فیزیک ذرات

فیزیک ذرات بنیادی ( به انگلیسی: Fundamental particle physics ) یا فیزیک انرژی های بالا یکی از شاخه های دانش فیزیک است که به بررسی ماهیت اجزای تشکیل دهنده ماده ( ذرات دارای جرم ) و تابش ( ذرات بدون جرم ) می پردازد.
اگرچه واژه «ذره» می تواند به انواع مختلفی از اجسام کوچک ( مثلاً فوتون ها، ذرات گاز ویا حتی گرد و غبار ) اشاره داشته باشد اما فیزیک ذرات معمولاً ذراتی را بررسی می کند که به اندازه ای کوچک هستند که قابل تقسیم بیشتر نیستند. فیزیک ذرات همچنین میدانهای نیروهای بنیادی که برای توضیح این ذرات لازم هستند، را بررسی می کند.
تا جایی که امروز فهمیده شده است، این ذرات بنیادی برانگیختگی های میدان های کوانتومی هستند که بر برهم کنش های میان آن ها نیز حاکمند. نظریه پیشروی کنونی که این ذرات و میدان های بنیادی و دینامیک حاکم بر آن ها را توصیف می کند مدل استاندارد نام دارد. از این رو فیزیک ذرات نوین بیشتر مدل استاندارد و گسترش های امکانپذیر مختلف آن را بررسی می کند.
ذرات مورد بررسی در این شاخه را می توان توسط آشکارسازهای ذرات نشان داد. این ذرات را به صورت مستقیم نمی توان آزمایش کرد و برای بررسی آزمایشگاهی بر روی آن ها از اثرات آن ها استفاده می شود. بسیاری از اثرات پیش بینی شده در این نظریات در انرژی های بالا رخ می دهد از این رو به این شاخه فیزیک انرژی های بالا نیز گفته می شود.
ابتدای فیزیک ذرات را می توان به قرن ششم پیش از میلاد و کارهای فیلسوفان اتمیست نسبت داد.
بررسی علمی ذرات تشکیل دهنده ماده در ۱۸۹۷ و کشف الکترون توسط تامسون شروع می شود. او مدل اتمی موسوم به مدل خمیری تامسون را معرفی کرد. با آزمایش پراکندگی رادرفورد این مدل رد شد و هسته اتم کشف گردید. رادرفورد مدل اتمی خود به نام مدل رادرفورد را معرفی کرد. در ۱۹۱۴ نیلز بور مدل اتمی خود را پیشنهاد کرد. توافق طیف اتم هیدروژن با نظریه بور بسیار جالب بود. در همین دوره هسته هیدروژن را پروتون نامیدند اما قادر به توضیح عدد اتمی عناصر دیگر نشدند. سرانجام با کشف نوترون توسط چادویک در سال ۱۹۳۲ دوره کلاسیک ذرات بنیادی به پایان رسید.
سه مبحث مهم در این دوره مطرح گشتند:
۱ - مزون ها
سؤالی که پیش می آمد این بود که چه چیزی پروتون های با بار مثبت را در هسته در کنار هم نگه می داشت؟ در ۱۹۳۴ یوکاوا وجود نیروی قوی هسته ای را پیش بینی نمود. اینشتین قبلاً ذره ای را حامل نیروی الکترومغناطیس توصیف کرده بود این ذره فوتون نام داشت. حال سؤال این بود که آیا این نیروی جدید را هم می شود با یک ذره حامل نشان داد؟ که یوکاوا نام ذره پیشنهادی حامل این نیرو را مزون گذاشت. هرچند بعدها این ذره میون نامیده شد و مزون به رده دیگری از ذرات گفته شد. در سال ۱۹۳۷ این ذره در آزمایشگاه کشف شد.

فیزیک ذرّات (particle physics)
مطالعۀ ذرات سازندۀ اتم ها و بررسی برهم کنش های این ذرات. فیزیک دانان تاکنون توانسته اند بیش از ۳۰۰ ذرۀ زیراتمی را شناسایی و آن ها را براساس جرم، بار الکتریکی، اسپین، گشتاور مغناطیسی، و برهم کنش های آن ها دسته بندی کنند. ذرات زیراتمی عبارت اند از ذرات بنیادی (کوارک ها، لپتون ها، و بوزون های پیمانه ای)، و هادرون ها (باریون ها، ازجمله پروتون و نوترون، و مزون ها). ذرات بنیادی، تا آن جا که می دانیم، تقسیم ناپذیرند و به همین سبب، واحدهای بنیادی ساختار ماده شمرده می شوند. هادرون ها ذرات مرکبی اند که از دو یا سه کوارک تشکیل می شوند. فقط کوارک ها، پروتون ها، الکترون ها، و نوترینوها ذرات پایدار در طبیعت اند. نوترون ها فقط وقتی پایدارند که داخل هستۀ اتم باشند. ذرات ناپایدار رفته رفته به ذرات دیگر واپاشیده می شوند و با آزمایش های شتاب دهندۀ ذرات و تابش کیهانی قابل شناسایی اند. (← اتمی،_ساختار) نخستین پژوهش ها در زمینۀ فیزیک ذرات در آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کیمبریج انگلستان صورت گرفت. فیزیک دان انگلیسی، جان تامسون، در ۱۸۹۷ کشف کرد که همۀ اتم ها شامل ذراتی یکسان با بار منفی اند که به آسانی از اتم آزاد می شوند. این ذرات را الکترون نامیدند. فیزیک دان نیوزیلندی، ارنست رادرفورد، در ۱۹۱۱ نشان داد که الکترون های اتمی در اطراف هسته های بسیار کوچکِ با بار مثبت قرار دارند. او در ۱۹۳۲ شاهد کشف ذره ای به جرم الکترون و با بار مساوی، ولی مختلف العلامت با آن، با نام پوزیترون، بود. موجودیت این ذره را فیزیک دان نظریه پرداز انگلیسی، پُل دیراک، در ۱۹۲۸ پیش بینی کرده بود. این نخستین نمونۀ پادمادۀ کشف شده بود. فیزیک دانان بر این باورند که همۀ ذرات پادذره های خاصی دارند. در ۱۹۳۴، فیزیک دان ایتالیایی تبار امریکایی، انریکو فرمی، مدعی شد که ذرۀ ناشناخته ای با نام نوترینو می باید الکترون ها را در گسیل بتا همراهی کند.
ذرات و نیروهای بنیادی. در نیمۀ دهۀ ۱۹۳۰، چهار نوع نیروی بنیادی را در برهم کنش بین ذرات شناسایی کردند: ۱. نیروی الکترومغناطیسی که بین ذرات باردار وارد می شود و به صورت بوزون های پیمانه ای با نام فوتون، که بستۀ انرژی تابش الکترومغناطیسی است، بین ذرات باردار الکتریکی مبادله می شود. ۲. نیروی هسته ای قوی که به پیشنهاد فیزیک دان ژاپنی، هیدکی یوکاوا، برای پیوند بین پروتون ها و نوترون ها در هسته درنظر گرفته شد (۱۹۳۵). این نیرو با مبادلۀ ذراتی با جرم حدود یک دهم جرم پروتون، بین ذرات درون هسته عمل می کند. این ذرات را پیونها یا مزون های پی می نامند و فیزیک دان بریتانیایی، سسیل پاول، آن ها را در ۱۹۴۶ کشف کرد. از ۱۹۷۳ به بعد، به جای نظریۀ یوکاوا، عمدتاً از نظریۀ کرومودینامیک کوانتومی استفاده می کنند. این نظریه بر این اصل موضوع استوار است که نیروی هسته ای قوی براثر مبادلۀ بوزون های پیمانه ای، با نام گلوئون، بین کوارک ها و پادکوارک های سازندۀ پروتون ها نوترون ها اِعمال می شود. ۳. نیروی هسته ای ضعیف دستۀ سوم نیروهای بنیادی است. انریکو فرمی پژوهش نظری خود را در زمینۀ آن از دهۀ ۱۹۳۰ آغاز کرد. وجود بوزون های پیمانه ای حاصل این نیرو، که ذره های W و Z نامیده می شوند، در ۱۹۸۳ در سرن، سازمان پژوهش های هسته ای اروپا، تأیید شد. ۴. گرانی چهارمین رده از نیروهای بنیادی است که بر هرگونه ماده ای وارد می شود و ذرۀ میانجی این نیرو را، بنابر اصل موضوع، گراویتون می نامند.
لپتون. لپتون ها شامل الکترون، موئون، تاو، و نوترینوهای خاص متناظر به هردسته از این ذرات اند. لپتون ها ذراتی با اسپین نیمه درست اند که تحت تأثیر نیروی هسته ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیسی قرار می گیرند، ولی نیروی هسته ای قوی بر آن ها اثری ندارد. موئون را فیزیکدان امریکایی، کارل آندرسون، در تابش کیهانی کشف کرد (۱۹۳۷). هنگامی که این ذره واپاشیده می شود، تولید نوترینوی موئونی می کند. نوترینوی تاو هم در واپاشی ذرۀ تاو، کشف شگفت انگیز دهۀ ۱۹۷۰، تولید می شود.
مزون ها و باریون ها. هادرون ها یا ذرات واکنش کننده دربرابر نیروی هسته ای قوی در دهه های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ کشف شدند. این ذرات به دو دسته تقسیم می شوند: مزون ها با اسپین صفر یا اسپین درست، و باریون ها، شامل پروتون ها و نوترون ها، با اسپین نیمه درست. در اوایل دهۀ ۱۹۶۰ دانسته شد که اگر هادرون های دارای اسپین یکسان را به صورت نقاطی روی نمودارهای مناسب نشان دهند، نقش های ساده ای حاصل می شود. این تقارن، با توجه به جای خالی پدید آمده در یکی از این نقش ها، منجربه پیش بینی باریون ناشناخته ای با نام اُمگا ـ منفی شد که در آزمایش ها خود را نشان داد.
کوارک ها. در ۱۹۶۴، فیزیک دانان امریکایی، موری گِل ـ من و جورج زوایگ، به این نتیجه رسیدند که همۀ هادرون ها از سه «طعم» گوناگون ذرۀ جدیدی ساخته می شوند که اسپین نیمه درست و باری به بزرگی ۳/۱یا ۳/۲بار الکترون دارد. گِل من این ذرۀ جدید را کوارک نامید. مزون ها از زوج کوارک ـ پادکوارک، با حاصل جمع اسپین یک یا صفر، و باریون ها از سه تایی های کوارکی ساخته می شوند. در ۱۹۸۵، تعداد طعم های کوارک را برای توجیه و توضیح مزون های جدیدی مثل ذرۀ پسی (ψ) به شش طعم افزایش دادند.