ذرات زیراتمی (Subatomic Particles)

در این مقاله انواع ذرات زیراتمی (Subatomic Particles) را به طور مختصر معرفی می کنیم.

هادرون – باریون – بوزون – فرمیون – لپتون – بوزون های شاخص – گلوئن – نوترینوها – موئون – مزون – کوارک – پیون و …. ها درون ها (Hadrons): ذرات زیراتمی ای هستند که از فرمیون هایی چون کوارک و آنتی کوارک و بوزون هایی چون گلوئن تشکیل شده اند.

این ذرات نیروی قوی هسته ای اعمال می کنند. هادرون ها مانند دیگر ذرات دارای عدد کوانتومی هستند. این ذرات ممکن است در دما یا فشار بسیار پایین خودبه خود از بین بروند.

▪ باریون (Baryon): ذراتی هستند که از کوارک تشکیل شده اند. برای مثال پروتون از دو کوارک بالا (u) و یک کوارک پایین (d) تشکیل شده و یا نوترون از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تشکیل شده.

انواع باریون طبق مدل استاندارد (SM) به صورت زیر است:

▪ بوزون (Boson): ذراتی هستند که داری اسپین صحیح هستند. اکثر بوزون ها می توانند ترکیبی باشند اما گروه بوزون های شاخص (Gauge Bosons) از نوع ترکیبی نیستند. در مدل استاندارد بوزون ها ذراتی برای انتقال نیرو هستند که شامل فوتون ها (انتقال دهنده ی الکترومغناطیس) و گراویتون (انتقال دهنده ی گرانش) نیز می شوند. اتم ها نیز می توانند بوزون باشند. برای مثال هلیم – ۴ یک بوزون با اسپین گویا است. در کل تفاوت زیادی بین استاتیک فرمیونی (اسپین نیمه صحیح) و بوزونی وجود ندارد مگر در مورد اجرام با چگالی بالا که این مورد نیز پیرو استاتیک ماکسول – بولتزمن می باشد. بر همین مبنا هم بوزون ها و هم فرمیون ها ذراتی کلاسیک شناخته می شوند.

▪ بوزون های شاخص (Gauge Bosons): ذرات بوزونی می باشند که حامل نیروهای بنیادین طبیعت می باشند.

▪ بوزون های شاخص خود ۳ دسته اند: فوتون ها – بوزون W&Z (بوزون هایی که بدون بار الکتریکی هستند را با Z نشان می دهیم و آن دسته ای را نیروهای ضعیف هسته ای دارند با W نشان می دهیم) و گلوئن ها.

▪ گلوئن (Gluon): ذراتی بدون جرم و خنثی از خانواده ی بوزون های شاخص هستند و دارای اسپین ۱ هستند. این ذرات زیراتمی باعث پایدار بودن کوارک ها در هسته ی اتم (پروتون ها و نوترون ها) در کنار همدیگر می شوند. البته جرم این ذرات از آنجاییکه بسیار کم است (MeV) از آن صرف نظر می شود.

▪ بوزون های W&Z: جرم بوزون های Z در حدود ۹۱.۱۸۷۶ (GeV/C۲) و نوع W آن ۸۰.۴۰۳ (GeV/C۲) می باشد. هردوی آنها دارای اسپین ۱ هستند و واکنش آنها از نوع ضعیف می باشد. این بوزون ها از خانواده ی بوزون های شاخص هستند.

▪ نوترینو (Neutrino): این ذرات از خانواده ی فرمیون ها و گروه لپتون ها هستند و اسپین ۰.۵ دارند. نوترینوها اغلب تنها توسط نیروهای ضعیف و گرانش واکنش انجام می دهند. مدل استاندارد پیش بینی کرده که نوترینوها بدون جرم باشند اما در آزمایشات جرم نوترینو را گرچه بسیار کوچک اما اندازه گیری کرده اند. نوترینوها اغلب به صورت ذرات منفرد دیده نمی شوند و در قالب الکترون نوترینو (۲.۲ eV) یا موئون نوترینو (۱۷۰ KeV) و تاو نوترینو (۱۵.۵ MeV) دیده می شوند. هرچند دانشمندان هنوز یکی بودن پاد نوترینو و نوترینو را تایید نکرده اند اما آزمایشات به روشنی این مطلب را اثبات می کنند. به همین دلیل در مدل استاندارد پاد این ذرات نیز تعریف شده است. (برای مثال الکترون آنتی نوترینو).

▪ موئون (Muon): این ذرات نیز از خانواده ی فرمیون ها و گروه لپتون ها هستند و دارای اسپین ۰.۵ می باشند. باز این ذرات همانند الکترون است و جرمشان ۱۰۵.۶۵۸۳ (MeV/C۲) می باشد. اعمال واکنش در این ذرات به صورت نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی و همچنین نیروهیا ضعیف هسته ای است. این ذرات دارای پاد نیز می باشند. عمر این ذرات اغلب بیش از ۲.۲ میکروثانیه نیست که همین گونه نیز از دیگر لپتون ها و مزون ها عمر بیشتری دارند. موئون با جذب الکترون می تواند اتم موئونیم (Muonium) را بسازد که شعاع آن تقریبا برابر با هیدروژن است. به همین دلیل تا به حال این ذرات در اتم دیده نشده اند.

▪ مزون (Meson): مزون نوعی هادرون با اسپین صحیح می باشد. مزون ها اصولا ترکیبی هستند به صورتیکه در آنها کوارک و آنتی کوارک هم دیده می شود! مزون ها شامل ۳ دسته ی اصلی منفی – مثبت و صفر می باشند: مزون صفر سنگین (B۰) – مزون مثبت یا پیون (&#۹۲۸;+) مزون منفی یا کائون (K ) – مزون صفر سبک یا اتا (C&#۹۵۱;) و مزون های مثبت سنگین یا رو (+&#۹۶۱;).

▪ پیون (Pion): نوعی از مزون ها هستند که دارای بار واحد (هم مثبت و هم منفی) می باشند. پیون ها زا آن جهت مهم هستند که دارای اسپین صفر می باشند و سبک ترین مزون ها هستند. جرم آنها &#۹۲۸;۰ = ۱۳۴.۹۷۶ (MeV/C۲) و &#۹۲۸;± = ۱۳۹.۵۷۰ (MeV/C۲) می باشد.

۱) کوارک ها (Quarks): این ذرات شامل ۶ نوع می شوند:

۲) کوارک های بالا (بار ۳/۲ و جرم ۰.۰۰۳) – Up (u)

۳) کوارک های پایین (بار ۳/۱ و جرم ۰.۰۰۶) – Down (d)

۴) کوارک های ربایشی (بار ۳/۲ و جرم ۱.۳) – Charm (c)

۵) کوارک های غیر ربایشی (بار ۳/۱ و جرم ۰.۱) – Strange (s)

۶) کوارک های زیر (بار ۳/۲ و جرم ۱۷۵) – Bottom (b)

▪ کوارک های فوق ( باز ۳/۱ و جرم ۴.۳) – Top (t) دایون (Dyon): ذراتی فرضی که هم بار الکتریکی دارند و هم بار مغناطیسی و اگر در شرایطی بار الکتریکی انها سفر باشد تک قطبی خواهند بود.

به این شرایط خاص شرایط کوانتیده شدن دیراک – اشوانزیگر – اشوینگر می گویند. (توجه کنید که این شرایط به تک قطبی هوفت – پولیاکوف بر نمی گردد بلکه مخصوص تک قطبی دیراک است و لازمه ی آن تعریف هوموتوپی برای توپولوژی فضا و زمان ناپیوسته است). اکثر تئوری های وحدت (GUT) وجود چنین ذره ای را پیش بینی کرده اند.

گراویتون (Graviton): ذراتی فرضی هستند که دارای جرم و بار صفر و اسپین ۲ می باشند. این ذرات بیشتر در تئوری های کوانتومی به عنوان نتیجه ای از نسبیت مطرح می شود. به طوریکه QCD نیز از آنها نام می برد. چنین ذراتی (بدون جرم) تا به حالا دیده نشده اند. بنابراین حرف زدن در مورد ویژگی های آنها بسیار سخت است. (مگر از طریق ریاضی که این مقاله جایگاه آن نیست).