کوارک

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد.

مدت زیادی این طور تصور می‌‌شد که پروتونها و نوترونها ذرات بنیادی هستند و بنابراین گمان می‌‌رفت مثل تقسیم الکترون دیگر بخش‌پذیر نبوده و دارای یک ساختار داخلی نیستند امروزه می‌‌دانیم که هسته‌ها (نوکلئونها) یا به عبارت دیگر پروتونها و نوترونها خود از ذرات کوچک‌تری ساخته شده‌اند که کوارک نامیده می‌شوند.

[ویرایش] شمار و مشخصات

تا به حال ۶ گونه کوارک متفاوت شناسایی شده‌اند با این همه فقط دو نوع آنها در تشکیل مواد پایدار معمولی نقش مهمی دارند که عبارت از کوارک U و کوارک D هستند(U علامت اختصاری برای بالا «UP» و D علامت اختصاری برای پایین «down» می‌‌باشد .) اگر بار اکتریکی یک الکترون را منفی ۱ فرض کنیم (۱- = الکترون) کوارک U دارای بار الکتریکی ۳/۲+ و کوارک d داری بار ۳/۱- می‌‌باشد.

پروتون که دارای بار مثبت است از ۲ کوارک U و یک کوارک D تشکیل شده است از این طریق است که بار آن حاصل می‌شود: ۱+=۳/۲+۳/۲+۳/۱-

بر عکس یک نوترون دارای ۲ کوارک D و یک کوارک U بوده و با ر آن برابر است با ۰=۳/۲+۳/۱-۳/۱-

اگر روابط ونسبتها در اتمها که در مقایسه با کوارکها بزرگ هستند مهم و چشمگیر است این روابط در کوارکهای کوچک مسلماً مهم‌تر هستند مثلاً کوارکها هیچ گاه به تنهایی نقشی را به عهده ندارند بلکه همیشه در گروههای ۲ و سه تایی هستند ذراتی که از ۲ کوارک تشکیل می‌شوند مزون نام دارند ذراتی را که از ۳ کوارک دارند بار یون می‌‌نامند کوارکها درکنار بار الکتریی ای که دارند خاصیت مرموز دیگری نیز دارا می‌‌باشند که رنگ خوانده می‌شود کوراکها از ین جهت به قرمز, سبز و آبی طبقه بندی می‌شود البته از این طبقه بندی نباید رنگهای حقیقی را تصور کرد بلکه منظور نوع بار الکتریکی آنهاست. بنابراین ذرات آزاد معلق درطبیعت باید همیشه دارای رنگ خنثی و به عبارت دیگر سفید باشند به شرخ زیر این نتیجه حاصل می‌شود یک کوارک قرمز یک کوارک سبز و یک کوارک آبی یک گروه سه تایی مثلاً یک پروتون می‌‌سازد.

همان طور که ترکیب رنگهای رنگین کمان رنگ سفید را به وجود می‌‌آورد ازترکیب رنگهای سه گانه کوارک نیز سفید به دست می‌آید به این ترتیب یک ذره سفید مجاز و پایدار تشکیل می‌شود. امکان دیگر این است که یک کوارک قرمز با یک ضد کوارک که رنگ ضد قرمز دارد یک زوج بسازند قرمز و ضد قرمز همدیگر را خنثی کرده رنگی خنثی را به وجود می‌‌آورند به هرحال چون این گروههای دوتایی «مزونها) از ماده و پادماده ایجاد شده‌اند خیلی سر یع فور می‌‌پاشند به این جهت مزونها پایدار نیستند .تمامی این مطلب را چنین خلاصه کنیم :کوارکها هیچ گاه درطبیعت به عنوان ذرات مستقل و آزاد وجود ندارند . ایجاد ذرات متشکل از ۲ کوارک یا به عبارت دیگر (مزونها) البته ممکن است ولی این ذرات پایدار نیستند بر عکس گروههای سه تایی یا به زبان دیگر پروتونها و نوترونها ساختارهایی بسیار پایدار هستند انسان ،کره زمین و در واقع کهکشان راه شیری عملاً از ۳ سنگ بنای اولیه ایجاد شکده اندکه عبارت ازکوارکهای U کوارکها D و الکترونها می‌‌باشند .

کوارکها ,نوکلئونها را می‌‌سازند وآنها به یکدیگر متصل شده هسته اتمها را به وجود می‌‌آروند. هسته و الکترونها دراتحاد با یکدیگر اتمها را ایجاد می‌کنند و اتمها نیز با پیوستن به یکدیگر مولکولهای کوچک و بزرگ از قبیل مولکولهای آب یا سفیده تخم مرغ را می‌‌سازد.

میلیاردها مولکول یاخته‌های بدن ما را به وجود می‌‌آورند و هر انسان در بدن خود میلیاردها یاخته دارد اما با تمام تفاوتهایی که انسان‌ها، جانوران، گیاهان سیاره‌ها و یا ستارگان با یکدیگر دارند باز هم تمام آنها فقط از 3 ذره زیر بنایی ساخته شده‌اند که عبارت‌اند از کوراکها U کوارکهای D و الکترونها .

[ویرایش] آیا کوارک‌ها را می‌توان مشاهده کرد؟

روشن است که کوارک‌ها را نمی‌توان مشاهده کرد بلکه می‌شود وجود آنها را مثل هسته اتمها از طریق آزمایشهای فراوان پیچیده اثبات نمود برای این کار مثل آنچه رادرفورد 75 سال پیش برای شناسایی هسته اتم انچام داد عمل می‌شود و پروتونها یا الکترونهای بسیار پرشتاب مورد اصابت قرار می‌گیردند بیشتر الکترونها در این آزمایش به ندرت تغییر مسیر می‌‌دهند ولی تعدادی از ’آنها کاملاً از مدار خود خارج می‌شوند درست مثل اینکه به گلوله‌های سخت وکوچکی در داخل پروتونها برخورد کنند این گلوله‌های بسیار کوچک همان کوارک‌ها هستند که در جستجویشان بوده ایم یک بررسی دقیق نشان داده که پروتون در مجموع از سه سنگ بنای اولیه این چنین تشکیل شده است .

[ویرایش] جرم دقیق کوارک

کشف ذرات زیراتمی جدید باعث سردرگمی دانشمندان شده است. این ذرات عجیب و ناشناخته تئوری پردازان را واداشته است تا در نظریات خود در مورد نیروهای قوی که ذرات زیراتمی را در اتم‌ها کنار یکدیگر نگه می‌‌دارد، تجدیدنظر کنند. احتمالاً این ذره جدید که DS2317 نام گرفته، صورت غیرمتداولی از کوآرک‌ها است. کوآرک‌ها ذرات بسیار ریزی هستند که در دسته‌های سه تایی وجود دارند و اجزای سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. شاید این ذره جدید ناشناخته کوآرکی باشد که حول کوآرک دیگر در حال چرخش است، شاید هم مولکول جدیدی است که از چهار کوآرک ساخته شده است.

مارچللو گئورگی از دانشگاه پیزای ایتالیا و اعضای گروهش پس از صرف وقت سه ساله و جمع آوری اطلاعات از آشکارساز بابار (BaBar) مرکز شتاب دهنده خطی استنفورد (Slac) در کالیفرنیا با DS 2317 مواجه شدند. وقتی که Slac الکترون را با پوزیتون که ضد ماده الکترون محسوب می‌شود، برخورد می‌‌دهد، آشکارساز باربار تعداد زیادی از ذراتی که در نتیجه این برخورد به وجود می‌‌آیند را شناسایی می‌کند.

گئورگی می‌‌گوید: «ما از نتایج این آزمایشات بسیار شگفت زده شدیم، اما چیزی که بیش از همه باعث اعجاب ما شد، جرم این ذرات است. جرم این ذرات از مقدار پیش بینی شده کمتر و در عین حال بسیار دقیق و مشخص بود.

جرم بسیاری از این ذرات پرانرژی دقیقاً مشخص نیست و با کمی عدم قطعیت همراه است. اما وزن DS 2317 دقیقاً مشخص است و مقدار آن برابر 2316 مگاالکترون ولت است. الکترون ولت واحدی است که فیزیکدانان برای اندازه گیری مقدار جرم و انرژی ذرات به کار می‌‌برند.

استیاایچتن (Estia Eichten) نظریه پرداز فیزیک نظری از آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی در باتاویای ایلینویز می‌‌گوید شاید این جرم دقیق به محققین کمک کند تا ماهیت دقیق نیرویی که اتم‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌‌دارد، درک کنند. از آن جایی که در مقیاس‌های کوچک جرم و انرژی معادل یکدیگرند، دانستن جرم یک کوآرک جدید می‌تواند ما را به شناخت نیروهای قوی که در داخل ذرات حاکم است، راهنمایی کند. طی تحقیقاتی که بعدها صورت گرفت، تصور می‌‌شد که DS 2317 از کوآرک‌های سنگین و ناشناخته‌ای تشکیل شده است. دیوید سینابر و یکی از متخصصین فیزیک انرژی بالا در دانشگاه کورنل در ایتاکای نیویورک می‌‌گوید: «قسمت عمده‌ای از اطلاعاتمان در مورد نیروهای قوی از بررسی کوآرک‌های سبک تر حاصل شده است. اما امکان دارد با بررسی کوآرک سنگین تر اطلاعات جدیدی کسب کنیم.»

کوآرک‌ها در شش گروه مختلف جای می‌‌گیرند: بالا، پایین، جذاب، عجیب، زیرورو. دسته‌های سه تایی از کوآرک‌های بالا و پایین که جزء سبک‌ترین و معمولی‌ترین کوآرک‌ها محسوب می‌شوند، پروتون‌ها و نوترون‌های مواد عادی را که اطراف ما را فرا گرفته است تشکیل می‌‌دهد.

اما ممکن است DS 2317 از دو کوآرک تشکیل شده باشد و ذره کمیابی به ناممزون را به وجود آورده باشد. ایچتن می‌‌گوید این مزون ممکن است تا حدودی شبیه یک اتم باشد. اتمی که در آن یک کوآرک سبک «ضد ـ عجیب» (anti-Strange) حول یک کوآرک سنگین تر «جذاب» (Charm) در حال چرخش است. اما دیگر پژوهشگران در تفسیر پدیده‌های مشاهده شده، نظریات پیچیده تری را ابراز می‌کنند. جاناتان رزنر فیزیکدان نظری دانشگاه شیکاگو می‌‌گوید احتمال دارد که ذره جدید حاوی جفت‌هایی از کوآرک‌های مزدوج باشد. وجود مولکول‌هایی حاوی چنین ذرات زیراتمی مدت‌ها قبل پیش بینی شده بود.

سینابرو می‌‌گوید: «ما تاکنون هیچ شاهدی مبنی بر وجود این گونه ذرات نداشتیم. اما اگر این شی وجود داشته باشد، واقعاً جای تعجب است.»

محققین Slac در مرکز سینکروتون انرژی بالای دانشگاه کورنل و سازمان تحقیقات شتاب دهنده انرژی بالا در ژاپن ضمن کنکاش در اطلاعات قدیمی، درصددند نظریات خود را در مورد ذراتی شبیه DS(2317) بیازمایند.

[ویرایش] شیمی مدیون پروتون

نوترون‌ها و پروتون‌ها از ذراتی ساخته شده‌اند که کوارک‌های بالا و پایین نامیده می‌شوند. هر پروتون شامل دو کوارک بالا و یک کوارک پایین است، در حالی که هر نوترون دارای دو کوارک پایین و یک کوارک بالا است. کوارک‌های پایین کمی سنگین تر از کوارک‌های بالا هستند و به همین دلیل وزن نوترون‌ها از پروتون‌ها بیشتر است. بار هر کوارک بالا برابر دوسوم بار مثبت است و هر کوارک پایین دقیقا یک سوم بار مثبت را با خود دارد. به همین دلیل پروتون دارای یک بار الکتریکی مثبت است در حالی که نوترون‌ها خنثی هستند و باری ندارند.

در عین حال ما هنوز هم جرم دقیق کوارک‌ها را نمی‌دانیم. به همین دلیل دانشمندان سعی دارند ضمن آزمایشات مختلف جرم آنها را دریابند. در عین حال نظریه پردازان نیز سعی دارند قطعات حاصل از برخورد ذرات مختلف را بررسی کرده و سرعت انجام واکنش‌های مختلف را محاسبه کنند. آنها امیدوارند با این روش بتوانند به ساختار یک هسته اتم دست نخورده دست یافته و دریابند چه میزان از اختلاف در خواص کوارک‌های بالا و پایین از اختلاف جرمشان ناشی می‌شود و چه مقدار از این اختلاف به خاطر تفاوت در بارهای الکتریکی است.

آنها امیدوارند با این آزمایشات جرم دقیق کوارک‌ها را دریابند. بیراون کولک فیزیکدان نظری دانشگاه آریزونا می‌‌گوید: «هم آزمایشات انجام شده و هم تفسیرهای نظری ارائه شده در این مورد بسیار پیچیده است و بنابراین لازم است هم از نتایج آزمایشات و هم تفسیرهای نظری کمک گرفت و با تلفیق نتایج حاصل از این آزمایشات اطلاعات مهمی در مورد جرم کوارک‌ها به دست آورد.» اختلاف بین کوارک‌های بالا و پایین به این معنی است که اگر یک نوترون را به حال خود رها کنیم به یک پروتون تبدیل می‌شود. اما این سرنوشت نهایی نوترون‌ها نبود.

این ذرات با قرار گرفتن در کنار الکترون‌ها که بار منفی دارند، می‌توانند اتم‌های هیدروژن را به وجود آورند که ماده سوختی اولیه ستارگان محسوب می‌شود. ادوارد استفنسون که یکی از فیزیکدانان دانشگاه ایندیانا است می‌‌گوید: «دنیای مملو از پروتون به این معنی است که مقدار زیادی هیدروژن در اختیار داریم. بدون در اختیار داشتن پروتون، شیمی به آن صورتی که امروز می‌‌شناسیم، ممکن نبود.» البته باید در نظر داشت همین اختلاف کم در جرم این کوارک‌ها نتایج بسیاری را در پی داشته است. اخیراً یک گروه از دانشمندان دانشگاه ایندیانا دو هسته دوتریم را به هم برخورد دادند. دوتریم نوعی اتم هیدروژن است که در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد. گروهی دیگر نیز در دانشگاه اوهایو با استفاده از نوترون و پروتون واکنش همجوشی هسته‌ای انجام دادند. طی هر دو این آزمایشات ذراتی حاصل شد که آنها را پیون می‌‌نامند.

این دانشمندان معتقدند ایجاد پیون نشانه عدم تقارن بار است که از اختلاف در اجزای تشکیل دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها ناشی می‌شود. این اختلاف در جرم عامل اصلی ترکیب اجزای عالم است.

از دانشنامهٔ رشد