کوانتوم کروموداینامیک QCD

معرفی دستاوردهای برندگان نوبل فیزیک ۲۰۰۴ برهم کنش ذرات رنگی
اکتشافی که جایزه نوبل فیزیک امسال را از آن خود کرد اهمیتی اساسی در فهم ما از چگونگی کارکرد یکی از نیرو های بنیادین طبیعت داشته است

● معرفی دستاوردهای برندگان نوبل فیزیک ۲۰۰۴ برهم کنش ذرات رنگی

اکتشافی که جایزه نوبل فیزیک امسال را از آن خود کرد اهمیتی اساسی در فهم ما از چگونگی کارکرد یکی از نیرو های بنیادین طبیعت داشته است. نیرویی که کوچک ترین ذرات ماده یعنی کوارک ها را به یکدیگر می چسباند. دیوید گراس، دیوید پولیتزر و فرانک ویلچک توانستند با کار های تئوریک خود مدل استاندارد ذرات بنیادی را کامل کنند. مدلی که کوچک ترین ذرات طبیعت و برهمکنش بین آنها را توضیح می دهد.

● تصاویر:

▪ دیوید گراس (David J. Gross)

از موسسه فیزیک نظری دانشگاه کالیفرنیا در سانتاباربارای آمریکا.شهروند آمریکا، متولد سال ۱۹۴۱ در واشینگتن دی سی آمریکا (۶۳ ساله) دانشنامه دکترای خود در رشته فیزیک را در سال ۱۹۶۶ از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی اخذ کرد. استاد فیزیک نظری موسسه کاولی در دانشگاه کالیفرنیای آمریکاست.

▪ دیوید پولیتزر ( David Politzer H.)

از مرکز فیزیک انرژی زیاد در موسسه فناوری کالیفرنیا. شهروند آمریکا، متولد سال ۱۹۴۹ (۵۵ ساله) دانشنامه دکترای خود در رشته فیزیک را در سال ۱۹۷۴ از دانشگاه هاروارد اخذ کرد. استاد گروه فیزیک موسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک) در پاسادنای کالیفرنیا است.

▪ فرانک ویلچک (Frank A. Wilczek)

از مرکز فیزیک نظری موسسه فناوری ماساچوست. شهروند آمریکا، متولد ۱۹۵۱ (۵۳ ساله) در کوئینز نیویورک آمریکا. دانشنامه دکترای خود را در رشته فیزیک در سال ۱۹۷۴ از دانشگاه پرینستون اخذ کرد. استاد گروه فیزیک در MIT در ماساچوست آمریکاست.

● نیروی برهمکنش قوی

نیروی برهمکنش قوی که اغلب به آن برهمکنش رنگی نیز می گویند یکی از چهار نیروی بنیادین طبیعت است. این نیرو بین کوارک ها که ذرات بنیادی سازنده پروتون ها، نوترون ها و نوکلئون ها هستند عمل می کند. دیوید گراس، دیوید پولیتزر و فرانک ویلچک خاصیتی از نیروی برهمکنش قوی را کشف کردند که به کمک آن می توان توضیح داد به چه علت رفتار کوارک ها تنها در انرژی های بسیار زیاد مانند رفتار ذرات آزاد است. (در حالی که بقیه ذرات بنیادی در انرژی های معمول نیز چنین رفتاری را از خود بروز می دهند. به عبارت دیگر کوارک ها در انرژی های پایین همیشه در دل ذرات که از دو یا ه کوارک ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژی های پایین همیشه به صورت ترکیب شده با کوارک های دیگر دیده می شوند.

این تئوری از بسیاری جهات توسط آزمایش های مختلفی به خصوص در سال های اخیر در آزمایشگاه سرن (CERN) بررسی شده است. این کشفیات توانسته اند پایه ای برای تئوری برهمکنش رنگ ها (کرومودینامیک کوانتومی (QCD پی ریزی نمایند.

● مدل استاندارد و چهار نیروی بنیادی طبیعت

اولین نیرویی که انسان ها با آن آشنا شدند نیروی گرانش است. این نیرو باعث افتادن اجسام بر روی زمین و همچنین گردش سیارات به دور خورشید و حرکت ستاره ها در کهکشان است. به نظر می رسد که نیروی گرانش نیروی بسیار قوییای است به عنوان مثال ارسال یک موشک به خارج از جو زمین احتیاج به صرف انرژی و سوخت بسیاری دارد. با این حال در جهان ریز (میکرو سکوپیک) در مقایسه با نیروی بین ذراتی از قبیل الکترون و پروتون نیروی گرانش نیروی بسیار ضعیفی است [شکل (۱)]. سه نیروی دیگر طبیعت که اثر آنها اغلب در حوزه جهان های ریز (میکروسکوپیک) دیده می شود عبارتند از نیرو های برهمکنش.

الکترو مغناطیسی بر همکنش ضعیف و برهمکنش قوی. چگونگی عملکرد این سه نیرو توسط نظریه مدل استاندارد توضیح داده می شود. این نظریه، نظریه ای بسیار قوی است برای اینکه می تواند نظریه نسبیت خاص اینشتین و مکانیک کوانتومی را یکجا دربربگیرد. (البته به خاطر مسائل و مشکلات تکنیکی هنوز نمی توان آن را نظریه ای کامل و سازگار دانست.)

مدل استاندارد می تواند توضیحی برای کوارک ها، لپتون ها و ذراتی که نیروها را حمل می کنند ارائه کند. کوارک ها به عنوان نمونه سازنده ذراتی مانند پروتون ها نوترون ها هستند.

الکترون ها که سازنده پوشش بیرونی اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تا جایی که می دانیم الکترون ها خود از ساختار های ریزتری تشکیل نشده اند.

● ۷برهمکنش الکترومغناطیسی سازنده نور و چسبندگی مواد

برهمکنش الکترو مغناطیسی می تواند توصیفی مشترک برای بسیاری از پدیده ها که در جهان ما را دربرگرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطکاک، مغناطیس و علت اینکه چرا جسمی بر روی میز از درون میز عبور نمی کند، به کمک این نیرو قابل توضیح هستند.نیروی الکترومغناطیسی که در اتم هیدروژن، الکترون و پروتون را به هم پیوند می دهد به اندازه غیرقابل تصور ۱۰۴۱ بار از نیروی گرانشی بین آ نها قوی تر است. اندازه این دو نیرو متناسب با مربع فاصله کاهش می یابد با این حال نیروی های بلند برد محسوب می شوند.

هر دوی این نیرو ها یعنی الکترو مغناطیس و گرانش توسط ذرات حامل که به ترتیب فوتون (ذرات نور) و گراویتون هستند حمل می شوند. برخلاف فوتون ذره گراویتون هنوز به صورت آزمایشگاهی کشف نشده است. دلیل بلندبرد بودن این دو نیرو را می توان به کمک این واقعیت که ذرات حامل این نیرو ها بدون جرم هستند توضیح داد.فیزیکدانان توانسته اند به کمک تئوری الکترودینامیک کوانتومی QED توصیف مناسبی برای برهمکنش الکترو مغناطیسی ارائه نمایند. این تئوری یکی از موفقیت آمیزترین تئوری های فیزیکی است که با دقت یک در ده میلیون با نتایج آزمایشگاهی توافق دارد. توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۶۵ را برای این نظریه از آن خود کردند. یکی از دلایل موفقیت این نظریه وجود یک ثابت کوچک به اسم ثابت کوپلاژ با مقدار ۱۳۷/۱ در معادلات است. وجود این ثابت کوچک تر از یک این امکان را فراهم می سازد که برای محاسبه اثر نیروی الکترو مغناطیس از بسط سری ها در معادلات استفاده شود. این روش ریاضی که به آن روش حل اختلالی می گویند توسط فاینمن بسط و گسترش یافت.

یکی از خواص مهم نظریه الکترو دینامیک کوانتومی (QED) این است که ثابت کوپلاژ در انرژی های مختلف مقادیر مختلفی دارد. این مقدار با افزایش انرژی افزایش می یابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده CERN مقدار آن به جای ۱۳۷/۱ ، ۱۲۸/۱ در انرژی حدود ۱۰۰ بیلیون الکترون ولت اندازه گیری شده است. اگر نمودار اندازه ثابت کوپلاژ نسبت به انرژی رسم شود، آن گاه این منحنی دارای یک شیب آرام به سمت بالا خواهد بود که فیزیکدانان اصطلاحاً می گویند شیب منحنی یا تابع بتا مثبت است.

● ۷برهمکنش ضعیف و واپاشی رادیواکتیویته

نیروی برهمکنش ضعیف توسط ذرات بوزونی +- Wو Z۰ حمل می شود که برخلاف فوتون و گراویتون دارای جرم هستند (حدود ۱۰۰ برابر جرم پروتون!) و این توضیحی است برای اینکه چرا این نیرو یک نیروی کوتاه برد است. این نیرو هم بر روی کوارک ها و هم بر روی لپتون ها اثر می کند و علت واپاشی رادیواکتیویته است. این نیرو نسبت بسیار نزدیکی با نیروی الکترو مغناطیس دارد به طوری که فیزیکدانان توانستند هر دوی آنها را به صورت نیروی واحدی به نام برهمکنش الکترو ضعیف وحدت ببخشند (۱۹۷۰). جرارد هوفت و مارتینز ولتمن به خاطر فرمول بندی این دو نیرو در یک نظریه واحد جایزه نوبل سال ۱۹۹۹ را از آن خود کردند.

● برهمکنش قوی _ بار و رنگ

از دهه ۱۹۶۰ مشخص شده بود که پروتون و نوترون از ذرات بنیادی تری به اسم کوارک ساخته شده اند. اما نکته عجیب این بود که امکان ساخت ذره کوارک به صورت آزاد وجود نداشت. آنها همیشه محبوس هستند و این خاصیتی بنیادی برای این ذرات است.

تنها جمع کوارک ها به صورت دوتایی و سه تایی می تواند وجود داشته باشد. بار الکتریکی کوارک ها کسری از بار الکتریکی پروتون است به صورت یک سوم یا دو سوم بار پروتون و این خاصیتی است عجیب که هنوز توضیحی برای آن یافت نشده است. هر کوارک علاوه برداشتن بار الکتریکی خاصیت ویژه دیگری نیز دارد که مانند بار الکتریکی کمیتی کوانتنیزه است و تنها می تواند مقادیر ویژه ای داشته باشد. به این خاصیت بار رنگی گفته می شود. کوارک ها می توانند بار رنگی قرمز، آبی و سبز داشته باشند. برای هر کوارک یک پادکوارک نیز وجود دارد مانند پوزیترون که پاد ذره الکترون است. پادکوارک ها دارای بار رنگی پاد قرمز، پاد آبی یا پاد سبز هستند. جمع کوارک هایی که در طبیعت می توانند وجود داشته باشند باید دارای بار رنگی خنثی باشند همانطور که تشکیل مولکول های خنثی (از نظر الکتریکی) به خاطر جاذبه الکتریکی بین اجزای مثبت و منفی آن است. نیروی بین پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نیروی بین بار های رنگی کوارک های تشکیل دهنده آنها به وجود می آید.نیروی بین کوارک ها توسط ذرات حاملی به اسم گلوئون ها حمل می شود. این ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولی برخلاف فوتون ها دارای بار رنگی هستند. همین خصوصیت باعث پیچیدگی توضیح این نیرو و تفاوت آن با نیروی الکترو مغناطیس است.

برای سال ها فیزیکدانان اعتقاد داشتند که نمی توان روشی برای محاسبه برهمکنش قوی میان کوارک ها یافت که شبیه روش محاسبات برهمکنش های الکترو مغناطیسی و ضعیف باشد. به این دلیل که ثابت کوپلاژ برای برهمکنش قوی بزرگ تر از یک است و نمی توان روش اختلالی فاینمن (که در بالا توضیح داده شد) را برای محاسبات این نظریه به کار برد. متاسفانه تا به امروز نیز روش رضایت بخشی برای محاسبه برهمکنش قوی یافت نشده است.به نظر می رسد که شرایط در انرژی های بالا بدتر هم باشد البته به شرط آنکه تابع بتا برای این تئوری مثبت باشد که در نتیجه ثابت کوپلاژ با بالا رفتن انرژی افزایش می یابد و محاسبات را دشوارتر می سازد.کورت زیمانسکی فیزیکدان آلمانی دریافت که تنها راه رسیدن به یک نظریه معقول پیدا کردن یک تابع بتا منفی برای این نظریه است. این رهیافت همچنین می تواند علت آنکه گاهی اوقات کوارک ها در داخل پروتون به صورت ذره های آزاد خود را آشکار می سازند توضیح دهد. اثری که در آزمایش برخورد میان الکترون و پروتون دیده می شود.

متاسفانه زیمانسکی خود نتوانست به این نظریه دست یابد حتی جرارد هوفت در تابستان ۱۹۷۲ به این کشف نزدیک شده بود ولی فیزیکدانان دیگر ناامید شده بودند زیرا شواهد نشان می داد که یک نظریه واقعی باید دارای تابع بتای مثبت باشد. اما امروزه دیگر مشخص شده است که این موضوعی نادرست است زیرا در ژانویه ۱۹۷۳ دو مقاله پی در پی در مجله فیزیکال ریویولترز توسط گراس و ویلچک و دیگری توسط پولیتزر به چاپ رسیدند که در کمال تعجب نشان می دادند تابع بتا می تواند مقادیر منفی داشته باشد. آنها زمانی این کشف را انجام دادند که کاملاً جوان بودند در این حد که حتی گراس و ویلچک هنوز دانشجویان تحصیلات تکمیلی بودند.مطابق نظریه آنها حامل های نیروی برهمکنش قوی یعنی گلوئون ها دارای خاصیتی غیرمنتظره و ویژه هستند به این صورت که آنها نه تنها با کوارک ها بلکه خودشان نیز برهمکنش می کنند.طبق این خاصیت هنگامی که کوارک ها به یکدیگر نزدیک می شوند برهمکنش بار رنگی میان آنها کاهش می یابد. کوارک ها موقعی به یکدیگر نزدیک می شوند که انرژی آنها افزایش یافته باشد و طبق این نظریه اندازه برهمکنش در این هنگام کاهش می یابد. این خاصیت که به آن «آزادی مجانبی» می گویند به معنی منفی بودن تابع بتا است. به عبارت دیگر برهمکنش با افزایش فاصله افزایش می یابد که این می تواند توضیحی برای این باشد که چرا کوارک ها همیشه در نوکلئون ها محبوس هستند. آزادی مجانبی این امکان را فراهم می سازد که بتوان فاصله ای را که در آن کوارک ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار می کنند، محاسبه کرد. با برخورد دادن ذرات در انرژی های بسیار زیاد با یکدیگر می توان آنها را به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک کرد. هنگامی که آزادی مجانبی کشف شد و نظریه QCD فرمول بندی شد محاسبات توانستند توافق بسیار خوبی با نتایج آزمایشگاهی از خود نشان دهند. شکل ۲۷ آبشار ذرات حقیقت را فاش می کند.

یکی از مهم ترین اثبات های نظریه QCD توسط آزمایش برخورد الکترون و پاد ذره آن یعنی پوزیترون در انرژی های بالا صورت می گیرد. در این آزمایش الکترون و پوزیترون یکدیگر را نابود می کنند و مطابق معادله اینشتین E=mc۲ انرژی این ذرات می تواند به صورت ذرات جدیدی ظاهر شود، به عنوان مثال ذرات کوارک. در این فرآیند ذرات کوارک در فواصل بسیار نزدیک به هم آفریده می شوند و با سرعت بسیار زیادی از یکدیگر دور می شوند. امروزه می توان این فرآیند را به کمک مفهوم آزادی مجانبی به دقت محاسبه کرد.در حقیقت وقتی کوارک ها می خواهند از یکدیگر دور شوند تحت تاثیر نیروی افزایش یابنده برهمکنش قوی قرار می گیرند (در بخش قبل توضیح داده شد) که این نیرو باعث تولید زوج ذرات جدید کوارک می شود و بدین ترتیب آبشاری (رگباری) از ذرات در جهت کوارک و پادکوارک اولیه تولید می شود. با این حال این فرآیند خاطره ای از آزادی مجانبی ذرات اولیه را در خود نگه می دارد که می توان تاثیر آن را بر احتمالات وقایعی که در آبشار ذرات اتفاق می افتد محاسبه کرد. نتایج این محاسبات با آزمایش ها توافق زیادی دارد.واقعه بسیار قانع کننده دیگری که در شتاب دهنده DESY در هامبورگ آلمان در اواخر ۱۹۷۰ یافت شد وجود سه آبشار در آ زمایشات بود که این فرآیند را می توان در نظر گرفتن تابش گلوئون از کوارک _ پادکوارک اولیه به خوبی توضیح داد. (شکل سه)آزادی مجانبی حتی توانست پدیده ای را که قبلاً در شتاب دهنده استانفورد دیده شده بود توجیه نماید. (فریدمن_ کندال و تیلور- جایزه نوبل ۱۹۹۰) اجزای سازنده پروتون ها که دارای بار الکتریکی هستند (کوارک ها) در انرژی های بالا به صورت ذرات آزاد عمل می کنند در این حالت اندازه حرکت کوارک ها تنها نصف اندازه حرکت پروتون ساخته شده از آنها است و بقیه اندازه حرکت پروتون ناشی از اندازه حرکت گلوئون ها است.

آیا می توان نیروهای طبیعت را وحدت بخشید

●به وجود آمدن امکان توصیف واحد برای نیروهای طبیعت

QCD یکی از جالب ترین آثار آزادی مجانبی در نظریه است. هنگامی که نمودار مقدار ثابت کوپلاژ بر حسب انرژی را برای برهمکنش های الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی بررسی می کنیم، این موضوع آشکار می شود که این سه نمودار یکدیگر را در یک نقطه ای با انرژی بالا (به طور تقریبی نه به صورت دقیق) قطع می کنند و در این نقطه مقدار یکسانی دارند. بدین ترتیب می توان دید که این سه نیرو با همدیگر یکی شده اند و این یکی از رویاهای قدیمی فیزیکدانان است که دوست دارند قوانین طبیعت را به ساده ترین زبان ممکن توضیح دهند.با این حال برای آنکه رویای وحدت نیروها به واقعیت بپیوندد باید اصلاحاتی در مدل استاندارد به وجود آورد. یک راه ممکن در نظر گرفتن ذرات جدیدی به اسم ذرات ابرتقارن است که اگر جرمشان به اندازه کافی کم باشد می توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت LHC در CERN بررسی کرد.اگر ابرتقارن کشف شود می تواند پشتوانه قویی برای نظریه ابرریسمان ها باشد که آن نیز شاید بتواند نیروی گرانش را با بقیه نیروها وحدت ببخشد. صرف نظر از این پیشرفت ها کشف آزادی مجانبی در QCD تغییرات عمیقی را در فهم ما از نیروهای بنیادین طبیعت به وجود آورده است.

به نقل از سی پی اچ تئوری

منبع : bikaraneye-elm.blogsky.com