گردآورنده: شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

ادامه ذرات بنیادین و نیروهای طبیعت

در انرژی های معمولی نیروی هسته ای قوی براستی قوی است و موجب پیوستگی فشرده کوارکها بیکدیگر میگردد، اما آزمایش با شتابدهنده های ذره عظیم، نشان میدهد که در انرژیهای بالا نیروی هسته ای قوی، بسیار تضعیف می شود و کوارکها و گلوئونها کمابیش مثل ذرات آزاد رفتار می کنند. در ازمایشی، از برخورد بین یک پروتون و یک پادپروتون پرانرژی،چندین کوارک تقریباً آزاد تولید شد که مسیرهای مختلفی را پیمودند.
در پی موفقیت وحدت نیروهای الکترومغناطس و نیروهای هسته ای ضعیف، تلاش هایی برای یکپارچکی ایندو نیرو با نیروی هسته ای قوی و تدوین نظریه ای بنام تئوری بزرگ یکپارچه (GUT) به عمل آمد. این عنوان تا حدی اغراق آمیز است : نظریه های موجود در این زمینه نه آنقدرها بزرگند و نه کاملاً یکپارچه ،زیرا شامل نیروی گرانش نمی شوند. ضمناً آنها را نظریه ای کامل نمی توان دانست ،چرا که دارای تعدادی پارامتر میباشند که مقدارشان را از نظریه نمی توان پیش بینی نمود، بلکه باید بگونه ای انتخاب شوند که با تجربه جور در بیاید. با اینهمه این تئوریها شاید گامی به سوی نظریه ای کامل و کاملاً یکپارچه باشد. اندیشه بنیادین GUT ها از ینقرار است :همانطور که پیشتر گفتیم نیروی هسته ای قوی در انرژیهای بالا تضعیف می شود. از سوی دیگر، نیروهای الکترومغناطیس و هسته ای ضعیف که بطور مجانب آزاد نیستند، در انرژیهای بالا تقویت میشوند. در انرژی بسیار بالا و معینی، بنام انرژی بزرگ یکپارچگی, این سه نیرو همگی قوتی یکسان دارند و بنابراین می توانند وجوه مختلف نیرویی یگانه باشند. تئوریهای بزرگ یکپارچه (GUTS ) همچنین پیش بینی میکنند که در این انرژی، ذره های مادی مختلف با اسپین 2/1 ، مثل کوارک و الکترون در اساس ذراتی یکسانند و به این ترتیب، یکپارچگی دیگری بدست می آید.

اندازه انرژی بزرگ یکپارچگی، درست معلوم نیست، اما احتمالاً، دست کم یک هزار ملیون ملیون GeV است. نسل کنونی شتابدهنده های ذره، قادر است ذراتی با انرژی تقریباً یکصد GeV را به یکدیگر تصادم دهد و ماشینهایی طراحی شده اند که این مقدار را به چند هزار GeV برسانند. اما ماشینی که بتواند انرژی ذرات را به انرژی بزرگ یکپارچگی برساند، باید به بزرگی منظومه شمسی باشد که در اوضاع و احوال اقتصادی فعلی سرمایه گذاری روی چنین طرحی نامحتمل است. بنابراین محک زدن مستقیم تئوریهای بزرگ یکپارچه به عیار تجربه آزمایشگاهی، ممکن نیست، اما درست همانند نظریه یکپارچه نیروهای الکترومغناطیسی وضعیف، تئوری های بزرگ یکپارچه ،متضمن نتایجی در انرژیهای پائین می باشند که آزمون پذیرند.
جالبترین این نتایج آنست که پروتون که بخش بزرگی از جرم ماده معمولی را تشکیل میدهد، بطور خود انگیز می تواند به ذرات سبکتری مثل پادالکترونها تجزیه شود. این امر از آنرو امکان پذیر است که در انرژی بزرگ یکپارچگی، فرق اساسی بین کوارک و پاد الکترون نیست. سه کوارک درون پروتون، بطور عادی انرژی کافی برای تبدیل شدن به پاد الکترون را ندارند، اما گاه یکی از آنها میتواند انرژی لازم را بدست آورد و به پادالکترون تبدیل شود، زیرا اصل عدم قطعیت به معنای آنست که انرژی کوارکهای درون پروتون را بطور دقیق نمیتوان مشخص و تثبیت نمود. پس آنگاه پروتون مضمحل میگردد. احتمال آنکه کوارکی انرژی لازم را بدست آورد، چنان کم است که احتمالاً باید دست کم یک ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون (۱ جلویش ۳۰ تا صفر )سال صبر کرد. این مدت بسیار طولانیتر از فاصله زمانی انفجار بزرگ تا حال میباشد، که تنها ده هزار ملیون (۱ جلویش ۱۰ تا صفر )سال به درازا کشیده است. بنابراین شاید فکر کنید که بطور تجربی ، امکان اضمحلال خود انگیز پروتون را نمی توان به آزمایش گذاشت. اما می توان با زیر نظر گرفتن مقدار زیادی ماده که تعداد زیادی پروتون در بردارد، شانس آشکارسازی یک واپاشی یا اضمحلال را افزایش داد. (برای مثال، اگر تعداد ده ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون (۱ جلویش ۳۱ تا صفر) پروتون را برای مدت یکسال زیر نظر بگیریم، طبق ساده ترین GUT ها، می توان انتظار داشت که بیش از یکبار شاهد واپاشی پروتون باشیم.) چند آزمایش ازین دست انجام گرفته است که از هیچیک گواه مشخصی دال بر واپاشی پروتون یا نوترون بدست نیامده است. در یکی از آنها هشت هزار تن آب مورد استفاده قرار گرفت. محل آزمایش در معدن نمک مورتون در اوهایو قرار داشت. (به این وسیله میخواستند از تأثیر دیگر رویدادهایی که بوسیله پرتوهای کیهانی رخ میدهند و میتوانند با واپاشی پروتون اشتباه شوند، جلوگیری کنند.) از آنجا که هیچ واپاشی خودانگیخته پروتون در طول آزمایش مشاهده نشد، میتوان عمر محتمل پروتون را بیش از ده ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون سال برآورد نمود. این مقدار از طول عمری که ساده ترین نظریه های بزرگ یکپارچه پیش بینی می کنند، بیشتر است، اما تئوریهای استادانه تری هستند که طول عمرهای درازتری را پیش بینی می نمایند. برای آزمودن این نظریه ها، آزمایشهایی با دقت بیشتر و روی کمیت های بازهم بیشتر ماده باید بعمل آید.
اگر چه مشاهده واپاشی خود انگیز پروتون بسیار دشوار است، شاید وجود خود ما نتیجه فرآیند معکوس آن باشد ،یعنی تولید پروتون ها یا بطور ساده تر ،کوارکها از وضعیتی ابتدائی ،که تعداد کوارکها بیش از پادکوارکها نیست. این فکر، طبیعی ترین روش برای تصور آغاز جهان است. ماده روی زمین بطور عمده از پروتون و نوترون تشکیل شده است ،که ایندو نیز بنوبه خود از کوارک درست شده اند .بجز تعداد کمی پادپروتون و پادنوترون که فیزیکدانها در شتاب دهنده های عظیم ذره تولید می کنند، پادپروتون و پادنوترون دیگری که از پادکوارکها تشکیل شده باشد وجود ندارد. بنابر شواهد بدست آمده از پرتوهای کیهانی، میدانیم که این امر برای تمامی ماده در کهکشان ما نیز صادق است : بجز تعداد اندکی پادپروتون یا پاد نوترون که بعنوان زوج های، ذره-پادذره ،در تصادمهای با انرژی بالا بوجود می آیند، پادپروتون یا پاد نوترون دیگری یافت نمیشود. اگر ناحیه های وسیعی از پادماده در کهکشان ما وجود می داشت، انتظار می رفت که تشعشع عظیمی را در مرزهای ماده و پادماده مشاهده کنیم. در این محل ذرات بسیاری با پادذره هاشان برخورد می کنند، یکدیگر را نابود می نمایند و تشعشع با انرژی بالا، گسیل می دارند.

هیچ گواه روشنی در دست نیست که به ما صریحاً بگوید: در دیگر کهکشانها،ماده از پروتون و نوترون تشکیل شده است، یا پادپروتون و پادنوترون سازنده آنند، اما تنها یکی از این دو حالت می تواند درست باشد: نمی توان آمیزه ای از آنها را در کهکشانی واحد یافت ،زیرا در این صورت، باز شاهد تشعشع عظیم ناشی از نابودی خواهیم بود. بنابراین ما بر آنیم که همۀ کهکشانها بجای آنکه از پادکوارک تشکیل شده باشند، از کوارک بوجود آمده اند؛ اینکه بعضی کهکشانها از ماده درست شده باشند و برخی دیگر از پاد ماده، بنظر نادرست می نماید.
چرا باید تعداد کوارکها اینهمه بیش از پاد کوارکها باشد؟ چرا تعداد آنها با هم برابر نیست؟ البته این از خوش اقبالی ماست که تعدادشان مساوی نیست، چرا که در غیر اینصورت، در همان روزهای نخستین جهان، همه کوارکها و پادکوارکها یکدیگر را نابود میکردند و جهانی سرشار از تشعشع و تهی از ماده برجای میگذاشتند؛ نه کهکشانی برجای می ماند، نه ستاره ای و نه سیاره ای که بر آن زندگی انسانی بتواند بشکفد. چرا هم اکنون در جهان تعداد کوارکها بیش از پاد کوارکهاست؟ خوشبختانه تئوریهای بزرگ یکپارچه ،شاید پاسخی به این پرسش بدهند، حتی اگر بپذیریم که جهان، در آغاز دارای تعداد یکسانی کوارک و پادکوارک بوده است. همانطور که دیدیم، این تئوریها، تبدیل کوارکها به الکترون را در انرژیهای بالا مجاز می شمارند. آنها همچنین، فرآیندهای وارونه را نیز مجاز میدانند: پادکوارکها به الکترون تبدیل شوند و الکترونها و پادالکترونها به کوارک و پادکوارک، بدل گردند. در روزگاران نخستین، جهان چنان داغ و گداخته بود که ذرات، انرژی کافی برای این تبدیل و تبدلها را دارا بودند. اما چرا این امر به اینجا منتهی شد که تعداد کوارکها از پادکوارکها بیشتر باشد؟ زیرا قانون های فیزیک در مورد ذرات و پاد ذرات، چندان هم یکسان نمی باشند.
تا سال ۱۹۵۶ بر آن بودند که قوانین فیزیک از هر یک از تفاوتهای سه گانه موسوم به P،C و T پیروی میکنند. تقارن C یعنی قوانین برای ذره ها و پادذره ها یکسانند. تقارن P به معنای آنست که قانون های فیزیک برای هر وضعیت و تصویر آن در آینه، یکسانند( ذره ای که در جهت راستگرد می چرخد، در آینه تصویری دارد که عبارت است: از ذره ای که در جهت چپگرد میگردد.) تقارن T یعنی اگر جهت حرکت ذرات و پادذرات را وارونه سازیم، دستگاه به سوی آنچه که پیشتر بود ،حرکت میکند؛ بدیگر سخن، قوانین فیزیکی ، در راستای جلو یا عقب زمان، یکسان میباشند.
در سال ۱۹۵۶ ، دو فیزیکدان آمریکایی بنامهای -تسونگ دائو لی، و -چن نینگ یانگ ، گفتند: که نیروی ضعیف در حقیقت از تقارن P تبعیت نمی کند. به عبارت دیگر، نیروی ضعیف جهان را به سویی پیش می برد که از تکامل تصویر آینه ای جهان ،متفاوت است. در همان سال، یکی از همکارانشان بنام -چین شیونگ وو، پیش بینی آنها را به اثبات رساند. این خانم هسته های اتمهای رادیواکتیو را در یک میدان مغناطیسی قرار داد، و ترتیبی داد که همگی در یک جهت در حال چرخش باشند. معلوم شد که الکترونها در یک جهت ،بیشتر از جهت دیگر، ساطع می گردند. سال بعد، -لی، و- یانگ، جایزه نوبل را ربودند. همچنین نیروی ضعیف از تقارن C نیز پیروی نمی کند. یعنی به موجب این حقیقت، جهانی متشکل از پاد ذرات ،رفتاری متفاوت از جهان ما دارد. با اینهمه بنظر میرسید که نیروی ضعیف از تقارن مرکب CP تبعیت کند، یعنی اگر هر ذره را با پادذره آن عوض کنند، تکامل جهان و انکشاف تصویرش در آینه، یکسان خواهد بود . اما در سال ١٩۶۴ دو آمریکائی دیگر بنامهای -جی دابلیو کرونین ، و- وال فیچ ، کشف کردند که حتی تقارن CP هم در واپاشی ذرات خاصی بنام مزون K ، برقرار نیست. ایندو سرانجام در سال ۱۹۸۰ جایزه نوبل را دریافت کردند. (عده زیادی از برندگان جایزه نوبل،کسانی بوده اند که نشان دادند: جهان به آن سادگی ها هم که فکر میکنیم نیست!

ادامه دارد…