کوارک‌ها؛ بلوک‌های سازنده همه مواد

پروتون‌ها (Protons) و نوترون‌ها (Neutrons)، ذراتی که هسته اتم‌ها را تشکیل می‌دهند، ممکن است بسیار کوچک به نظر برسند. اما دانشمندان می‌گویند که این ذرات زیراتمی خود از ذراتی کوچکتر به نام کوارک‌ها (Quarks) تشکیل شده‌اند.

جافری وست (Geoffrey West) توضیح می‌دهد: “خلاصه‌ترین راه برای بیان آن این است که کوارک‌ها، اجزای بنیادی ماده هستند، یعنی تمام چیزهایی که در اطراف ما وجود دارند.” او یک فیزیکدان نظری است که گروه فیزیک انرژی بالا را در آزمایشگاه ملی لس آلاموس (Los Alamos) تأسیس کرد و اکنون استاد ممتاز شانون (Shannan) در مؤسسه سانتافه (Santa Fe) است. (او همچنین نویسنده کتاب پرفروش “مقیاس (Scale)” در سال ۲۰۱۷ است، درباره اینکه چگونه قوانین ریاضی حاکم بر ساختار و رشد جهان فیزیکی، در مورد زندگی بیولوژیکی و جامعه بشری نیز اعمال می‌شوند.)

همانطور که تاکاشی کوبوتا (Takaski Kubota)، فیزیکدان ذرات دانشگاه ملبورن (Melbourne)، در نشریه “The Conversation” توضیح داده است، کوارک‌ها مانند الکترون‌ها و سایر لپتون‌ها (Leptons)، به نظر نمی‌رسد که ساختاری داشته باشند و به نظر می‌رسد که تقسیم‌ناپذیر باشند.

کوارک‌ها آنقدر کوچک هستند که بیان اندازه تخمینی آنها حتی گیج‌کننده است. جان باترورث (Jon Butterworth)، استاد فیزیک دانشگاه کالج لندن، توضیح داد که شعاع یک کوارک تقریباً ۲۰۰۰ بار کوچکتر از شعاع یک پروتون است، که به نوبه خود ۲٫۴ تریلیون بار کوچکتر از یک دانه شن است.

پیشنهاد اولیه وجود کوارک‌ها در سال ۱۹۶۴

وجود کوارک‌ها برای اولین بار در سال ۱۹۶۴ توسط موری گل-مان (Murray Gell-Mann)، فیزیکدان نظری مؤسسه فناوری کالیفرنیا (California)، یکی از چهره‌های کلیدی در توسعه مدل استاندارد فیزیک ذرات، پیشنهاد شد. گل-مان، برنده جایزه نوبل فیزیک ۱۹۶۹، دریافت که توضیح خواص پروتون‌ها و نوترون‌ها مستلزم این است که آنها از ذرات کوچکتر ساخته شده باشند. در همان زمان، فیزیکدان دیگری از CalTech، به نام جورج زویگ (Georg Zweig) نیز به طور مستقل به این ایده رسید.

وجود کوارک‌ها توسط آزمایش‌هایی که از سال ۱۹۶۷ تا ۱۹۷۳ در مرکز شتاب‌دهنده خطی استنفورد (Stanford Linear Accelerator Center) انجام شد، تأیید شد.

همانطور که وست (West)‌ توضیح می‌دهد، یکی از نکات عجیب در مورد کوارک‌ها این است که می‌توان آنها را مشاهده کرد، اما نمی‌توان آنها را جدا کرد. او می‌گوید: “یک تفاوت ظریف وجود دارد. آنها مانند الکترون‌ها هستند، به این معنا که الکترون‌ها بنیادی هستند، اما در مورد الکترون‌ها می‌توانیم آنها را مشاهده و همچنین جدا کنیم. شما می‌توانید به یک الکترون اشاره کنید. در مورد کوارک‌ها، شما نمی‌توانید یکی را از هسته خارج کنید و روی میز بگذارید و آن را بررسی کنید.”

در عوض، دانشمندان با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات غول‌پیکر، سرعت الکترون‌ها را افزایش می‌دهند و از آنها برای کاوش در عمق هسته استفاده می‌کنند. اگر آنها به اندازه کافی در داخل هسته نفوذ کنند، الکترون‌ها کوارک‌ها را پراکنده (جدا) می‌کنند، که می‌توان با استفاده از آشکارسازهای بسیار پیچیده آن‌ها را اندازه‌گیری کرد. وست می‌گوید: “ما آنچه را که در هدف وجود دارد، که پروتون‌ها و نوترون‌ها از آن ساخته شده‌اند، بازسازی می‌کنیم. شما این اجسام نقطه‌ای کوچک را می‌بینید که ما آنها را به عنوان کوارک شناسایی می‌کنیم.”

شش نوع کوارک وجود دارد

ذرات کوارک نسبت به پروتون‌هایی که تشکیل می‌دهند، دارای بار کسری هستند. شش نوع کوارک بر اساس جرم وجود دارد، و این ذرات همچنین دارای کیفیتی به نام رنگ (color) هستند، که روشی برای توصیف نحوه کنار هم نگه‌داشتن آن‌ها توسط نیروی قوی است. رنگ توسط گلوئون‌ها (Gluons) حمل می‌شود — نوعی پیام‌رسان برای نیروی قوی که کوارک‌ها را به هم متصل می‌کند (آن‌ها مشابه فوتون‌ها هستند).

تیمی از فیزیکدانان دانشگاه کانزاس (Kansas) قصد دارند از دستگاهی که در برخورددهنده بزرگ هادرونی (Hadron) نصب شده است، یک شتاب‌دهنده ذرات عظیم‌الجثه که در تونلی به طول ۱۷ مایل (۲۷ کیلومتر) بین فرانسه و سوئیس واقع شده است، برای بررسی برهم‌کنش قوی بین کوارک‌ها و گلوئون‌ها استفاده کنند.

کریستف رویون (Christophe Royon)، استاد فیزیک دانشگاه کانزاس که رهبری این تحقیق را بر عهده دارد، در ایمیلی توضیح می‌دهد: «ایده این است که درک بهتری از پروتون و ساختار یون سنگین — مانند سرب به عنوان مثال — به دست آوریم و پدیده جدیدی به نام اشباع (saturation) را مطالعه کنیم. هنگامی که دو پروتون یا دو یون با انرژی بسیار بالا با هم برخورد می‌کنند، ما نسبت به زیرساختار آن‌ها — کوارک‌ها و گلوئون‌ها — حساس هستیم و می‌توانیم منطقه‌ای را بررسی کنیم که در آن چگالی گلوئون‌ها بسیار زیاد می‌شود.»

رویون ادامه می‌دهد: «یک قیاس می‌تواند متروی نیویورک در ساعات اوج مصرف باشد که مترو کاملاً مملو است. در این صورت، گلوئون‌ها به عنوان موجودیت‌های منفرد عمل نمی‌کنند، بلکه می‌توانند رفتار جمعی از خود نشان دهند، درست مانند یک متروی شلوغ، اگر کسی بیفتد، همه آن را احساس می‌کنند زیرا مردم خیلی به هم نزدیک هستند. در یک نقطه معین، پروتون‌ها یا یون سنگین می‌توانند مانند یک جسم جامد، مانند یک شیشه، به نام میعان شیشه رنگی (Golor glass condensate) عمل کنند. این همان چیزی است که ما می‌خواهیم در LHC و همچنین در برخورددهنده الکترون-یون آینده در ایالات متحده ببینیم.»

رویون می‌گوید که یافتن مدرکی دال بر وجود این ماده گلوئونی متراکم، به یکی از بزرگترین سوالات بی‌پاسخ در مورد کوارک‌ها پاسخ خواهد داد. او می‌گوید: «این یک حالت جدید از ماده است. برخی از نشانه‌ها قبلاً در برخورددهنده یون سنگین نسبیتی یا برخورددهنده بزرگ هادرونی ظاهر شده‌اند، اما هنوز هیچ چیز قطعی نیست. این یک کشف مهم خواهد بود، و هم برخورددهنده بزرگ هادرونی و هم برخورددهنده الکترون-یون ماشین‌های ایده‌آلی برای دیدن این موضوع هستند.»

دانشمندان همچنین تعجب می‌کنند که آیا ممکن است چیزی حتی کوچکتر از یک کوارک وجود داشته باشد. وست می‌گوید: «این سوال را مطرح می‌کند که آیا سطح دیگری هم وجود دارد؟ ما پاسخ این سوال را نمی‌دانیم.»

حالا این جالب است

گل-مان نام این ذره را از رمان تجربی جیمز جویس (James Joyce) در سال ۱۹۳۹ با عنوان «Finnegans Wake» گرفته است، که شامل این سطر است: «سه کوارک برای مستر مارک!» (Three quarks for Muster Mark)

سؤالات متداول

 ۷ کوارک کدامند؟

بالا (Up)، پایین (Down)، شگفت‌انگیز (Strange)، افسون (Charm)، سر (Top)، ته (Bottom)، و داک (Doc).

نویسنده: Patrick J. Kiger

مترجم: فؤاد پورفائز

منبع: howstuffworks.com