غزال زیاری: همهچیز در هستی بر دوش ذرات است. چه به شکل پروتونها و نوترونهایی که عناصر شیمیایی را میسازند، چه بهصورت فوتونهایی که ما آنها را به شکل نور درک میکنیم. ذرات زیراتمی اساساً هر چیزی که ما تجربه میکنیم را تشکیل میدهند. با این حال چون این ذرات به طرز شگفتانگیزی کوچک هستند، اغلب از دید و درک ما پنهان میمانند.
یکی از پرسشهای اساسی درباره این ذرات اندازهشان است. آنها آنقدر کوچک هستند که کلمه ابعاد، معنای واقعیاش را از دست میدهد. معمولاً تصور ما از ذرات، کرههای رنگی کوچک و جامدی است که میتوان آنها را با خطکش اندازهگیری کرد. اما در واقعیت چنین نیست.
باوجود اینکه برای بزرگترین ذرات میتوان تعریفی کلی از اندازه داشت، اما برای ذرات بنیادیتر این مفهوم تقریباً بیمعنا میشود. اگر بخواهیم به یکی از پرجستوجوترین پرسشهای مطرح شده در گوگل بپردازیم، مردم واقعاً میخواهند بدانند: “کوچکترین ذره در جهان چیست؟”
معنای «کوچک» چیست؟
جانت کنراد، فیزیکدان ذرات در دانشگاه MIT میگوید: «کوچک معانی متفاوتی دارد. مثلاً یک گلوله پنبه را میتوان کوچک دانست چون خیلی سبک است. یا یک توپ فلزی کوچک را میتوان کوچک دانست چون شعاع کمی دارد، هرچند سنگینتر از پنبه است.» او در ادامه توضیح داد که باید بین کوچکترین ذره از نظر جرم و کوچکترین ذره از نظر قطر تمایز قائل شد و درعینحال باید تفاوت میان دو گروه اصلی ذرات را در نظر گرفت.
- فرمیونها: ذراتی مثل پروتون و الکترون که همهچیز از آنها ساختهشده است.
- بوزونها: ذرات حامل نیرو مثل فوتونها که برهمکنشها را میان فرمیونها منتقل میکنند.
اما مهمتر از همه، تفاوت میان ذرات بنیادی و غیربنیادی است. اگر ذرهای نتواند به ذرات کوچکتری شکسته شود، “بنیادی” نام میگیرد. بنابراین پروتون بنیادی نیست، چون اگر با انرژی کافی به آن برخورد کنید، به کوارکها تجزیه میشود.
مشکل تعریف اندازه
خوان پدرو اوچوآ-ریکس، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا در این رابطه توضیح داد: «طبق مدل استاندارد فیزیک ذرات، همه ذرات بنیادی “اندازه” ندارند. آنها مثل نقاط ریاضی هستند؛ بدون بُعد، بدون شعاع و بدون ساختار داخلی. پس بهجای تصور الکترونها بهعنوان توپهای کوچک، باید آنها را مثل “ابر احتمالاتی” دید که مکانشان تنها با احتمال مشخص میشود. ما بارها آزمایش کردهایم تا ببینیم آیا این ذرات بُعد یا گستره فضایی دارند یا نه. اما هیچ نشانهای از ساختار درونی نیافتهایم.»
راهحل محققان
فیزیکدانان برای گریز از این بنبست، از معادله مشهور اینشتین یعنی E = mc۲ استفاده میکنند. واحد متداول در این زمینه “الکترونولت” (eV) است.
- جرم الکترون تقریباً ۰.۵۱ MeV/c² یا حدود ۹.۱×۱۰−۳۱۹.۱×۱۰^{-۳۱}۹.۱×۱۰−۳۱ کیلوگرم است.
- کوچکترین کوارک، یعنی کوارک بالا (up quark) ، حدود ۲.۱۴ MeV/c² جرم دارد؛ یعنی بیش از چهار برابر سنگینتر از الکترون.
اما برخی ذرات حتی از این هم سبکتر»هستند: ذراتی مثل فوتونها که جرمشان صفر است.
کاندیداهای کوچکترین ذره جهان
-
در میان بوزونها (ذرات حامل نیرو):
فوتونها (ذرات نور) کوچکترین ذرات محسوب میشوند، چون بیجرماند. گلوئونها هم احتمالاً بیجرم هستند، اما مطالعهشان دشوارتر است.
-
در میان فرمیونها (ذرات ماده):
بهترین گزینه نوترینو است. جرم نوترینو هنوز دقیقاً معلوم نیست، اما بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است؛ کمتر از یک میلیونیم جرم الکترون.
یک پرسش، پاسخهای بسیار
درنهایت، پاسخ به این پرسش که “کوچکترین ذره جهان کدام است؟” بستگی دارد به اینکه چگونه سؤال را مطرح میکنیم:
- اگر معیار جرم باشد: فوتون یا نوترینو.
- اگر معیار قطر یا ساختار باشد: همه ذرات بنیادی اساساً بیبعد و بدون اندازهاند.
منبع: scientificamerican
۵۸۳۲۱
