English

Contact us

نظر دهید

تماس با ما

فارسی

Welcome to CPH Theory Siteبه سایت نظریه سی پی اچ خوش آمدید

 

 

نظریه سی پی اچ بر اساس تعمیم سرعت نور از انرژی به ماده بنا شده است.

اخبار

آرشیو مقالات

 

سی پی اچ در ژورنالها

   

 

انواع برهم كنش هاى ذره هاى زيراتمى و چگونگى تشكيل جرم

 

 

 


اسرار اجرام

گوردون كين

ترجمه: سليمان فرهاديان

 

 


 

بيشتر مردم فكر مى كنند مى دانند جرم چيست، اما واقعيت آن است كه آنها فقط بخشى از داستان را مى دانند. براى مثال فيل آشكارا از مورچه بزرگتر و سنگين تر است. حتى در جايى كه گرانش نباشد، باز هم فيل جرم بيشترى دارد، يعنى هل دادن و به حركت درآوردنش سخت تر است. آشكار است كه فيل سنگين تر است، زيرا در مقايسه با مورچه اتم هاى بيشترى دارد، اما چه چيزى وزن هر اتم منفرد را تعيين مى كند؟ در مورد ذره هاى بنيادى سازنده اتم چه مى توان گفت؟ چه چيزى جرم آنها را تعيين مى كند؟ اصلاً چرا اين ذره ها وزن دارند؟
مى بينيم كه مسئله جرم دو جنبه متفاوت دارد. اول آنكه نياز است بدانيم جرم چگونه به وجود مى آيد. معلوم شده است كه جرم حداقل از سه سازوكار متفاوت به وجود مى آيد كه در ادامه به تشريح آنها مى پردازم. يك بازيگر مهم در نظريه هاى آزمايشى فيزيكدانان در مورد جرم نوع جديدى از ميدان است كه تمام جهان را فرا مى گيرد و ميدان هيگز نام دارد. گمان مى رود كه جرم ذره هاى بنيادى از برهمكنش با ميدان هيگز به وجود مى آيد. اگر ميدان هيگز وجود داشته باشد، آن وقت طبق نظريه وجود يك ذره وابسته به آن به نام بوزون هيگز ضرورى است. هم اكنون دانشمندان با استفاده از شتاب دهنده هاى ذره به دنبال ذره هيگز هستند. 
جنبه ديگر اين مسئله آن است كه دانشمندان مى خواهند بدانند چرا گونه هاى متفاوت ذره هاى بنيادى، جرم خاص خودشان را دارند. جرم ذاتى اين ذره ها در گستره اى به اندازه حداقل ۱۱ مرتبه توزيع شده است، اما هنوز نمى دانيم چرا اينگونه است . براى مقايسه در نظر آوريد كه جرم فيل و كوچك ترين مورچه حدود ۱۱ مرتبه با هم تفاوت دارد.

 

جرم چيست

 

 

 

 

ايزاك نيوتن اولين تعريف علمى از جرم را در سال ۱۶۸۷ در كتاب برجسته اش به نام اصول ارائه كرد: مقدار ماده، اندازه آن ماده است، كه چگالى و حجم ماده مشتركاً آن را تعيين مى كنند.

اين تعريف بسيار ابتدايى براى نيوتن و ديگر دانشمندان طى بيش از ۲۰۰سال كارآمد بود. آنها دريافتند براى آنكه علم پيشرفت كند، ابتدا بايد توصيف كند كه پديده ها چگونه روى مى دهند و سپس درك كند چرا با اين همه در سال هاى اخير، چرايى جرم به يك موضوع پژوهشى در فيزيك بدل شده است درك معنا و منشاء جرم مدل استاندارد فيزيك ذره ها را كه نظريه اى بسيار متداول براى توصيف ذره هاى بنيادى شناخته شده و برهمكنش هاى آنان است، كامل كرده و گسترش مى دهد. علاوه بر آن مى تواند از پديده هايى همچون ماده تاريك كه تشكيل دهنده ۲۵ درصد از جهان است رازگشايى كند.
مبانى درك نوين ما از جرم بسيار پيچيده تر از تعريف نيوتن و مبتنى بر مدل استاندارد است. در بطن مدل استاندارد تابع رياضى با نام لاگرانژى است كه نشان دهنده چگونگى برهمكنش ذره هاى گوناگون است. فيزيكدانان با استفاده از اين تابع و تبعيت از قواعدى به نام نظريه نسبيت كوانتومى مى توانند رفتار ذره هاى بنيادى را محاسبه كرده و دريابند اين ذره ها چگونه گرد هم مى آيند و ذره هاى مركبى همچون پروتون را به وجود مى آورند. مى توان چگونگى واكنش هم ذره هاى بنيادى و هم ذره هاى مركب را نسبت به نيروها به دست آورد. در مورد نيروى F  مى توانيم معادله نيوتن F=ma  را بنويسيم. اين معادله، نيرو، جرم و شتاب حاصل از نيرو را به هم مربوط مى كند. لاگرانژى به ما مى گويد كه در اينجا براى m  بايد از چه مقدارى استفاده كنيم و اين مقدار همان چيزى است كه از عبارت جرم ذره مدنظر ما است.

اما جرمى كه به طور معمول آن را درك مى كنيم، چيزى بيش از F=ma از خود نشان مى دهد. بر اين مثال نظريه نسبيت خاص اينشتين پيش بينى مى كند كه ذره هاى بدون جرم در خلأ با سرعت نور و ذره هاى داراى جرم بسيار كندتر حركت مى كند، به طورى كه اگر جرمشان را بدانيم مى توانيم سرعت شان را محاسبه كنيم.

 

 

 

 

قوانين گرانش با دقت بسيار، پيشگويى مى كند كه گرانش هم روى ماده و هم روى انرژى تاثير مى گذارد. همانطور كه از يك مقدار خاص جرم انتظار داريم، مقدارى از m  كه از روى لاگرانژى براى هر ذره به دست مى آيد، در تمام موارد ديگر نيز صحيح است و كاربرد دارد. ذره هاى بنيادى، جرمى ذاتى دارند كه آن را با نام جرم سكون مى شناسيم. (ذره هايى با جرم سكون صفر، ذره هاى بدون جرم نام دارند.) در مورد ذره هاى مركب بايد گفت كه جرم سكون اجزاى تشكيل دهنده و همچنين انرژى جنبشى حركت و انرژى پتانسيل برهمكنش ها در جرم كلى ذره نقش دارد. همانطور كه رابطه معروف اينشتين  E=mc2 مى گويد انرژى و جرم به يكديگر ربط دارند. (اين رابطه مى گويد انرژى برابر است با جرم ضربدر توان دوم سرعت نور.) مثالى از مشاركت انرژى در جرم را مى توان در آشنا ترين نوع ماده در جهان يعنى پروتون و نوترون مشاهده كرد. پروتون و نوترون تشكيل دهنده هسته اتم هاى ستارگان، سياره ها، افراد و همه آن چيزهايى است كه مشاهده مى كنيم. اين ذره ها تشكيل دهنده چهار تا پنج درصد از جرم- انرژى جهان هستند (قاب صفحه ۷ را ببينيد). مدل استاندارد به ما مى گويد كه پروتون ها و نوترون ها از ذره هايى بنيادى به نام كوارك تشكيل شده اند كه به وسيله ذره هاى بدون جرمى به نام گلوئون به يكديگر متصل مى شوند. اگرچه اجزاى تشكيل دهنده پروتون در درونش مى چرخند، براى ما كه از بيرون به پروتون نگاه مى كنيم، آن را به صورت ذره اى پيوسته با جرمى ذاتى مى بينيم كه مقدار اين جرم با افزودن جرم ها و انرژى هاى اجزاى تشكيل دهنده آن به دست مى آيد.

مدل استاندارد ما را مجاز مى سازد كه تقريباً تمام جرم پروتون ها و نوترون ها را از انرژى جنبشى كوارك ها و گلوئون هاى تشكيل دهنده آن به دست آوريم (باقى مانده آن از جرم سكون كوارك ها به دست مى آيد.) بنابراين چهار تا پنج درصد از كل جهان- تقريباً تمام ماده معمولى پيرامون ما- از انرژى حركت كوارك ها و گلوئون هاى موجود در پروتون ها و نوترون ها ناشى مى شود.
 

 سازوكار هيگز

 

 

 

 

ذره هاى واقعاً بنيادى مثل كوارك ها و الكترون ها برخلاف پروتون ها و نوترون ها از اجزاى كوچك ترى تشكيل نشده اند. شرح چگونگى كسب جرم سكون در اين ذره ها به يكى از اصلى ترين مسئله ها در مورد منشاء جرم تبديل شده  است. همانگونه كه پيش از اين خاطر نشان كردم تفسيرهاى ارائه شده به وسيله فيزيك نظرى جديد مى گويد جرم ذره هاى بنيادى از برهمكنش با ميدان هيگز ناشى مى شود. اما چرا ميدان هيگز در همه جاى جهان حاضر است؟ چرا قدرت اين ميدان همانند ميدان الكترومغناطيس در مقياس هاى كيهانى اصولاً صفر نيست؟ ميدان هيگز چيست؟

ميدان هيگز يك ميدان كوانتومى است. ممكن است عجيب به نظر برسد اما واقعيت اين است كه تمام ذره هاى بنيادى به صورت كوآنتوم هاى ميدان كوانتومى متناظر پديدار مى شوند. ميدان الكترومغناطيس هم يك ميدان كوانتومى است (ذره بنيادى متناظر آن فوتون است). بنابراين ميدان هيگز از اين لحاظ عجيب تر از الكترون و نور نيست. با اين همه ميدان هيگز به سه روش مهم ديگر با تمام ميدان هاى كوانتومى تفاوت دارد.

تفاوت اول تا حدودى فنى است. تمام ميدان ها خاصيتى به نام اسپين (SPIN)  دارند. اسپين خاصيت ذاتى تكانه زاويه  اى (angular mementum) است كه تمام ذره هاى ميدان داراى آن هستند. ذره هايى مانند الكترون، اسپين يك دوم دارند و اغلب ذره هاى وابسته به يك نيرو مثل فوتون، اسپين۱ دارند. بوزون هيگز (ذره ميدان هيگز) اسپين صفر دارد. داشتن اسپين صفر ميدان هيگز را قادر مى سازد به شيوه متفاوتى نسبت به بقيه ذره ها در لاگرانژى ظاهر شود، كه اين نكته باعث مى شود ميدان هيگز دو جنبه متفاوت ديگر خود را ظاهر سازد..

دومين خاصيت منحصر به فرد ميدان هيگز توضيح مى دهد كه چرا قدرت اين ميدان در سرتاسر جهان غيرصفر است. هر سيستمى از جمله جهان در پايين ترين سطح انرژى قرار مى گيرد، درست مثل يك توپ كه در قعر دره آرام مى شود. در ميدان معمولى همانند ميدان هاى الكترومغناطيس كه پخش برنامه هاى راديويى را امكان پذير مى سازد پايين ترين سطح انرژى آنجايى است كه ميدان مقدار صفر دارد (يعنى جايى كه ميدان از بين مى رود) اگر هر ميدان غيرصفرى اعمال شود، انرژى ذخيره شده در ميدان ها، انرژى خالص سيستم را افزايش مى دهد. اما براى ميدان هيگز وقتى كه ميدان صفر نباشد بلكه مقدارى غيرصفر داشته باشد انرژى جهان كمتر است. اگر بخواهيم همان تشبيه دره را به كار بريم، بايد گفت براى ميدان هاى معمولى كف دره در مكانى است كه ميدان صفر است، اما براى هيگز دره تپه اى در مركز خود (يعنى ميدان صفر) دارد و پايين ترين نقطه دره دايره اى حول اين تپه است. (قاب همين صفحه را ببينيد) جهان مثل يك توپ در جايى در اين چاله حلقوى كه متناظر است با مقدار غيرصفر ميدان، ساكن مى شود. اين گفته به اين معنى است كه جهان در حالت معمولى و در پايين سطح آكنده از ميدان هيگز غيرصفر است.

 

 

 

 

آخرين ويژگى قابل توجه ميدان هيگز شكل برهمكنش آن با ديگر ذره ها است. ذراتى كه با ميدان هيگز برهمكنش دارند طورى رفتار مى كنند كه انگار جرم دارند و جرم شان متناسب است با شدت ميدان ضرب در شدت برهمكنش. جرم ها از عبارتى در لاگرانژى به وجود مى آيند كه بيانگر برهمكنش ذرات با ميدان هيگز است. 
با اين همه هنوز درك ما از همه اينها كامل نشده است و مطمئن نيستيم چند نوع ميدان هيگز وجود دارد. هر چند كه مدل استاندارد فقط به يك ميدان هيگز نياز دارد تا جرم تمام ذرات بنيادى را به وجود آورد، اما فيزيكدان ها مى دانند كه نظريه اى كامل تر بايد جانشين مدل استاندارد شود. مهمترين رقيبان، بسط هايى از مدل استاندارد است كه با عنوان مدل استاندارد ابرتقارنى (SSM)  شناخته مى شود. در اين مدل ها هر ذره مدل استاندارد يك ابرهمزاد (Super partner)  دارد (كه هنوز آشكارسازى نشده است) و خواص دقيقاً مشابهى دارد. (به مقاله سپيده دم فيزيك وراى مدل استاندارد اثر گوردون كين در همين ويژه نامه مراجعه كنيد.) با توجه به مدل استاندارد ابرتقارنى حداقل به دو ميدان هيگز متفاوت نياز داريم. برهمكنش با آن دو ميدان به ذرات مدل استاندارد جرم مى دهد. همين ها نيز باعث جرم دار شدن ابرهمزادها مى شوند. دو ميدان هيگز به پنج نوع بوزون هيگز منجر مى شود
.

 

 

 

سه تا از آنها از لحاظ الكتريكى خنثى هستند و دو تا باردار.اين احتمال هم وجود دارد كه جرم ذراتى كه نوترينو ناميده مى شود و در مقابل جرم ذرات ديگر كوچك است، به روشى غيرمستقيم، از اين برهمكنش ها يا از نوع سومى از ميدان هيگز به وجود آيد. نظريه پردازان چندين دليل دارند كه نشان مى دهد تصوير SSM  از برهمكنش هاى هيگز صحيح است. اول آنكه بدون سازوكار هيگز، بوزون هاى هيگز كه واسطه نيروى ضعيف هستند، مى بايست درست مثل فوتون بدون جرم باشند و ديگر آنكه برهمكنش هاى ضعيف بايد مثل برهمكنش هاى الكترومغناطيسى قوى باشند. اين نظريه مى گويد كه سازوكار هيگز به روش برهمكنش هاى بسيار ويژه باعث جرم دار شدن W و Z  مى شود. پيشگويى هاى چنين رويكردى (همانند نسبت جرم W و Z به طور تجربى تاييد شده است.نكته دوم آنكه، اصولاً تمام جنبه هاى ديگر مدل استاندارد به خوبى آزموده شده است و در چنين نظريه اى با جزئيات فراوان و بسيار مرتبط به هم، دشوار است كه بخشى را (مثل هيگز) تغيير داد، بدون آنكه بر بقيه قسمت هاى نظريه تاثيرى نداشته باشد. براى مثال، تحليل اندازه گيرى هاى دقيق خواص بوزون Z و W  به پيشگويى دقيق جرم كوارك سر (top)  پيش از توليد مستقيم كوارك سر منجر شد. تغيير سازوكار مكانيسم هيگز باعث نقض شدن اين پيشگويى و ديگر پيشگويى هاى موفقيت آميز مى شود. سوم آنكه مكانيسم هيگز مدل استاندارد در توجيه جرم دار شدن تمام ذرات مدل استاندارد خيلى خوب عمل مى كند؛ هم جرم دار شدن بوزون هاى W و Z  را توجيه مى كند، هم جرم دار شدن كوارك ها و لپتون ها را. در حالى كه نظريه هاى بديل نمى توانند. ديگر آنكه SSM  برخلاف نظريه هاى ديگر چارچوبى براى متحد كردن در كمان از نيروهاى طبيعت فراهم مى آورد. نكته پايانى آنكه SSM  مى تواند توضيح دهد چرا دره انرژى براى جهان چنان شكلى را دارد كه براى سازوكار هيگز نياز است. در مدل استاندارد اوليه شكل دره را بايد به صورت يك پذيره وارد مدل كرد، اما در SSM  اين شكل دره را مى توان از راه رياضى به دست آورد.

 

آزمون نظريه

 

 

 

طبيعى است كه فيزيكدانان بخواهند آزمون هاى مستقيمى در اين مورد انجام دهند كه جرم از برهمكنش با ميدان هاى هيگز متفاوت به وجود مى آيد. مى توان سه جنبه اساسى را آزمود. 
اول، مى توان در جست وجوى ذرات ويژه اى به نام بوزون هيگز باشيم. چنين كوانتوم هايى بايد وجود داشته باشند، در غير اين صورت تفسيرهاى ارائه شده صحيح نيست. فيزيكدانان هم اكنون در برخورد دهنده تواترون (Tevatron Collider)  در آزمايشگاه شتاب دهنده ملى فرمى در باتاوياى ايلى نويز در جست وجوى بوزون هيگز هستند.

دوم، پس از اينكه اين ذرات شناسايى شدند مى توانيم مشاهده كنيم كه چگونه بوزون هاى هيگز با ديگر ذرات برهمكنش دارند. همان عبارتى در لاگرانژى كه مشخص كننده جرم ذرات است، بيانگر خواص چنين برهمكنش هايى است. بنابراين مى توان آزمايش هايى انجام داد تا وجود عبارت هاى برهمكنش از اين نوع را به طور كمى آزمود. قدرت برهمكنش ها و مقدار جرم ذرات اختصاصاً با يك روش به هم مربوط مى شوند.

سوم، مجموعه هاى گوناگون ميدان هاى هيگز كه در مدل استاندارد يا نسخه هاى SSM وجود دارد، نشان دهنده مجموعه هاى متفاوتى از بوزون هاى هيگز با خواص مختلف است. بنابراين آزمون مى تواند بين اين بديل ها نيز تمايز قائل شود. 

تنها چيزى كه براى انجام آزمايش ها نياز داريم، برخورددهنده مناسب ذرات است: برخورددهنده هايى كه انرژى كافى براى توليد بوزون هاى هيگز متفاوت داشته باشند. شدت كافى براى ساخت مقدار كافى از آنها و آشكارسازهاى خوب براى تجزيه و تحليل آنچه كه به وجود آمده است. يك مشكل عمده سر راه انجام چنين آزمون هايى آن است كه هنوز نظريه را آن قدر خوب درك نكرده ايم كه بتوانيم مقدار جرم بوزون هاى هيگز را محاسبه كنيم و در نتيجه جست وجو براى يافتن آنها دشوارتر مى شود، زيرا بايد گستره وسيعى از جرم ها را آزمود. تركيبى از استدلال هاى نظرى و اطلاعات حاصل از آزمايش مى تواند ما را براى به دست آوردن جرم هاى تقريبى راهنمايى كند.

برخورددهنده بزرگ الكترون- پوزيترون (LEP)  در سرن (CERN) كه آزمايشگاه اروپايى فيزيك ذرات در نزديكى ژنو است، در گستره اى از جرم ها كه احتمال بسيار داشت در برگيرنده بوزون هاى هيگز باشد، كار كرد. اين برخورددهنده چيزى پيدا نكرد، اگرچه پيش از آنكه برخورددهنده در سال ۲۰۰۰ براى ساخت تجهيزات جديدتر يعنى برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC)  سرن تعطيل شود، شواهد وسوسه برانگيزى از وجود چيزى در حد انرژى و شدت برخورددهنده يافت. بنابراين جرم هيگز بايد بيش از ۱۲۰ برابر جرم پروتون باشد. 

با اين همه LEP  شواهد غيرمستقيمى يافت كه نشان مى دهد بوزون هيگز وجود دارد: با استفاده از آزمايش هاى انجام شده در LEP  شمارى از اندازه گيرى هاى دقيق صورت گرفت كه مى توان آنها را با اندازه گيرى هاى مشابه تواترون و برخورددهنده مركز شتاب دهنده خطى استنفورد تركيب كرد. مجموعه نهايى داده ها فقط وقتى خوب با نظريه سازگار مى شود كه برهمكنش هاى خاص ذرات با سبك ترين بوزون هاى هيگز را دربرگيرد و همچنين فقط وقتى كه سبك ترين بوزون هاى هيگز بيش از ۲۰۰ برابر پروتون جرم نداشته باشند. با اين تفاسير پژوهشگران به حد بالايى براى جرم بوزون هيگز دسترسى مى يابند كه به آنها كمك مى كند پژوهش هايشان را متمركز كنند. 

طى چند سال آينده، تنها برخورددهنده اى كه مى تواند شواهد مستقيمى براى بوزون هاى هيگز توليد كند، تواترون است. اگر اين برخورددهنده بتواند به طور پيوسته به شدت باريكه اى كه از آن انتظار مى رود، دست يابد (كه البته تاكنون دستيابى به چنين شدتى امكان پذير نشد) انرژى اش براى كشف يك بوزون هيگز در گستره جرم هايى كه شواهد غيرمستقيم  LEP  نشان داد، كافى است. طبق برنامه ريزى هاى انجام شده، LHC  كه هفت برابر پرانرژى تر و شدت برخوردهاى آن بسيار بيشتر از تواترون است در سال ۲۰۰۷ ارائه اطلاعات را آغاز كند. اين برخورددهنده مى تواند به كارخانه بوزون هيگز تبديل مى شود (يعنى مى تواند در هر روز مقدار زيادى ذره توليد كند). با فرض آنكه LHC  طبق برنامه ريزى قبلى كار كند، جمع آورى اطلاعات مناسب و آموختن چگونگى تفسير آنها، يكى دو سال زمان مى برد. انجام آزمايش هاى كاملى كه نشان دهد برهمكنش با ميدان هاى هيگز به وجودآورنده جرم است، علاوه بر LHC  كه برخورددهنده پروتون است) و تواترون (كه برخورددهنده پروتون و پادپروتون است) به برخورددهنده الكترون- پوزيترون تازه اى نيز نياز دارد.

 

 ماده تاريك

 

 

 

آنچه كه در مورد بوزون هاى هيگز حاصل شود، صرفاً براى آزمودن اين نكته كه آيا سازوكار هيگز به وجودآورنده جرم است، به كار نمى رود، بلكه اين دستاوردها همچنين مى تواند نشان دهنده راهى براى چگونگى توسعه مدل استاندارد براى حل مسائلى همچون منشاء ماده تاريك باشد. با در نظر گرفتن ماده تاريك، يك ذره بسيار مهم SSM  سبك ترين ابرهمزاد (LSP)  است. LSP  ابرهمزادى با كمترين جرم در ميان ابرهمزادهاى ذرات شناخته شده مدل استاندارد است كه SSM  وجودش را پيش بينى مى كند. عمده ابرهمزادها بى درنگ واپاشى مى كنند و ابرهمزادهاى كم  جرم تر به وجود مى آورند. اين زنجيره آنقدر ادامه مى يابد تا به LSP  برسد كه پايدار است، زيرا اين ذره، ذره سبك ترى ندارد كه بتواند به  آن واپاشى كند. (وقتى كه يك ابرهمزاد واپاشى مى كند، حداقل يك محصول واپاشى بايد ابرهمزاد ديگر باشد. اين ذره نمى تواند كلاً به ذرات مدل استاندارد واپاشى كند.) ابرهمزادها بايد در لحظه هاى اوليه بعد از انفجار بزرگ به وجود آمده باشند، اما بى درنگ پس از آن به LSP ها واپاشى كردند. LSP  مهمترين ذره نامزد براى ماده تاريك است.

بوزون هاى هيگز ممكن است به طور مستقيم بر مقدار ماده تاريك موجود در جهان تاثير بگذارد. مى دانيم كه مقدار LSP هاى امروزى بايد كمتر از مقدار آن در كوتاه زمانى پس از انفجار بزرگ باشد، زيرا بعضى از آنها مى بايست با كوارك ها، لپتون ها و فوتون ها برخورد كرده و نابود شده باشد و احتمالاً LSP هايى كه با بوزون هاى هيگز برهمكنش كرده اند بر ميزان نابودى حاكم بوده است همان طور كه پيش از اين خاطرنشان كرديم دو ميدان هيگز SSM  مهم به ذرات مدل استاندارد جرم مى دهند، همچنين بخشى از جرم ابرهمزادها همانند  LSP   را باعث مى شود. ابرهمزاد از طريق برهمكنش هاى ديگر كه ممكن است با ديگر ميدان هيگز باشد يا با ميدان هايى شبيه به ميدان هيگز باز هم جرم به دست مى آورند. مدل هاى نظرى داريم كه نشان مى دهد اين فرآيندها احتمالاً چگونه انجام مى شود، اما تا زمانى كه اطلاعاتى در مورد خود ابرهمزادها به  دست نياوريم، چيزهاى زيادى در مورد جزئيات رفتار آنها نخواهيم دانست. انتظار مى رود چنين داده هايى از LHE  يا شايد هم از تواترون  به دست آيد.

 

 

 

ممكن است جرم نوترينو به روشى بسيار قابل توجه از برهمكنش با ميدان هاى هيگز ديگر يا ميدان هاى شبه هيگز حاصل آيد. در ابتدا گمان مى رفت كه نوترينو ها بدون جرم باشند، اما نظريه پردازان از سال ۱۹۷۹ پيش بينى كردند كه اين ذرات جرم كمى دارند و طى دهه گذشته آزمايش هاى مهمى اين پيش بينى ها را تائيد كرده است. جرم نوترينوها يك ميليونم جرم كم جرم ترين ذره بعدى يعنى الكترون ها است. از آنجايى كه نوترينوها از لحاظ الكتريكى خنثى هستند، توصيف نظرى جرم آنها به دقت بيشترى نسبت به ذرات باردار نياز دارد. چندين فرآيند در جرم هر گونه نوترينو نقش دارد و به دليل هاى فنى مقدار واقعى جرم از حل يك معادله به دست مى آيد و نه صرفاً با افزودن چند عبارت.

بنابراين سه روشى كه جرم را به وجود مى آورد آموختيم: شكل اصلى جرم كه با آن آشنائيم يعنى جرم پروتون ها و نوترون ها و بنابراين جرم اتم ها از حركت كوارك هاى موجود در نوترون ها و پروتون ها به وجود مى آيد. جرم پروتون  بايد در حدود همان مقدارى باشد كه حتى بدون ميدان هيگز به دست مى آيد. اما كل جرم خود كوارك ها و همچنين جرم الكترون ها از ميدان هيگز ناشى مى شود. بدون ميدان هيگز اين جرم ها صفر مى شود. در آخرين مورد كه قطعاً كمترين نيست، بخش عمده جرم ابرهمزادها و بنابراين جرم ذره ماده تاريك (البته اگر در واقع سبك ترين همزاد باشد) از برهمكنش هاى ديگرى غير از برهمكنش هاى اصلى هيگز حاصل مى شود. در نهايت موضوعى با نام مسئله خانواده را در نظر گرفتيم. فيزيكدانان طى نيم قرن گذشته نشان دادند جهانى كه مى بينيم از افراد گرفته تا گل ها و ستارگان فقط از شش ذره ساخته شده است؛ سه ذره ماده (كوارك هاى بالا (UP)،  كوارك هاى پايين (down)  و الكترون ها)، دو كوانتوم نيرو (فوتون ها و گلوئون ها) و بوزون هاى هيگز. اين توصيفى قابل توجه و به طرز شگفت آورى ساده از جهان است. اما هنوز چهار كوارك ديگر، دو ذره ديگر شبيه به الكترون و سه نوترينوى ديگر وجود دارد. عمر همه آنها بسيار كوتاه است يا برهمكنش چندانى با ۶ذره ديگر ندارند. آنها را مى توان در سه خانواده دسته بندى كرد: نوترينوى الكترون بالا و پايين از خانواده الكترون؛ نوترينوى موئون شگفت و افسون از خانواده موئون و نوترينوى تاو سروته از خانواده تاو. برهمكنش هاى ذره هاى موجود در هر خانواده مشابه برهمكنش هاى ذره هاى موجود در خانواده ديگر است. تفاوت اين خانواده ها در اين است كه ذره هاى موجود در خانواده دوم سنگين تر از ذره هاى خانواده اول و ذره هاى خانواده سوم از آن هم سنگين تر است. از آنجايى كه اين جرم ها از برهمكنش با ميدان هيگز حاصل مى شود اين ذرات بايد برهمكنش هاى متفاوتى با ميدان هيگز داشته باشند.

از اين رو مسئله خانواده دو بخش دارد: با آنكه براى توصيف جهان قابل مشاهده فقط يك خانواده ذرات كافى است، چرا سه خانواده وجود دارد؟ چرا جرم خانواده با هم متفاوت است و چرا چنين جرم هايى دارند؟ شايد آشكار نباشد كه چرا فيزيكدانان از اين نكته كه طبيعت به جاى داشتن يك خانواده ذرات سه خانواده ذرات دارد، شگفت زده اند. دليلش اين است كه مى خواهيم قوانين طبيعت و نيروها و ذره هاى بنيادى آن را به طور كامل درك كنيم. انتظار داريم كه هر جنبه اى از قوانين بنيادى، جنبه اى ضرورى باشد. هدف ما آن است كه نظريه اى داشته باشيم كه تمام ذرات و نسبت جرم هايشان به طور اجتناب ناپذيرى از آن حاصل شود و نيازى به فرض هاى ساختگى در مورد مقدار جرم ها و همچنين نيازى به تنظيم پارامترها نباشد. اگر وجود سه خانواده ضرورى باشد، اين نكته سرنخى است كه اهميت آن را هنوز درك نكرده ايم.

 

ارتباط پنهان با يكديگر

 

 

 

مى تواند ساختار خانواده مشاهده شده را در خود جاى دهد، اما نمى تواند آنها را تشريح كند. اين گفته اهميت بسيار دارد. اين گفته به اين معنا نيست كه SSM  هنوز نتوانسته است ساختار خانواده را تشريح كند، بلكه به اين معنا است كه نمى تواند آن را تشريح كند. يكى از جنبه هاى هيجان انگيز نظريه تار (String theory)  براى خود من آن است كه نه تنها شايد بتواند نظريه اى كوانتومى براى تمام نيروها ارائه دهد، بلكه احتمالاً مى تواند به ما بگويد كه ذره بنيادى چيست و چرا سه خانواده از اين ذرات وجود دارد. به نظر مى رسد كه نظريه تار بتواند ما را براى يافتن پاسخ اين پرسش كه چرا برهمكنش با ميدان هيگز در خانواده هاى گوناگون مختلف است، راهنمايى كند. در نظريه تار هم خانواده هاى تكرارى مى تواند وجود داشته باشد كه با يكديگر يكسان نباشند. تفاوت آنها به وسيله خواصى توصيف شده است كه تحت تاثير نيروهاى قوى، ضعيف، الكترومغناطيس يا گرانشى نيست بلكه از برهمكنش با ميدان هيگز تاثير مى گيرد و با سه خانواده موجود كه جرم هاى متفاوتى دارند سازگار است. اگرچه نظريه پردازان تار تاكنون نتوانسته اند مسئله وجود سه خانواده ذرات را حل كنند، اما به نظر مى رسد اين نظريه چنان ساختار مناسبى داشته باشد كه بتواند پاسخ آن را فراهم آورد. نظريه تار ساختارهاى خانوادگى متفاوتى را مجاز مى شمارد، اما هنوز كسى نمى داند كه چرا طبيعت همانى را كه مشاهده مى كنيم برمى گزيند و نه ساختارهاى ديگر را. داده ها در مورد جرم كوارك و لپتون و جرم ابرهمزاد آنها مى تواند سرنخ هاى مهمى به ما بدهد و چيزهاى زياد در مورد نظريه  تار به ما بياموزاند.

اكنون مى توان دريافت چرا به لحاظ تاريخى شروع كار براى درك جسم اين قدر به درازا كشيد. بدون وجود مدل استاندارد فيزيك ذرات و گسترش نظريه ميدان كوانتوم براى توصيف ذرات و برهمكنش هاى آنان فيزيكدانان حتى نمى توانستند پرسش هاى صحيحى را مطرح كنند. هر چند منشأ و مقدار جرم را هنوز به طور كامل درك نكرده ايم، اما به نظر مى رسد كه چارچوب لازم براى درك آنها در دسترس باشد. مفهوم جرم را نمى شد پيش از ارائه نظريه هايى همچون مدل استاندارد و بسط ابرتقارنى آن و نظريه تار درك كرد. اينكه اين نظريه ها حقيقتاً بتوانند پاسخ كامل براى اين پرسش فراهم آورند، هنوز روشن نيست؛ اما روشن است كه امروزه موضوع جرم به يك موضوع پژوهشى معمول در حوزه فيزيك ذرات تبديل شده است.
Scientific American,Jul.2005

 

 

 

دانشنامه شرق

 

 

عنوان مطالب

2 - انواع برهم كنش ها

 تشكيل جرم

1 - رنگ ها و طعم ها

نگاهى به مدل استاندارد ذرات بنيادى

4 - پادماده كيهانى

سفير پادجهان ها يا ميراث برخوردها

3 - كشف كوارك سر

يافتن ششمين كوارك

6 - مدل استاندارد

 سه نيرو از چهار نيروى را توضيح مى دهد

5 - ابرتصادم گر هادرونى

شتاب دهنده  با انرژى و پيچيدگى بى نظير

8 -  ادامه  ذرات بنيادى

آزمايشگاه هاى چرخان

7 -  آن سوى مدل استاندارد

سپيده دم فيزيك

10 - سنت شكنان

واژگون كردن غول

نه - در جست وجوى نقض نسبيت     

در جست وجوى نقض اصول فيزيكى

   


 

 

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

آخرین مقالات


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LEIBNITZ'S MONADS & JAVADI'S CPH

General Science Journal

World Science Database

Hadronic Journal

National Research Council Canada

Journal of Nuclear and Particle Physics

Scientific Journal of Pure and Applied Science

Sub quantum space and interactions from photon to fermions and bosons

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آرشیو موضوعی

اختر فیزیک

اجتماعی

الکترومغناطیس

بوزونها

ترمودینامیک

ذرات زیر اتمی

زندگی نامه ها

کامپیوتر و اینترنت

فیزیک عمومی

فیزیک کلاسیک

فلسفه فیزیک

مکانیک کوانتوم

فناوری نانو

نسبیت

ریسمانها

سی پی اچ

 فیزیک از آغاز تا امروز

زندگی نامه

از آغاز کودکی به پدیده های فیزیکی و قوانین حاکم بر جهان هستی کنجکاو بودم. از همان زمان دو کمیت زمان و انرژی بیش از همه برایم مبهم بود. می خواستم بدانم ماهیت زمان چیست و ماهیت انرژی چیست؟


 

 

free hit counters

Copyright 2013 CPH Theory

Last modified 12/22/2013