مدل استاندارد فیزیک چیست؟
«مدل استاندارد فیزیک ذرات» (Standard Model of Particle Physics) در حال حاضر بهترین نظریه‌ی دانشمندان برای توصیف اساسی‌ترین اجزای سازنده‌ی جهان به‌شمار می‌رود. این نامی است که در دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی به نظریه‌ی ذرات بنیادین و چگونگی برهم‌کنش آن‌ها داده شد و بدین ترتیب همه‌ی چیزهایی را که تا آن زمان درباره‌ی ذرات زیراتمی شناخته شده بود دربر گرفت و وجود ذرات اضافی را هم پیش‌بینی کرد.
در حقیقت این نام به این دلیل بیان می‌شود که مدل استاندارد فیزیک، تلاشی برای بیان کامل رفتار ماده در جهان است. این نظریه توضیح می‌دهد که اتم‌ها از اجزای بسیار کوچک‌تری ساخته شده‌اند و اینکه چگونه ذراتی به نام کوارک (که پروتون‌ها و نوترون‌ها را می‌سازند) و لپتون‌ها (ازجمله الکترون‌ها) در نهایت باعث شکل‌گیری همه‌ی مواد شناخته شده در کیهان شده‌اند و چگونه ذرات حامل نیرو که به گروه وسیع‌تر بوزون‌ها (ذرات واسطه) تعلق دارند، بر کوارک‌ها و لپتون‌ها اثر می‌گذارند.
ساختار مدل استاندارد فیزیک
همان‌طور که اشاره شد، این مدل بیان می‌کند که تمام مواد معمولی، از جمله هر اتم در جدول تناوبی عناصر، تنها از سه نوع ذره تشکیل شده‌اند: کوارک‌ها، لپتون‌ها و واسطه‌ها.
در حقیقت شکل‌گیری کامل مدل استاندارد زمان زیادی طول کشید. در این مدل هفده ذره با نام اختصاصی وجود دارند که در نمودار زیر نشان داده شده‌اند. این ذرات هر یک بخشی از اجزای درونی اتم‌ها هستند. تلاش‌ها در زمینه‌ی ذرات بنیادی از دهه‌ی ۱۹۵۰ میلادی شکل گرفت و آخرین ذرات کشف شده بوزون‌های W و Z در سال ۱۹۸۳، کوارک بالا در سال ۱۹۹۵، نوترینو تاو در سال ۲۰۰۰ و بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲ بودند.
ذرات مدل استاندارد فیزیک
Credit: MissMJ, Cush/Teronika
این ۱۷ ذره‌ی بنیادی فیزیک، خود به دو گروه اصلی تقسیم شده‌اند. یا بلوک‌های سازنده‌ی ماده هستند که «فرمیون» (Fermion) نامیده می‌شوند و یا واسطه‌های برهم‌کنش میان ذرات، که «بوزون» (Boson) نام دارند. در مدل استاندارد در مجموع دوازده فرمیون و پنج بوزون با نام مشخص وجود دارد.
فرمیون‌ها از قانون آماری پیروی می‌کنند که توسط «انریکو فرمی» (Enrico Fermi) ایتالیایی، «پل دیراک» (Paul Dirac) انگلیسی و «ولفگانگ پائولی» (Wolfgang Pauli) اتریشی، با نام «اصل طرد» (Exclusion Principle) توصیف شده است و بیان می‌کند که فرمیون‌ها نمی‌توانند با هم یک مکان را اشغال کنند یا به بیان علمی‌تر، هیچ دو فرمیونی را نمی‌توان با اعداد کوانتومی یکسان توصیف کرد.
این طبقه‌بندی، شامل شش نوع کوارک (بالا، پایین، افسون، شگفت، سر، ته) و شش نوع لپتون (الکترون، الکترون نوترینو، میون، میون نوترینو، تاو، تاو نوترینو) می‌شوند. لپتون‌ها و کوارک‌ها، از نوع فرمیون هستند و چیزهایی مانند پروتون‌ها، نوترون‌ها، اتم‌ها، مولکول‌ها، انسان‌ها و دیوارها هم از آن‌ها ساخته می‌شوند. این با مشاهدات ماکروسکوپی ما از ماده در زندگی روزمره مطابقت دارد. اینکه افراد نمی‌توانند از میان دیوارها عبور کنند مگر اینکه دیوار از سر راه آن‌ها برداشته شود.
در مقابل، بوزون‌ها مشکلی برای بودن هم‌زمان در یک مکان ندارند و به بیان علمی، دو یا چند بوزون می‌توانند با اعداد کوانتومی یکسان توصیف شوند. قوانین آماری که بوزون‌ها از آن‌ها تبعیت می‌کنند اولین بار توسط «ساتیندرا بوز» (Satyendra Bose) هندی و «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) توصیف شد.
ذرات گلوئون، فوتون، W و Z و هیگز همگی بوزون هستند. فوتون‌ها به‌عنوان ذرات تشکیل دهنده‌ی نور و دیگر اشکال تابش الکترومغناطیسی، بوزون‌هایی هستند که ما مستقیم‌ترین تجربه را درباره‌ی آن‌ها داریم. در زندگی روزانه، هرگز نمی‌بینیم که پرتوهای نور به یکدیگر برخورد کنند بلکه فوتون‌ها، مانند فانتوم هستند و بدون برهم‌کنش از یکدیگر عبور می‌کنند.
ذرات بنیادی در طبیعت
Credit: DOE
برای بیان حالت این ذرات بنیادی باید یک ویژگی آن‌ها قابل اندازه‌گیری باشد و به همین دلیل گفته می‌شود که این ذرات دارای تکانه‌ی زاویه‌ای اسپین (S) و عدد کوانتومی اسپین (s) ذاتی هستند. به عبارت بهتر، کمیت قابل اندازه‌گیری آن‌ها یکای مشابه تکانه‌ی زاویه‌ای دارد.
اما باید درنظر داشت که چرخش (اسپین) فقط برای یک جرم دارای بُعد معنا پیدا می‌کند و این ذرات در فیزیک کنونی بی‌بعد هستند و مانند یک نقطه‌ی ریاضی به‌نظر می‌رسند، بنابراین اسپین آن‌ها، صرفا یک برچسب مناسب برای اندازه‌گیری آن‌ها از دیدگاه ریاضیات است و توصیف واقعیت موجود، محسوب نمی‌شود.
اکنون که هر یک از این ذرات به‌خوبی توصیف شدند، رفتار آن‌ها قابل بررسی است. کوارک‌ها به‌صورت سه‌تایی یا دوتایی به هم متصل می‌شوند. سه‌قلوها «باریون» (Baryon) نامیده می‌شوند که از واژه‌ای یونانی به معنای سنگین گرفته شده است و دوقلوها «مزون» (Meson) نام دارند که برگرفته از واژه‌ای یونانی به معنای میانه است. به این مجموعه‌های تکی، دوتایی یا سه‌تایی از کوارک‌ها، به‌صورت کلی «هادرون» (Hadron)، به معنای ضخیم، گفته می‌شود.
شش فرمیون دیگر که لپتون‌ها، به معنای ظریف هستند، نیازی به اتصال به هم ندارند و به‌نوعی در مقابل هادرون‌ها ظریف محسوب می‌شوند. در ابتدا لپتون‌ها ذرات سبک و هادرون‌ها سنگین درنظر گرفته می‌شدند تا اینکه کشف ذره‌ی تاو لپتون در سال ۱۹۷۵ که تقریبا دو برابر یک پروتون جرم دارد، این قانون را شکست.
به جز سه ذره‌ی الکترون، میون و تاو، یک زیرگروه مهم از لپتون‌ها، نوترینوها هستند که به نام دیگر همتاهای لپتونی خود، الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو نام گرفته‌اند. نوترینوها جرم بسیار کمی دارند و به قدری ضعیف با بقیه‌ی ذرات برهم‌کنش می‌کنند که تشخیص آن‌ها بسیار دشوار است. به همین دلیل هم به آن‌ها نوترینو به معنای «خنثی کوچک» گفته می‌شود.
توصیف نیروهای بنیادین طبیعت
توضیح سه مورد از چهار نیروی بنیادی طبیعت در مدل استاندارد فیزیک ذرات گنجانده شده است: الکترومغناطیس، نیروی قوی و نیروی ضعیف. هر نیرو میان ذرات به دلیل خاصیت آن ذره اعمال می‌شود که شامل بار برای الکترومغناطیس، رنگ برای نیروی قوی هسته‌ای و طعم برای نیروی ضعیف هسته‌ای است.
«بار» (Charge) ویژگی ماده‌ای است که باعث ایجاد پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و به عبارتی الکترومغناطیس می‌شود. بار کوانتیزه است، یعنی فقط می‌تواند در مقادیر گسسته با قیدهای مشخص وجود داشته باشد که مضرب و کسری از بار پایه (بار یک الکترون برابر با ۱۹-^۱۰×۱.۶ کولن) است.
ذراتی مانند الکترون، میون و تاو که به‌طور مستقل وجود دارند، مضربی از بار پایه را حمل می‌کنند، در حالی که کوارک‌ها دارای کسری از بار پایه هستند اما این ذرات هم همیشه در گروه‌هایی به هم متصل می‌شوند که در نهایت مضربی از بار پایه را می‌سازند. به همین دلیل هیچ کس تا کنون مستقیما کسری از بار الکتریکی را اندازه‌گیری نکرده است.
چون بارهای مخالف به هم جذب می‌شوند، الکترون‌ها تمایل دارند به پروتون‌ها متصل شوند و اتم‌هایی را تشکیل دهند که در کل خنثی هستند و به همین دلیل معمولا ماهیت الکتریکی ماده را متوجه نمی‌شویم.
ذرات باردار با تبادل فوتون‌ها که حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند، برهم‌کنش دارند. مدل ریاضی که برای توصیف برهم‌کنش ذرات باردار از طریق تبادل فوتون‌ها استفاده می‌شود، «الکترودینامیک کوانتومی» (QED) نام دارد.
چهار نیروی بنیادین طبیعت
Credit: Science News for Students
کوارک‌ها اما به دلیل یک ویژگی که به‌عنوان «رنگ» (Color) شناخته می‌شوند، به هم می‌چسبند. این که صرفا بیانی برای درک بهتر خاصیت آن‌ها و نه یک رنگ واقعی است. تصور کنید که نور قرمز، آبی و سبز در کنار هم نور سفید خنثی را تشکیل می‌دهند و دو نور مکمل هم، چنین هستند. بنابراین می‌توان باریون سه‌تایی را شامل سه کوارک قرمز، سبز و آبی دانست و مزون دوتایی را شامل یک کوارک رنگی و یک کوارک با رنگ مخالف دانست که کنار هم ذره‌های خنثی از نظر رنگ را تشکیل می‌دهند.
ذرات رنگی اما توسط گلوئون‌ها به هم می‌پیوندند. رنگ گلوئون‌ها به روشی پیچیده‌تر از کوارک‌ها توصیف می‌شود. شش گلوئون دارای دو رنگ، یکی دارای چهار رنگ و دیگری دارای شش رنگ است. گلوئون‌ها کوارک‌ها را به هم می‌چسبانند اما خودشان هم به هم می‌چسبند و در نتیجه فراتر از هسته‌ی اتم کاری انجام نمی‌دهند. مدل ریاضی استفاده شده برای توصیف برهم‌کنش ذرات رنگی از طریق تبادل گلوئون‌ها به عنوان «کرومودینامیک کوانتومی» (QCD) شناخته می‌شود.
کل این آشفتگی چسبنده را نیروی قوی یا برهم‌کنش قوی می‌نامند زیرا منجر به نیروهایی در هسته‌ی اتم می‌شوند که از نیروی الکترومغناطیسی قوی‌تر هستند. بدون نیروی قوی، هر هسته‌ای خرد خواهد شد.
حالا فرمیون‌ها هم برای متمایز شدن با یکدیگر با «طعم» (Flavor) شناخته می‌شوند که فقط مختص آن‌هاست. این عنوان هم نباید با طعم واقعی اشتباه گرفته شود. ذرات طعم‌دار از طریق تبادل بوزون‌های W یا Z – (بوزون‌های برداری میانی) که حامل نیروی ضعیف هستند، برهم‌کنش ضعیفی دارند. برای نمونه هنگامی که یک نوترون به یک پروتون تجزیه می‌شود، یک بوزون W- مسئول است.
مدل ریاضی که برای توصیف برهم‌کنش ذرات طعم‌دار توسط مبادله‌ی بوزون‌های W و Z به‌کار می‌رود، گاهی به‌عنوان «دینامیک طعم کوانتومی» (QFD) شناخته می‌شود، اما این اصطلاح معمولا توسط فیزیکدانان استفاده نمی‌شود. در انرژی‌های بالاتر، نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی بیشتر و بیشتر به هم شبیه می‌شوند و به همین دلیل مدل ریاضی آن‌ها، به‌عنوان «نظریه‌ی الکتروضعیف» (EWT) شناخته می‌شود که نام کاربردی برای نظریه‌ی نیروی ضعیف است.
محدودیت‌های مدل استاندارد
با وجود موفقیت در توضیح جهان، مدل استاندارد محدودیت‌هایی هم دارد. همان‌طور که اشاره شد، این مدل سه نیرو از چهار نیروی بنیادین حاکم بر جهان را توضیح می‌دهد: الکترومغناطیس، نیروی قوی هسته‌ای، نیروی ضعیف هسته‌ای.
الکترومغناطیس توسط فوتون‌ها حمل می‌شود و شامل برهم‌کنش میدان‌های الکتریکی و میدان‌های مغناطیسی است. نیروی قوی هسته‌ای که توسط گلوئون‌ها ایجاد می‌شود، هسته‌های اتم را به یکدیگر متصل می‌کند تا آن‌ها را پایدار نگه دارد. نیروی ضعیف هم که توسط بوزون‌های W و Z حمل می‌شود، باعث واکنش‌های هسته‌ای می‌شود که برای میلیاردها سال انرژی خورشید و ستاره‌های دیگر را تأمین می‌کنند. چهارمین نیروی اساسی گرانش است اما توسط مدل استاندارد به اندازه‌ی کافی توضیح داده نشده است.
از سوی دیگر بوزون هیگز به کوارک‌ها، لپتون‌های باردار (مانند الکترون‌ها) و بوزون‌های W و Z جرم می‌دهد اما هنوز نمی‌دانیم که آیا بوزون هیگز به نوترینوها هم جرم می‌دهد که ذرات شبح-مانندی هستند که به‌ندرت با دیگر مواد در جهان برهم‌کنش دارند.
همچنین، فیزیکدانان می‌دانند که حدود ۹۵ درصد از جهان از ماده‌ی معمولی آن‌طور که ما می‌شناسیم، ساخته نشده است بلکه بیشتر کیهان متشکل از ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک است که در مدل استاندارد نمی‌گنجند.
یک مورد مهم دیگر که با درنظر گرفتن انرژی تاریک قابل توصیف است، شتاب انبساط کیهان است اما این پدیده در حقیقت با مدل استاندارد توضیح داده نمی‌شود.
مشارکت در مدل استاندارد فیزیک ذرات
از گذشته، دانشمندان گوناگون و مراکز تحقیقاتی بسیاری در پژوهش روی مدل استاندارد فیزیک نقش داشته‌اند و به‌ویژه در سال‌های اخیر، از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به مرکز تحقیقاتی «سرن» (CERN) در شمال‌شرقی شهر ژنو سوییس و مجاورت مرز فرانسه و همچنین «وزارت انرژی آمریکا» (DOE) اشاره کرد.
شتابدهنده‌ی هادرونی بزرگ در سرن
Credit: CERN
تا کنون پنج نوع از شش نوع کوارک، یک نوع لپتون و هر سه نوترینو در آزمایشگاه‌های وزارت انرژی آمریکا کشف شده‌اند. محققان تحت حمایت دفتر علوم DOE، همچنین اغلب با همکاری دانشمندان از سراسر جهان، در اکتشافات و اندازه‌گیری‌های بوزون هیگز که مدل استاندارد را اصلاح کرد، مشارکت داشته‌اند.
تلاش‌های تجربی در این زمینه، همچنان با تحقیقاتی که آزمایش‌های دقیقی از مدل استاندارد انجام می‌دهند و اندازه‌گیری خواص ذرات و برهم‌کنش‌های میان آن‌ها را بهبود می‌بخشند، ادامه دارد.
علاوه بر این، نظریه‌پردازان هم در کنار دانشمندان تجربی کار می‌کنند تا راه‌های تازه‌ای برای کشف ناشناخته‌های مدل استاندارد ایجاد کنند. این پژوهش‌ها همچنین ممکن است بینشی در مورد اینکه چه نوع ذرات و نیروهای ناشناخته‌ای می‌توانند ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک را توضیح دهند، ارائه کنند و یا توضیح دهند که پس از «مِه‌بانگ» (Big Bang) برای پادماده چه اتفاقی افتاده است.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از ذرات زیراتمی
Credit: Geralt, Pixabay
منابع: Physics Hypertextbook, DOE
