فیزیک ذرات

فیزیک ذرات شاخه‌ای از فیزیک یا فیزیک است که به مطالعه ذرات زیراتمی می‌پردازد که همه مواد و تشعشعات را تشکیل می‌دهند . فعل و انفعالات بین این ذرات نیز موضوع تحقیق است. این رشته را فیزیک پرانرژی نیز می‌نامند ، زیرا بسیاری از ذرات مورد مطالعه، مانند مزون‌ها و نوترون‌های آزاد ، در شرایط عادی خارج از هسته‌های اتمی در طبیعت در حالت آزاد و غیر محدود وجود ندارند . این ذرات را می توان در آزمایشگاه پس از برخورد با انرژی بالا با ذرات دیگر تولید و شناسایی کرد. این تحقیق در شتاب دهنده های ذرات مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در مرز فرانسه و سوئیس انجام می شود .

ذرات زیراتمی

فیزیک ذرات مدرن با ذرات درون یک اتم سر و کار دارد که ساختار کمتری نسبت به خود اتم دارند. به عنوان مثال، اینها ذراتی هستند که یک اتم را می سازند، مانند الکترون ها ، پروتون ها و نوترون ها . دو مورد آخر ذراتی هستند که از کوارک ها تشکیل شده اند . سایر ذرات مورد مطالعه از تابش و فرآیندهای پراکندگی مانند فوتون ها ، نوترینوها و میون ها می آیند . خارج از این، هنوز تعداد زیادی ذرات عجیب و غریب وجود دارد.

اصطلاح ذره در واقع یک کلمه اشتباه است. اجسام مورد مطالعه فیزیک ذرات مطابق قوانین مکانیک کوانتومی رفتار می کنند و بنابراین دوگانگی را نشان می دهند. در برخی آزمایشات آنها مانند امواج رفتار می کنند، اما در برخی دیگر مانند ذرات (توپ های کوچک بیلیارد) رفتار می کنند. با این حال، طبق توصیفات نظری، آنها نه ذره هستند و نه امواج، بلکه صرفاً یک فرمول ریاضی از یک حالت کوانتومی در فضای هیلبرت انتزاعی هستند . در ادامه در مورد ذرات صحبت خواهیم کرد، اما باید در نظر داشت که این ذرات می توانند یک کاراکتر موج را نیز نشان دهند.

مدل استاندارد

همه ذرات رصد شده تا به امروز در مدل استاندارد جایگاهی دارند که اغلب به عنوان بهترین عملکرد فیزیک ذرات ارزیابی می شود. این مدل دارای 47 نوع ذرات بنیادی است. برخی از آنها می توانند با یکدیگر ترکیب شوند و ذرات مرکب را تشکیل دهند. اینها صدها نوع ذره دیگر کشف شده از دهه 1960 را توضیح می دهند. به نظر می رسد مدل استاندارد تقریباً با تمام آزمایشاتی که انجام شده است سازگار است. با این حال، اکثر فیزیکدانان ذرات بر این باورند که این مدل توصیف ناقصی از طبیعت است و نظریه‌ای بنیادی‌تر هنوز در انتظار کشف است. اخیراً، اندازه گیری جرم نوترینو اولین انحرافات را از مدل استاندارد نشان داده است.

مدل استاندارد نیروهای قوی ، ضعیف و الکترومغناطیسی را توصیف می کند که در آن نیروها از طریق بوزون ها منتقل می شوند . بوزون های مورد بحث فوتون ، گلوئون ، بوزون Z و بوزون W هستند . این مدل همچنین دارای 2 × 12 = 24 ذره فرمیون اساسی است : سه نسل کوارک و لپتون و پادذرات آنها که اجزای تشکیل دهنده همه مواد هستند. در نهایت، این مدل بوزون هیگز را که در سال 2012 مشاهده شد، توصیف می کند.

تاریخچه فیزیک ذرات

این ایده که ماده از ذرات بنیادی تشکیل شده است به قرن ششم قبل از میلاد برمی گردد. اتمیسم توسط فیلسوفان هلنیستی مانند لوکیپوس ، دموکریتوس و اپیکور مورد مطالعه قرار گرفت . اگرچه اسحاق نیوتن نیز در قرن هفدهم فکر می کرد که ماده باید از ذرات تشکیل شده باشد، اما تا سال 1802 بود که جان دالتون رسماً اعلام کرد که همه مواد از اتم های کوچک تشکیل شده اند. اتم کلمه ای برگرفته از یونانی است که به معنای تقسیم ناپذیر است . بعدها مشخص شد که اتم ها از ذرات حتی کوچکتر تشکیل شده اند.

اولین جدول تناوبی که در سال 1869 توسط دیمیتری مندلیف تهیه شد ، به ایجاد ایده وجود اتم کمک کرد. جی جی تامسون تشخیص داد که اتم ها از الکترون های سبک و پروتون های سنگین تر تشکیل شده اند. ارنست رادرفورد تشخیص داد که پروتون ها در یک هسته اتمی فشرده قرار دارند . در ابتدا تصور می شد که این هسته از پروتون ها و الکترون های به دام افتاده تشکیل شده است. این نظریه برای توضیح تفاوت بین بار هسته ای و عدد جرمی اتمی ضروری بود . با این حال، بعدها مشخص شد که هسته اتم از پروتون ها و ذرات خنثی الکتریکی، نوترون ها تشکیل شده است .

مطالعات فیزیک هسته ای اکتشافی در قرن بیستم نشان داد که تغییر شکل عناصر ممکن است، از جمله از طریق شکافت هسته ای و همجوشی هسته ای ، که یادآور ایده آل کیمیاگری برای ساخت طلا از سرب است. این فیزیک در نهایت منجر به تولید سلاح‌های هسته‌ای و راکتورهای هسته‌ای و همچنین تولید رادیوایزوتوپ‌ها با استفاده از راکتورهای هسته‌ای یا شتاب‌دهنده‌های ذرات شد.

در دهه‌های 1950 و 1960، تعداد زیادی ذرات در آزمایش‌های برخورد یافت شد. این باغ‌وحش ذرات با فرمول‌بندی مدل استاندارد در دهه 1970 مهار شد، که به‌ویژه توضیح انبوه هادرون‌ها را با مشاهده آن‌ها به‌عنوان ذرات متشکل از کوارک‌ها ممکن کرد .

فیزیک ذرات تجربی

تحقیقات زیادی در زمینه فیزیک ذرات در یک آزمایشگاه ساده و در مقیاس کوچک امکان پذیر نیست. سازمان‌های بین‌المللی بزرگی راه‌اندازی شده‌اند که در آنها محققان با یکدیگر همکاری می‌کنند و از ماشین‌های ارزشمند استفاده می‌کنند. مهمترین آنها عبارتند از:

• سرن ، در مرز فرانسه و سوئیس در نزدیکی ژنو . تاسیسات اصلی عبارتند از LEP (برخورد دهنده بزرگ الکترون پوزیترون که در آن الکترون ها و پوزیترون ها به یکدیگر شلیک می شوند، که اکنون از بین رفته است) و برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) که در آن پروتون ها شلیک می شوند.
• DESY در هامبورگ ، آلمان. این موسسه حاوی HERA است که در آن الکترون ها یا پوزیترون ها علیه پروتون ها شلیک می شوند.
• SLAC در نزدیکی پالو آلتو. این جایی است که PEP-II قرار دارد، جایی که الکترون ها و پوزیترون ها با هم برخورد می کنند.
• فرمیلاب در نزدیکی شیکاگو اینجا Tevatron است که در آن پروتون ها و آنتی پروتون ها به یکدیگر پرواز می کنند.
• آزمایشگاه ملی بروکهاون در لانگ آیلند در ایالات متحده اینجاست که برخورد دهنده یون سنگین نسبیتی قرار دارد، جایی که یون های سنگین مانند طلا با پروتون ها برخورد می کنند.
• موسسه فیزیک هسته ای هت بادکر در نووسیبیرسک در روسلند
• سازمان تحقیقات شتاب دهنده انرژی بالا ژاپن در تسوکوبا . در اینجا یک آزمایش K2K بر روی نوسان نوترینوها و آزمایشی به نام Belle انجام می شود که عدم تقارن B- مزون را تعیین می کند .

فیزیک ذرات نظری

علاوه بر فیزیک ذرات تجربی، تحقیقات نظری نیز انجام می شود. هدف توسعه ابزارهای نظری و ریاضی است که با آن می توان پدیده های فیزیکی را توصیف کرد.

تا حدی به دلیل موفقیت بزرگ مدل استاندارد (و در نتیجه «فقدان» نتایج تجربی غیرقابل توضیح)، می توان بین فیزیکدانان ذرات نظری تقسیم بندی کرد. از یک سو، نظریه پردازانی هستند که به مدل ها و نظریه های فرضی می پردازند که نظریه ریسمان یکی از مشهورترین آنهاست. برای آنها، هدف از درک آزمایش های فعلی ثانویه است، و تحقیقات زیادی در این راستا هنوز به پیش بینی های قابل آزمایش مشخص منجر نشده است.

دیگران به توسعه توصیفی از نتایج تجربی توجه دارند. به اینها پدیدارشناسان یا سازندگان مدل می گویند . آنها گاهی از نظریه ریسمان الهام می گیرند، اما مهمترین فرمول های ریاضی آنها در نظریه میدان موثر یافت می شود . آن‌ها، در میان چیزهای دیگر، توسعه‌های (فرضی) مدل استاندارد (مانند ابرتقارن ، مدل راندال-ساندروم و مدل‌های دیگر با ابعاد چندگانه) یا پیامدهای تجربی بخش‌های پذیرفته‌شده مدل استاندارد، مانند مکانیسم هیگز یا پراکندگی غیرکشسان عمیق لپتون ها روی هادرون ها

آینده فیزیک ذرات

فیزیکدانان ذرات در سطح بین المللی بر سر مهم ترین اهداف تحقیقات آینده در فیزیک اتفاق نظر دارند. اول از همه، مردم مشتاقانه منتظر جستجوی بوزون هیگز و ذرات فوق متقارن در LHC هستند. یک هدف میانی ساخت برخورد دهنده خطی بین المللی (ILC) است. در آگوست 2004 تصمیمی در مورد فناوری مورد استفاده در این ابزار گرفته شد، اما هنوز توافقی در مورد مکان وجود ندارد. ILC باید مکمل LHC باشد. در حالی که LHC عمدتاً باید ذرات جدید را کشف کند، از ILC می توان برای تعیین خواص دقیق آن ذرات استفاده کرد.

اهداف مهم دیگر در فیزیک ذرات، تعیین جرم نوترینو و بینش روشنگر در مورد واپاشی بتا نوترون است. با این حال، این اندازه‌گیری‌ها به آزمایش‌های برخورد بزرگ نیاز ندارند.