تحقیق با موضوع پایداری و ویژگیها

1-1 سیرِ تاریخی بر فیزیکِ ذرات
کشفِ الکترون توسطِ تامسون در سالِ 1897 را میتوان تولدِ فیزیکِ ذراتِ بنیادی دانست. تامسون توانست نسبتِ بار به جرمِ الکترونهایِ پرتویِ کاتدی را محاسبه کند که این نسبت بسیار بزرگتر از مقدارِ مربوطه برایِ هر یونِ شناخته شده بود. تامسون به درستی حدس زد که الکترونها اجزاء سازندهیِ اتمها هستند، به هرحال چون اتمها خنثیِ الکتریکی بسیار سنگین هستند، بلافاصله این سوال مطرح شد که بارِ مثبت و تودهیِ جرمِ جبراتی چگونه داخلِ اتم توزیع شده است [5].
رادرفورد با تاباندنِ باریکهای از ذراتِ به ورقهای از طلا، هستهیِ اتم را شناسایی کرد. او هستهیِ سبکترین اتم (هلیوم) را پروتون نامید.
پلانک برایِ توضیحِ طیفِ تابشِ جسمِ سیاه، تابشِ الکترومغناطیسیِ را کوانتیده و به صورتِ بستههایِ انرژی فرض کرد. او مدعی نبود که دلیلِ کوانتشِ تابش را میداند. ولی در سالِ 1905 اینشتین استدلال کرد که کوانتش ویژگیِ خودِ میدانِ مغناطیسی است و ربطی به سازوکارِ گسیل ندارد. این نظریه به ایدهِ ذرهای بودنِ نور نزدیک بود و قبولِ آن تا سالِ 1923 به طول انجامید. دلیلِ قبولِ آن آزمایشِ پراکندگیِ نور از یک ذرهیِ ساکن توسطِ کامپتون بود. نامِ ذراتِ نور را فوتون گذاشتند و نهایتاً مکانیکِ کوانتومی رفتارِ ذرهایِ فوتونها را با رفتارِ موجیِ نور در مقیاسِ ماکروسکوپی را آشتی داد.
اکنون مسئلهیِ چشمگیری وجود دارد که مدلِ کلاسیک به هیچوجه به آن نمیپردازد. چه چیزی اجزایِ هسته (پروتونها با بارِ مثبت) را که باید بهشدت یکدیگر را دفع کنند، به هم میچسباند؟ نیرویی به نامِ نیرویِ قوی، که باید خیلی قویتر از نیرویِ الکترومغناطیس باشد، به عنوانِ مسئولِ پیوندِ اجزاءِ هسته در نظر گرفته شد. اولین نظریهیِ قابلِ ملاحظه در زمینهیِ نیرویِ قوی را یوکاوا در سالِ 1934 پیشنهاد داد. یوکاوا مانندِ نیرویِ الکترومغناطیسی، کوانتایی را برایِ این نیرو فرض کرد و بردِ کوتاهِ نیرویِ قوی را نتیجهیِ سنگین بودنِ کوانتایِ آن درنظر گرفت. جرمِ محاسبه شده توسطِ یوکاوا حدودِ 300 برابر الکترون و 6/1 برابر پروتون بود و به همین دلیل به نامِ “مزون” یعنی “میانوزن” مشهور شد. در سالِ 1937 دو گروهِ جداگانه ذراتی را با ویژگیهایی شبیه مزونِ یوکاوا، در پرتوهایِ کیهانی، شناسایی کردند. در سالِ 1946 تضادِ میانِ نتیجهیِ اندازهگیریها و پیشبینیهایِ یوکاوا آشکار شده و مشخص شد که ذراتِ آشکار شده در پرتوهایِ کیهانی، مزون یوکاوا نیستند. در سالِ 1947 این معما حل شد و مزونِ یوکاوا که ذرهیِ میباشد را در جوِ بالایی، قبل از واپاشی مشاهده کردند.
Widget not in any sidebars

اولین دستاوردِ بزرگِ مکانیکِ کوانتومیِ نسبیتی کشفِ معادلهیِ دیراک در سالِ 1927 بود. این معادله که با برایِ توصیفِ الکترونهایِ آزاد با انرژیِ نسبیتی بکار میرود، جوابهایِ نگران کنندهای با انرژی منفی را نتیجه میدهد. این نتیجه باعث میشود میلِ طبیعیِ هر سیستم به تحول در جهتِ انرژیهایِ منفی، موجبِ تابشِ انرژی بینهایت توسطِ الکترون شود. توضیحِ خود دیراک برایِ نجاتِ معادله، در نظر گرفتنِ دریایِ بیکرانی از الکترون بود که تمامِ حالتهایِ انرژی منفی را پر کرده است. با استفاده از اصلِ طردِ پائولی، و دریایِ الکترون، میتوان نتیجه گرفت که الکترونها نمیتوانند به سطوحِ انرژیِ منفی بروند و اگر الکترونی از دریا برانگیخته شده و به ترازهای بالاتر برود، حفرهای در دریا ایجاد میکند که به صورتِ بارِ مثبتِ خالص و انرژیِ مثبت خالص در آن نقطه دیده میشود. کشفِ پوزیترون توسط اندرسون در سالِ 1930، که صفاتِ موردِ نیازِ دیراک را داشت پیروزیِ بزرگی برایِ نظریهیِ او به ارمغان آورد.
در دههیِ 40 استاکلبرگ و فاینمن تعبیرِ سادهتری نسبت به دریایِ بیکران ارائه کردند که عبارت بود از اضافه کردنِ ذرهای با جایگاهی مساوی با الکترون. حالتهایِ انرژی مثبتِ این ذرهیِ متفاوت (پوزیترون) مسئولِ جوابهایِ انرژی منفی معادلهیِ دیراک هستند. در ضمن ثابت شد که دوگانگی ذره-پادذره ویژگیِ عمومیِ نظریهیِ میدانهایِ کوانتومی است. پادذرات از هر جهت، بجز مخالف بودنِ بار الکتریکیِ (و رنگ)، مانندِ ذراتِ متناظرِ خود میباشند. پاد پروتون در سالِ 1955 و پاد نوترون چند سالِ بعد، در شتابدهنده بواترون برکلی مشاهده شدند.
در سالِ 1930 مسئلهای در مطالعهیِ واپاشیِ هستهای بتازا بهوجود آمده بود. در واپاشیِ بتازا هستهیِ پرتوزایِ با گسیلِ یک الکترون به هستهیِ که اندکی سبکتر است تبدیل میشود:

پایستگیِ بار مستلزمِ آن است که حاملِ یک واحد بارِ مثبت بیش از باشد. از مشخصههایِ واپاشی نظیرِ عبارتِ آن است که در چارچوبِ مرکز جرم، انرژیهایِ خروجی را به صورتِ سینماتیکی تعیین میکنند. بویژه اگر هستهیِ مادر، ، در حالِ سکون باشد، و، پشت به پشت، با تکانههایی مساوی و در خلافِ جهتِ هم حرکت میکنن و پایستگیِ انرژی ایجاب میکندکه انرژیِ الکترون برابر با مقدارِ زیر باشد:

نکتهای که در اینجا باید به آن توجه کرد آن است که به محضِ آنکه جرمها مشخص شدند، تثبیت میشود. اما با انجامِ آزمایشها متوجه شدند که انرژیِ الکترونهایِ گسیل شده تفاوتی قابلِ ملاحظه دارند و معادلهیِ فقط بیشینهیِ انرژیِ الکترون را برایِ یک فرایندِ واپاشی بتازایِ بخصوص تعیین میکند. این نتیجهای نگران کننده بود. پائولی پیشنهاد کرد که ذرهیِ دیگری باید بههمراه الکترون گسیل شود، همدستی خاموش که حاملِ انرژیِ “گمشده” است. این ذره باید به منظور پایسته نگهداشتنِ بار به لحاظ الکتریکی خنثی باشد. پائولی نامِ نوترینو را برایِ آن پیشنهاد کرد. کلِ این ایده با ناباوری مواجه شد و در سالِ 1932 چادویک دست رویِ این نام گذاشت. اما در سالِ بعد از آن فرمی نظریهای برایِ واپاشیِ بتازا داد که در آن نوترون پائولی وارد شده بود و به اندازهای موفق بود که ثابت کرد باید پیشنهادِ پائولی جدی گرفته شود. با توجه به این که بیشینهیِ انرژیِ الکترونِ مشاهده شده مقداری است که از رابطهیِ بدست میآید، نتیجه میگیریم که ذرهیِ جدید بینهایت سبک است، تا جایی که میدانیم، در واقع جرم آن صفر است. فرمی آن را نوترینو نامید. در سالِ 1950 دیگر دلیلِ نظریِ قانع کنندهای بر وجودِ نوترینوها وجود داشت، اما هنوز تأییدِ تجربیِ سرراستی موجود نبود. این ذره هیچ ردی از خود باقی نمیگذارد، واپاشیده نمیشود؛ در واقع هیچکس ندیده است نوترینو کاری انجام دهد. دلیلِ آن این است که نوترینوها برهمکنشِ فوقالعاده ضعیفی با ماده دارند، نوترینویی با انرژیِ کم به راحتی میتواند در لایهیِ سربی به ضخامتِ هزاران سالِ نوری نفوذ کند. برایِ اشکار سازیِ یکی از آنها به چشمهیِ بینهایت قوی نیاز داریم.
در سالِ 1962 خانوادهیِ لپتونها دارایِ هشت عضو بود: الکترون، میون، نوترینوهایِ آنها و پادذراتِ متناظر با آنها، و تا 14 سال بعد از آن همه چیز از جمله لپتونها کاملاً آرام بود.
در سالِ 1938 این پرسش مطرح شده بود که “چرا پروتون پایدار است؟” برایِ مثال چرا به پوزیترون و یک فوتون واپاشی نمیکند؟

این واکنش هیچ قانونِ شناخته شدهی تا سالِ 1938 را نقض نمیکند، استاکلبرگ با مطرح کردنِ یک قانونِ پایستگیِ عددِ باریونی پایداریِ پروتون را توجیه کرد: تمامِ باریونها ( که در 1938 به معنایِ پروتون و نوترون بود) دارایِ “عددِ باریونی” و پاد باریونها دارایِ هستند، پس عددِ باریونیِ کل در هر فرایند فیزیکی پایسته است. بنابراین واپاشیِ بتازایِ نوترون () مجاز است (قبل و بعد از فرایند فیزیکی پایسته است) همچنین واکنشی که اولین بار پاد پروتون در آن مشاهده شد نیز مجاز است:

اما پروتون به عنوانِ سبکترین باریون جایی برایِ رفتن ندارد؛ پایستگیِ عددِ باریونی پایداریِ مطلقِ آن را تضمین میکند. اگر بخواهیم پایستگیِ عددِ باریونی در واکنشِ

برقرار بماند باید لاندا به خانواده پایونی منتسب شود.
با مزونها و باریونهایِ سنگینِ جدید تا اندازهای با شگفتی برخورد شد، این ذرات مشترکاً ذراتِ “شگفت” نامیده شدند. در 1952 اولین شتابدهندهیِ ذراتِ جدید (کاسموترون بروکهاون) شروعِ به کار کرد و به زودی توانست ذراتِ شگفت را در آزمایشگاه تولید کند (قبل از آن تنها چشمهی آنها پرتوهایِ کیهانی بود)، و در نتیجه آهنگِ تکثیرِ آنها افزایش یافت.
نه تنها ذراتِ جدید غیرِ منتظره بودند، بلکه در واقع از یک جنبهیِ دیگر نیز عجیب بهنظر میرسیدند:
آنها به وفور تولید میشوند (در مقیاسِ زمانیِ حدودِ ثانیه). اما واپاشیِ آنها نسبتاً کند است ( نوعاً حدودِ ثانیه) این موضوع پائیس و دیگران را واداشت که بگویند، سازوکاری که در تولیدِ آنها دخیل است با سازوکارِ حاکم بر تجزیهیِ آنها تفاوتِ کلی دارد. به زبانِ امروزی، عاملِ تولیدِ ذراتِ شگفت نیرویِ قوی اما واپاشیِ آنها از طریقِ نیروهایِ ضعیف صورت میگیرد.
باغی که در 1947 بسیار مرتب بنظر میرسید در 1960 به یک جنگل تبدیل شد و فیزیک هادرونها را فقط میشد بهصورتِ آشوب توصیف کرد. ذرات با برهمکنشِ قوی به دو خانوادهیِ بزرگ (باریونها و مزونها) تقسیم شدند و اعضایِ هر خانواده بار، شگفتی و جرمشان از هم متمایز شدند؛ اما فراتر از آن هیچ دلیل و برهانی برایِ تمام این چیزها وجود نداشت. این موقعیت برایِ بسیاری از فیزیکدانان یادآورِ وضعیتِ شیمی در قرنِ نوزدهم بود، روزهایِ قبل از جدولِ تناوبی، که خصوصیاتِ عناصر مشخص شده بود، اما هیچ قاعده و سیستمی بر آنها حاکم نبود. در 1960 ذراتِ بنیادی در انتظارِ “جدولِ تناوبی” خود بود.
مورای گلمن، مندلیفِ فیزیکِ ذرات بود، و در سالِ 1961 آنچه به اصطلاح راهِ هشتگانه نامیده میشود را معرفی کرد. راهِ هشتگانه باریونها و مزونها را بر حسبِ بار و شگفتیشان در طرحهایِ هندسیِ غیرِ عادی مرتب میکند. هشت تا از سبکترین باریونها در آرایهای ششضلعی قرار میگیرند که دارایِ دو ذره در مرکز است:
این گروه به هشتتایهیِ باریونی معروف است. توجه کنید که ذرات دارایِ بارِ یکسان رویِ خطوطِ قطری مورب قرار میگیرند. با (با یکایِ بارِ پروتون) برایِ پروتون و؛ برایِ نوترون، ،،؛ برایِ و. خطوطِ افقی مربوط به ذرات با شگفتیِ یکسان است: برایِ پروتون و نوترون، برایِ خطِ میانی و برایِ دو.