مدل استاندارد (ذرات بنیادی)

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
مدل استاندارد (ذرات بنیادی)

مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی، نام نظریه‌ای مربوط به نیروهای الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف و همچنین طبقه‌بندی ذرات زیراتمی شناخته‌شده است. این مدل در نیمه دوم قرن بیستم در نتیجه تلاش‌های مشارکت‌آمیز دانشمندان در عرصه جهانی شکل گرفت. [۱] فرمول‌بندی کنونی آن در اواسط دهه ۱۹۷۰ پس از تایید تجربی وجود کوارک، نهایی شد. از آن زمان تا کنون کشف کوارک سر(۱۹۹۵)، تاو نوترینو (۲۰۰۰) و به تازگی، بوزون هیگز(۲۰۱۳) بر اعتبار این مدل افزوده‌اند. به دلیل توانایی آن در توضیح نتایج تجربی، از مدل استاندارد گاهی با نام نظریه تقریبا همه‌چیز یاد می‌شود.

اگرچه این باور وجود دارد که مدل استاندارد از لحاظ نظری خود-سازگار است [۲] و موفقیت زیاد و پیوسته‌ای در ارائه پیش‌فرض‌های تجربی داشته‌است، هنوز از توضیح برخی از پدیده‌های فیزیکی بازمانده‌است و همچنین نظریه جامعی برای توصیف برهمکنشهای بنیادی نیست زیرا نظریه کاملی برای گرانش آن طور که توسط نسبیت عام بیان شده، نیست [۳] و همچنین از توضیح انبساط شتابدار جهان ناتوان است. مدل شامل هیچ ذره قابل قبولی برای ماده تاریک که با ویژگیهای منتج از مشاهدات کیهان‌شناسی تجربی سازگار باشد، نیست. این مدل همچنین نوسان نوترینو ( و جرم‌های غیر صفرشان) را شامل نمی‌شود. بر اساس مدل استاندارد (ذرات بنیادی) ماده از ۶۱ ذره تشکیل شده که این ذرات در سه دسته قرار می‌گیرند:

مدل استاندارد برهمکنشهای قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف بنیادی را با بکارگیری نظریه میدانهای کوانتومی بیان می‌کند. نظریه پیمانه‌ای آن بر پایهٔ تقارن موضعی گروه هایSU(3)C* SU(2)L *U(1)Y می‌باشد. C نشان دهندهٔ رنگ، L کایرالیتی چپگرد و Y فوق بار ضعیف است.

تاریخچه[ویرایش]

نخستین گام به سوی مدل استاندارد، کشف شلدون گلاشو در سال ۱۹۶۱ بود که راهی برای ترکیب الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف یافت. [۴] در سال ۱۹۶۷ استیون واینبرگ [۵] و عبدالسلام [۶] سازوکار هیگز را به نظریه الکتروضعیف گلاشو افرودند [۷][۸][۹] و شکل امروزی آن را پدیدآوردند.

چنین پنداشته می‌شود که سازوکار هیگز به همه ذرات بنیادی مدل استاندارد جرم می‌بخشد. این موضوع جرم بوزون‌های دبلیو و زد و همچنین جرم فرمیون‌ها یعنی کوارک‌ها و لپتون‌ها را نیز شامل می‌شود.

پس از کشف جریان خنثای ناشی از تبادل بوزون زد در سرن در سال ۱۹۷۳، [۱۰][۱۱][۱۲][۱۳] نظریه الکتروضعیف مورد پذیرش همگانی قرار گرفت و واینبرگ، عبدالسلام و گلاشو جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۷۹ را برای این کشف به طور مشترک به خود اختصاص دادند. بوزون‌های دبلیو و زد در سال ۱۹۸۱ به شکل تجربی کشف شدند و مشاهده شد که جرمشان با مقدار پیش‌بینی شده در مدل استاندارد مطابقت داشت.

نظریه برهمکنش هسته‌ای قوی که بسیاری در آن مشارکت داشتند، شکل امروزی خود را در حدود سالهای ۷۴-۱۹۷۳ یافت، یعنی زمانی که آزمایش‌ها تایید نمودند که هادرون‌ها از کوارک‌های با بار کسری تشکیل‌شده‌اند.

پیش‌زمینه[ویرایش]

در حال حاضر، بهترین راه فهمیدن ماده و انرژی، از طریق سینماتیک وبرهمکنشهای ذرات بنیادی است. تا به امروز فیزیک قوانین حاکم بر برهمکنش‌های میان تمام شکل‌های شناخته‌شده ماده و انرژی را به مجموعه کوچکی از نظریه‌ها و قوانین بنیادی کاهش‌ داده‌است. یکی از اهداف اصلی دانش فیزیک این است که زمینه مشترکی بیابد تا بتوان تمام این نظریه‌ها را در قالب یک نظریه همه‌چیز یکپارچه سازد، به گونه‌ای که همه قوانین شناخته‌شده دیگر حالت خاصی از آن باشند. [۱۴]

ذرات موجود در مدل[ویرایش]

مدل استاندارد اعضای از دسته‌های مختلف ذرات بنیادی (فرمیون‌ها، بوزون‌های پیمانه‌ای و بوزون هیگز) را شامل می‌شود که به نوبه خود توسط ویژگیهای دیگری مانند بار رنگ از هم تمایز پیدا می‌کنند.

فرمیون‌ها[ویرایش]

خلاصه برهم‌کنش‌های میان ذرات بر اساس مدل استاندارد.

مدل استاندارد شامل ۱۲ ذره بنیادی با اسپین ½ می‌شود که فرمیون نام دارند. بر اساس قضیه اسپین-آمار، فرمیون‌ها از اصل طرد پاولی پیروی می‌کنند. هر فرمیون یک پادذره متناظر دارد.

فرمیون‌های مدل استاندارد بر اساس چگونگی برهمکنش آنها ( یا بارهایی که حمل می‌کنند) طبقه‌بندی می‌شوند. فرمیون‌ها شامل شش نوع کوارک (بالا، پایین، افسون، شگفت، سر، ته) و شش نوع لپتون (الکترون، الکترون نوترینو، میون، میون نوترینو، تاو، تاو نوترینو) می‌شوند. در هر رده ذرات به صورت دو به دو جفت می‌شوند و تشکیل یک نسل را می‌دهند که ذرات آنها رفتار فیزیکی متشابهی از خود نشان می‌دهند.

ویژگی تعریف‌کننده کوارک این است که دارای بار رنگ می‌باشد و به همین دلیل در برهمکنش هسته‌ای قوی شرکت می‌کند. پدیده‌ای به نام حبس رنگ سبب می‌شود که کوارک‌ها تمایل زیادی به ایجاد پیوندهای قوی با یکدیگر و تشکیل ترکیب‌های از نظر رنگی، خنثی (هادرون) می‌شود که یا از یک کوارک و پادکوارک (مزون) و یا از سه کوارک (باریون) تشکیل شده‌اند. ذرات شناخته‌شده پروتون و نوترون، دو باریون با کوچکترین جرم ممکن هستند. کوارک‌ها همچنین حامل بار الکتریکی و ایزواسپین ضعیف هستند. به همین دلیل با سایر فرمیون‌ها هم از طریق الکترومغناطیس و هم نیروی هسته‌ای ضعیف، برهم‌کنش دارند.

شش فرمیون باقی‌مانده دارای بار رنگ نیستند و لپتون نامیده می‌شوند. هر سه نوع نوترینو فاقد بار الکتریکی نیز هستند و از این رو حرکت آنها تنها تحت تاثیر نیروی هسته‌ای ضعیف قرار می‌گیرد و آشکارسازی آنها بسیار دشوار است؛ اما الکترون، میون و تاو به دلیل داشتن بار الکتریکی از طریق الکترومغناطیس نیز برهم‌کنش دارند.

هریک از اعضای یک نسل از ذره متناظر خود در نسل قبلی جرم بزرگتری دارد. نسل نخست ذرات باردار دچار واپاشی نمی‌شوند؛ به همین دلیل ماده معمولی (باریونی) از چنین ذراتی تشکیل شده‌است. تمام اتم‌هایی که از الکترون‌هایی تشکیل شده‌اند که به دور هسته اتم می‌گردند، در نهایت از کوارک‌های بالا و پایین تشکیل می‌شوند. نسل‌های دوم و سوم ذرات باردار نیمه‌عمرهای بسیار کوتاه دارند و به سرعت واپاشی می‌شوند و تنها در محیط‌های بسیار پرانرژی یافت می‌شوند. هیچ یک از نسل‌های نوترینو‌ها واپاشی نمی‌شوند و جهان را دربرگرفته‌اند اما به ندرت با ماده باریونی برهمکنش دارند.

بوزون‌های پیمانه‌ای[ویرایش]

برهمکنش‌های این شکل، بنیان مدل استاندارد را تشکیل می‌دهند. نمودار‌های فاینمن در مدل استاندارد از این راس‌ها ساخته می‌شوند. تغییرات مربوط به درنظرگرفتن بوزون هیگز و نوسان نوترینو‌ از آن حذف شده‌اند. بار بوزون‌های دبلیو توسط فرمیونی که با آن برهمکنش دارند تعیین می‌شود؛ شکل مزدوج هر یک از راس های لیست شده (یعنی وارونگی جهت پیکان‌ها) نیز مجاز است.

در مدل استاندارد، بوزون‌های پیمانه‌ای به عنوان حامل نیروهای بنیادی الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف تعریف می‌شوند.

در فیزیک، برهمکنش‌ها راه‌هایی هستند که ذرات روی یکدیگر تاثیر می‌کذارند. در مقیاس ماکروسکوپی، الکترومغناطیس از طریق میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی امکان برهم‌کنش را فراهم می‌کند و گرانش سبب می‌شود که ذرات جرم‌دار بر اساس نظریه نسبیت عام با یکدیگر برهم‌کنش انجام دهند. مدل استاندارد این برهم‌کنش‌ها(نیروها) را به شکل تبادل نوعی از ذرات با نام ذرات واسطه، بین ذرات مادی توصیف می‌کند. وقتی یک ذره واسطه نیرو میان دو ذره دیگر تبادل می‌شود در مقایس ماکروسکوپی به نظر می‌رسد که نیرویی روی هردو ذره تاثیر می‌گذارد و از این رو گفته می‌شود که ذره حامل، واسطه تاثیر نیرو شده‌است. محاسبات مربوط به نمودار فاینمن که تقریبی گرافیکی از نظریه اغتشاش هستند، از مفهوم ذرات واسط نیرو بهره می‌برند و نتایج کاربرد آنها در تحلیل آزمایشهای پخش پرانرژی، همخوانی قابل قبولی با داده‌ها دارد. هرچند که نظریه اغتشاش (و به همراه آن مفهوم ذره واسط نیرو) در شرایط دیگری با شکست روبه‌رو می‌شوند. از جمله این شرایط می‌توان به کرومودینامیک کوانتومی کم‌انرژی، حالت ثابت و سالیتون اشاره نمود.

بوزون‌های پیمانه‌ای مدل استاندارد همه دارای اسپین هستند. از آنجا که بوزون هستند، مقدار اسپین آنها ۱ است. به همین دلیل آنها، برخلاف فرمیون‌ها از اصل طرد پاولی پیروی نمی‌کنند: به همین دلیل هیچ حد نظری برای چگالی فضایی بوزون‌ها(تعداد در حجم) وجود ندارد. انواع مختلف بوزون‌های پیمانه‌ای در زیر توضیح داده شده‌اند.

  • بوزون‌های پیمانه‌ای W+
    ، W
    و Z
    که واسط نیروی هسته‌ای ضعیف بین ذراتی با مزه متفاوت‌اند (همه کوارک‌ها و لپتون‌ها). این ذرات دارای جرم هستند و جرم Z از W±
    بیشتر است. برهمکنشهای ضعیفی که از طریق بوزون‌های W±
    انجام می‌شوند، منحصرا برروی ذرات چپ‌دست و پادذرات راست‌دست عمل می‌کنند. علاوه براین یک بوزون W±
    دارای بار الکتریکی ۱+ یا ۱- است و از این طریق به برهمکنش الکترومغناطیس مرتبط می‌شود. بوزون‌های Z بدون بار الکتریکی با هردوی ذرات چپ‌دست و پادذرات راست‌دست برهمکنش دارند. ابن سه بوزون پیمانه‌ای به همراه فوتون‌ها در یک گروه قرار می‌گیرند، زیرا در کنار هم واسطه برهمکنش الکتروضعیف هستند.
  • هشت گلوئون، که واسطه برهمکنش هسته‌ای قوی میان ذرات دارای بار رنگ (کوارک‌ها) هستند. گلوئون‌ها بدون جرم هستند. گلوئون‌های هشت‌گانه توسط ترکیبی از بار رنگ و بار پادرنگ مشخص می‌شوند‌(مثلا قرمز-پادسبز). از آنجا که گلوئون‌ها خود نیز دارای بار رنگ مؤثر هستند، می‌توانند بین خودشان نیز برهمکنش داشته باشند.گلوئون‌ها و برهم‌کنش‌های انها توسط نظریه کرومودینامیک کوانتومی توصیف می‌شوند.

بوزون هیگز[ویرایش]

نوشتار اصلی: بوزون هیگز

بوزون هیگز یک ذره جرم‌دار نرده‌ای بنیادی است که نظریه مربوط به وجود آن توسط رابرت بروت، فرانسوا انگلرت، پیتر هیگز، جرالد گورالنیک، سی آر هیگن، و تام کیبل در سال ۱۹۶۴ مطرح شد و از بنیان‌های کلیدی مدل استاندارد است. [۷][۸][۹][۱۵] اسپین ذاتی ندارد و به همین دلیل در رده بوزون‌ها طبقه‌بندی می‌شود.

بوزون هیگز نقش منحصر بفردی در مدل استاندارد بازی می‌کند، زیرا توضیح می‌دهد که چرا همه ذرات بنیادی به جز فوتون‌ها و گلوئون‌ها دارای جرم هستند. به طور خاص، بوزون هیگز توضیح می‌دهد که چرا فوتون جرم ندارد اما بوزون‌های دبلیو و زد بسیار پرجرم هستند. جرم ذرات بنیادی و تفاوت میان الکترومغناطیس (که توسط فوتون‌ها جاری می‌شود) و نیروی هسته‌ای ضعیف (که توسط بوزون‌های دبلیو و زد جاری می‌شود) در ساختار میکروسکوپی (و در نتیجه ماکروسکوپی) ماده از بسیاری جهات اهمیت دارند. در نظریه الکتروضعیف، بوزون هیگز به لپتون‌ها و کوارک‌ها جرم می‌بخشد. از آنجا که بوزون هیگز دارای جرم است باید با خودش نیز برهمکنش داشته باشد.

از آنجا که بوزون هیگز ذره بسیار پرجرمی است و تقریبا بلافاصله پس از پیدایش، واپاشی می‌شود، تنها یک شتاب‌دهنده ذره‌ای بسیار پرانرژی می‌تواند آن را مشاهده و ثبت کند. آزمایشهای مربوط به تایید و تعیین ماهیت بوزون هیگز توسط برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سرن از اوایل سال ۲۰۱۰ آغاز شد و تا زمان پایان آن در اواخر ۲۰۱۱ در تواترون آزمایشگاه فرمی انجام می‌شد.

در ۴ جولای ۲۰۱۲، هر دو آزمایش اصلی LHC (آزمایش اطلس و سیم‌لوله فشرده میونی )، به طور مستقل گزارش دادند که که ذره جدیدی با جرمی‌ در حدود ۱۲۵ GeV/c2 (تقریبا ۱۳۳ برابر جرم پروتون) یافته‌اند که با بوزون هیگز همخوانی دارد. اگرچه ویژگیهای متعددی از آن شبیه به ساده‌ترین ذره هیگز پیش‌بینی‌شده می‌باشد، [۱۶] آنها پذیرفتند که کار بیشتری نیاز است تا بتوان نتیجه گرفت که این ذره واقعا بوزون هیگز است و دقیقا با کدام نسخه از بوزون هیگز مدل استاندارد همخوانی بیشتری دارد. [۱۷][۱۸][۱۹][۲۰][۲۱]

در ۱۴ مارس ۲۰۱۳، وجود بوزون هیگز با اندکی تردید، تایید شد.[۲۲]

شمار کلی ذرات[ویرایش]

ذرات بنیادی
انواع نسل ها پادذره رنگ‌ها کل
کوارکها ۲ ۳ جفت ۳ ۳۶
لپتونها جفت هیچ ۱۲
گلوئونها ۱ ۱ خود ۸ ۸
فوتون خود هیچ ۱
بوزون زد خود ۱
بوزون دبلیو جفت ۲
هیگز خود ۱
کل ذرات بنیادی شناخته‌شده: ۶۱

با متمایز شمردن ذرات از پادذرات متناظرشان و همچنین حالت‌های رنگی مختلف کوارک‌ها و گلوئون‌ها، در مجموع ۶۱ ذره بنیادی در مدل استاندارد وجود دارند. [۲۳]

نیروهای بنیادی[ویرایش]

نوشتار اصلی: نیروهای بنیادی

مدل استاندارد هر ۴ نیروی بنیادی طبیعت را دسته‌بندی می‌کند. در مدل استاندارد یک نیرو به شکل مبادله بوزون میان دو شی‌ء، مثلا مبادله فوتون در مورد نیروی الکترومغناطیس و یا گلوئون برای برهم‌کنش هسته‌ای قوی، تعریف می‌گردد. این ذرات را با نام حامل نیرو می‌شناسند. [۲۴]

چهار نیروی (برهم‌کنش) بنیادی طبیعت[۲۵]
ویژگی/برهمکنش گرانش ضعیف الکترومغناطیس قوی
(الکتروضعیف) بنیادی پس‌ماند
قابلیت تاثیر بر: جرم - انرژی مزه بارالکتریکی باررنگ هسته اتم
ذراتی که این نیرو را تجربه می‌کنند: همه کوارک‌ها، لپتون‌ها ذرات دارای بارالکتریکی کوارک‌ها، گلوئون‌ها هادرون‌ها
ذرات میانجی: گراویتون
(هنوز مشاهده نشده)
W+ W Z0 γ گلوئون‌ها مزون‌ها
قدرت در مقیاس کوارک: ۱۰−۴۱ ۱۰−۴ ۱ ۶۰ در مورد کوارک‌ها
کاربرد ندارد
قدرت در مقیاس
پروتون‌/نوترون‌:
۱۰−۳۶ ۱۰−۷ ۱ در مورد هادرون‌ها
کاربرد ندارد
۲۰

تعمیم مدل استاندارد[ویرایش]

اگر بخواهیم نیروی گرانشی را نیز در مدل استاندارد وارد کنیم یک ذره به نام گراویتون لازم داریم. این ذره تاکنون در آزمایشگاه مشاهده نشده‌است.

منابع[ویرایش]

  1. R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics (Kindle ed.). Penguin Group. p. 2. ISBN 0-13-236678-9. 
  2. In fact, there are mathematical issues regarding quantum field theories still under debate (see e.g. Landau pole), but the predictions extracted from the Standard Model by current methods applicable to current experiments are all self-consistent. For a further discussion see e.g. Chapter 25 of R. Mann (2010). An Introduction to Particle Physics and the Standard Model. CRC Press. ISBN 978-1-4200-8298-2. 
  3. Sean Carroll, Ph.D., Cal Tech, 2007, The Teaching Company, Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe, Guidebook Part 2 page 59, Accessed Oct. 7, 2013, "...Standard Model of Particle Physics: The modern theory of elementary particles and their interactions ... It does not, strictly speaking, include gravity, although it's often convenient to include gravitons among the known particles of nature..."
  4. S.L. Glashow (1961). "Partial-symmetries of weak interactions". Nuclear Physics 22 (4): 579–588. Bibcode:1961NucPh..22..579G. doi:10.1016/0029-5582(61)90469-2. 
  5. S. Weinberg (1967). "A Model of Leptons". Physical Review Letters 19 (21): 1264–1266. Bibcode:1967PhRvL..19.1264W. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264. 
  6. A. Salam (1968). N. Svartholm, ed. Elementary Particle Physics: Relativistic Groups and Analyticity. Eighth Nobel Symposium. Stockholm: Almquvist and Wiksell. p. 367. 
  7. ۷٫۰ ۷٫۱ F. Englert, R. Brout (1964). "Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons". Physical Review Letters 13 (9): 321–323. Bibcode:1964PhRvL..13..321E. doi:10.1103/PhysRevLett.13.321. 
  8. ۸٫۰ ۸٫۱ P.W. Higgs (1964). "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons". Physical Review Letters 13 (16): 508–509. Bibcode:1964PhRvL..13..508H. doi:10.1103/PhysRevLett.13.508. 
  9. ۹٫۰ ۹٫۱ G.S. Guralnik, C.R. Hagen, T.W.B. Kibble (1964). "Global Conservation Laws and Massless Particles". Physical Review Letters 13 (20): 585–587. Bibcode:1964PhRvL..13..585G. doi:10.1103/PhysRevLett.13.585. 
  10. F.J. Hasert (1973). "Search for elastic muon-neutrino electron scattering". Physics Letters B 46 (1): 121. Bibcode:1973PhLB...46..121H. doi:10.1016/0370-2693(73)90494-2. 
  11. F.J. Hasert (1973). "Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment". Physics Letters B 46 (1): 138. Bibcode:1973PhLB...46..138H. doi:10.1016/0370-2693(73)90499-1. 
  12. F.J. Hasert (1974). "Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment". Nuclear Physics B 73 (1): 1. Bibcode:1974NuPhB..73....1H. doi:10.1016/0550-3213(74)90038-8. 
  13. D. Haidt (4 October 2004). "The discovery of the weak neutral currents". CERN Courier. Retrieved 8 May 2008. 
  14. "Details can be worked out if the situation is simple enough for us to make an approximation, which is almost never, but often we can understand more or less what is happening." from درس‌های فیزیک فاینمن, Vol 1. pp. 2–7
  15. G.S. Guralnik (2009). "The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of the Theory of Spontaneous Symmetry Breaking and Gauge Particles". International Journal of Modern Physics A 24 (14): 2601–2627. arXiv:0907.3466. Bibcode:2009IJMPA..24.2601G. doi:10.1142/S0217751X09045431. 
  16. M. Strassler (10 July 2012). "Higgs Discovery: Is it a Higgs?". Retrieved 2013-08-06. 
  17. "CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson". CERN. 4 July 2012. Retrieved 2012-07-04. 
  18. "Observation of a New Particle with a Mass of 125 GeV". CERN. 4 July 2012. Retrieved 2012-07-05. 
  19. "ATLAS Experiment". ATLAS. 1 January 2006. Retrieved 2012-07-05. 
  20. "Confirmed: CERN discovers new particle likely to be the Higgs boson". یوتیوب. آرتی. 4 July 2012. Retrieved 2013-08-06. 
  21. D. Overbye (4 July 2012). "A New Particle Could Be Physics' Holy Grail". New York Times. Retrieved 2012-07-04. 
  22. "New results indicate that new particle is a Higgs boson". CERN. 14 March 2013. Retrieved 2013-08-06. 
  23. S. Braibant, G. Giacomelli, M. Spurio (2009). Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics. Springer. pp. 313–314. ISBN 978-94-007-2463-1. 
  24. http://home.web.cern.ch/about/physics/standard-model Official CERN website
  25. http://www.pha.jhu.edu/~dfehling/particle.gif