهای بلند برد محسوب می شوند.

هر دوی این نیروها یعنی الکترو مغناطیس و گرانش توسط ذرات حامل که به ترتیب فوتون(ذرات نور) و گراویتون هستند حمل می شوند. بر خلاف فوتون ذره گراویتون هنوز به صورت آزمایشگاهی کشف نشده است. دلیل بلند برد بودن این دو نیرو را می توان به کمک این واقعیت که ذرات حامل این نیروها بدون جرم هستند توضیح داد. فیزیکدانان توانسته اند به کمک تئوری الکترودینامیک کوانتومی توصیف مناسبی برای بر همکنش الکترو مغناطیسی ارائه نمایند. این تئوری یکی از موفقیت آمیزترین تئوری های فیزیکی است که با دقت یک در ده میلیون با نتایج آزمایشگاهی توافق دارد. توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن جایز        فیزیک در سال 1965 رابرای این نظریه از آن خود کردند. یکی از دلایل موفقیت این نظریه وجود یک ثابت کوچک به اسم ثابت کوپلاژ 137/1 در معادلات است. وجود این ثابت کوچکتر از یک این امکان را فراهم می سازد که برای محاسبه اثر نیروی الکترو مغناطیس از بسط سریها در معادلات استفاده شود. این روش ریاضی که به آن روش حل اختلالی می گویند توسط فاینمن بسط و گسترش یافت. یکی از خواص مهم نظریه الکترو دینامیک کوانتومی این است که ثابت کوپلاژ در انرژی های مختلف مقادیر مختلفی دارد. این مقدار با افزایش انرژی افزایش می یابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده سرن مقدار آن به جای 137/1 ،128/1 در انرژی حدود 100 بیلیون الکترون ولت اندازه گیری شده است. اگر نمودار اندازه ثابت کوپلاژ نسبت به انرژی رسم شود، آن گاه این منحنی دارای یک شیب آرام به سمت بالا خواهد بود که فیزیکدانان اصطلاحا" می گویند شیب منحنی یا تابع بتا مثبت است.

بر همکنش ضعیف و واپاشی رادیواکتیویته

حدود 100 برابر جرم +- Wو Z0 نیروى برهمکنش ضعیف توسط ذرات بوزونى نیرو یک نیروى کوتاه برد است. این نیرو هم بر روى کوارک ها و هم بر روى لپتون ها اثر مى کند و علت واپاشى رادیواکتیویته است. این نیرو نسبت بسیار نزدیکى با نیروى الکترو مغناطیس دارد به طورى که فیزیکدانان توانستند هر دوى آنها را به صورت نیروى واحدى به نام برهمکنش الکترو ضعیف وحدت ببخشند (۱۹۷۰). جرارد هوفت و مارتینز ولتمن به خاطر فرمول بندى این دو نیرو در یک نظریه واحد جایزه نوبل سال ۱۹۹۹ را از آن خود کردند

برهمکنش قوى _ بار و رنگ

از دهه ۱۹۶۰ مشخص شده بود که پروتون و نوترون از ذرات بنیادى ترى به اسم کوارک ساخته شده اند. اما نکته عجیب این بود که امکان ساخت ذره کوارک به صورت آزاد وجود نداشت. آنها همیشه محبوس هستند و این خاصیتى بنیادى براى این ذرات است.

تنها جمع کوارک ها به صورت دوتایى و سه تایى مى تواند وجود داشته باشد. بار الکتریکى کوارک ها کسرى از بار الکتریکى پروتون است به صورت یک سوم یا دو سوم بار پروتون و این خاصیتى است عجیب که هنوز توضیحى براى آن یافت نشده است. هر کوارک علاوه برداشتن بار الکتریکى خاصیت ویژه دیگرى نیز دارد که مانند بار الکتریکى کمیتى کوانتنیزه است و تنها مى تواند مقادیر ویژه اى داشته باشد. به این خاصیت بار رنگى گفته مى شود. کوارک ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر کوارک یک پادکوارک نیز وجود دارد مانند پوزیترون که پاد ذره الکترون است. پادکوارک ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى یا پاد سبز هستند. جمع کوارک هایى که در طبیعت مى توانند وجود داشته باشند باید داراى بار رنگى خنثى باشند همانطور که تشکیل مولکول هاى خنثى (از نظر الکتریکى) به خاطر جاذبه الکتریکى بین اجزاى مثبت و منفى آن است. نیروى بین پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نیروى بین بار هاى رنگى کوارک هاى تشکیل دهنده آنها به وجود مى آید.نیروى بین کوارک ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. این ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار رنگى هستند. همین خصوصیت باعث پیچیدگى توضیح این نیرو و تفاوت آن با نیروى الکترو مغناطیس است.

براى سال ها فیزیکدانان اعتقاد داشتند که نمى توان روشى براى محاسبه برهمکنش قوى میان کوارک ها یافت که شبیه روش محاسبات برهمکنش هاى الکترو مغناطیسى و ضعیف باشد. به این دلیل که ثابت کوپلاژ براى برهمکنش قوى بزرگ تر از یک است و نمى توان روش اختلالى فاینمن (که در بالا توضیح داده شد) را براى محاسبات این نظریه به کار برد. متاسفانه تا به امروز نیز روش رضایت بخشى براى محاسبه برهمکنش قوى یافت نشده است.به نظر مى رسد که شرایط در انرژى هاى بالا بدتر هم باشد البته به شرط آنکه تابع بتا براى این تئورى مثبت باشد که در نتیجه ثابت کوپلاژ با بالا رفتن انرژى افزایش مى یابد و محاسبات را دشوارتر مى سازد.کورت زیمانسکى فیزیکدان آلمانى دریافت که تنها راه رسیدن به یک نظریه معقول پیدا کردن یک تابع بتا منفى براى این نظریه است. این رهیافت همچنین مى تواند علت آنکه گاهى اوقات کوارک ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشکار مى سازند توضیح دهد. اثرى که در آزمایش برخورد میان الکترون و پروتون دیده مى شود.

متاسفانه زیمانسکى خود نتوانست به این نظریه دست یابد حتى جرارد هوفت در تابستان ۱۹۷۲ به این کشف نزدیک شده بود ولى فیزیکدانان دیگر ناامید شده بودند زیرا شواهد نشان مى داد که یک نظریه واقعى باید داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه دیگر مشخص شده است که این موضوعى نادرست است زیرا در ژانویه ۱۹۷۳ دو مقاله پى در پى در مجله فیزیکال ریویولترز توسط گراس و ویلچک و دیگرى توسط پولیتزر به چاپ رسیدند که در کمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادیر منفى داشته باشد. آنها زمانى این کشف را انجام دادند که کاملاً جوان بودند در این حد که حتى گراس و ویلچک هنوز دانشجویان تحصیلات تکمیلى بودند.مطابق نظریه آنها حامل هاى نیروى برهمکنش قوى یعنى گلوئون ها داراى خاصیتى غیرمنتظره و ویژه هستند به این صورت که آنها نه تنها با کوارک ها بلکه خودشان نیز برهمکنش مى کنند.طبق این خاصیت هنگامى که کوارک ها به یکدیگر نزدیک مى شوند برهمکنش بار رنگى میان آنها کاهش مى یابد. کوارک ها موقعى به یکدیگر نزدیک مى شوند که انرژى آنها افزایش یافته باشد و طبق این نظریه اندازه برهمکنش در این هنگام کاهش مى یابد. این خاصیت که به آن «آزادى مجانبى» مى گویند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت دیگر برهمکنش با افزایش فاصله افزایش مى یابد که این مى تواند توضیحى براى این باشد که چرا کوارک ها همیشه در نوکلئون ها محبوس هستند. آزادى مجانبى این امکان را فراهم مى سازد که بتوان فاصله اى را که در آن کوارک ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى کنند، محاسبه کرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسیار زیاد با یکدیگر مى توان آنها را به اندازه کافى به یکدیگر نزدیک کرد. هنگامى که آزادى مجانبى کشف شد و نظریه QCD فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسیار خوبى با نتایج آزمایشگاهى از خود نشان دهند.

آبشار ذرات حقیقت را فاش مى کند    QCD

 توسط آزمایش برخورد الکترون و پاد ذره آن یعنى پوزیترون در انرژى هاى بالا صورت مى گیرد. در این آزمایش الکترون و پوزیترون یکدیگر را نابود مى کنند و مطابق معادله اینشتین