جهان چگونه کار می کند؟ on Telegram: “آیا واقعا پروتون ها حاوی کوارک های افسون هستند؟…”

آیا واقعا پروتون ها حاوی کوارک های افسون هستند؟

گروهی از کانال ها و خبرگزاری های داخلی و خارجی مروج شبه علم خبر گمراه کننده‌ای را منتشر کردند مبنی بر این که "پروتون ها حاوی کوارک های افسون (Charm Quarks) هستند که از خود پروتون سنگین تر هستند!" که به هیچ وجه واقعیت نداشته و به صورت ناقص و گمراه ‌کننده بیان شده است. در مطلب زیر اتان سیگل در رد این مورد به صورت مفصل و روان صحبت کرده است.
هر پروتون دارای سه کوارک است: دو کوارک بالا و یک کوارک پایین. اما کوارک های افسون، سنگین تر از خود پروتون، در داخل آن یافت شده اند.چگونه؟
پروتون‌ها ذرات مرکب هستند که از کوارک‌ها و گلوئون‌ها موجود در ساختار داخلی خود تشکیل شده‌اند که می‌توانیم آن‌ها را از طریق آزمایش‌های فیزیک ذرات و تکنیک‌هایی مانند پراکندگی ناکشسان عمیق (ژرف) بررسی و شناسایی کنیم. با اندازه‌گیری آنچه که از یک برخورد پرانرژی بیرون می‌آید، می‌توانیم آنچه را که در نقطهٖ برخورد اتفاق افتاده بازسازی کنیم، و تعیین کنیم که کدام ذرات تشکیل‌دهنده درون پروتون با هم برخورد کرده‌اند. با این حال، به‌جای کوارک‌های بالا و پایین (و همچنین گلوئون‌ها)، اخیراً در اثر برخورد، یک کوارک افسون در داخل پروتون پیدا کردیم. چطور ممکن است؟
در آغاز قرن بیستم، ما هنوز در حال کشف ساختار ماده بودیم. ما می دانستیم که همه چیز از اتم ها تشکیل شده است و الکترون هایی با بار منفی در آنها وجود دارد، اما بقیهٔ اتم یک راز بود. در طول 120 سال گذشته، ما متعاقباً متوجه شدیم که یک هستهٔ کوچک، عظیم و دارای بار مثبت وجود دارد که در هر اتم لنگر می‌اندازد. خود این هسته از نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) تشکیل شده است که هر یک از آنها از کوارک ها و گلوئون ها تشکیل شده است. پروتون ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده اند، در حالی که نوترون ها از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تشکیل شده اند.اما چهار نوع بنیادی دیگر از کوارک وجود دارد: شگفت (Strange)، افسون (Charm) ، ته (Bottom) و سر (Top)، که سه مورد آخر همگی سنگین تر از خود پروتون هستند. پس چگونه ممکن است چنین ذره ای در داخل یک پروتون یافت شود؟ این چیزی است که حامی پاترئون(Patreon) ما آرون وایس می خواهد بداند و می پرسد: "چگونه کوارک های افسون در پروتون ها وجود دارند؟ من فکر می‌کردم کوارک‌های افسون از پروتون‌ها پرجرم‌تر هستند، پس چگونه این امکان وجود دارد؟ این که "کوارک های سنگین نیز به عنوان بخشی از تابع موج پروتون وجود دارند" [همانطور که در این مقاله بیان شد] به چه معناست؟"
این یک سؤال عمیق است که ما را وادار می کند اساساً در نحوهٔ رفتار ماده در کوچکترین مقیاس تجدید نظر کنیم. بیایید به سراغ حل و فصل این موضوع برویم!
در سطح ابتدایی، ما درک می کنیم که هر چیزی که در جهان وجود دارد از کوانتوم های بنیادی و غیرقابل تقسیم تشکیل شده است: ذراتی که از قوانین عجیب و غریب و غالباً غیرمعمول فیزیک کوانتومی پیروی می کنند. ماده معمولی که ما با آن آشنا هستیم از اتم هایی ساخته شده است که خود از هسته و الکترون تشکیل شده اند، با هسته هایی متشکل از پروتون ها و نوترون ها که هر کدام ساختار داخلی منحصر به فرد خود را دارند.
هنگامی که بیشتر ما در مورد ساختار داخلی یک پروتون یا نوترون فکر می کنیم، به سه کوارک فکر می کنیم که خواص آنها مانند بار الکتریکی، گشتاورهای مغناطیسی، جرم آنها و غیره را تعیین می کنند. سبک ترین ذرات همیشه پایدارترین هستند، زیرا ذرات سنگین تر می توانند به ذرات سبک تر تجزیه شوند؛ از این رو جای تعجب نیست که مادهٔ معمولی که ما با آن آشنا هستیم از دو نوع کوارک سبک ساخته شده است: کوارک بالا و کوارک پائین.
با کوارک های بالا دارای بار ⅔+ هرکدام و کوارک های پایین دارای بارهای ⅓- هر کدام، راهی که به یک پروتون (با بار +1) می رسید ترکیب دو کوارک بالا با یک کوارک پایین است (از ⅔ + ⅔ + ⅓- = 1+)، در حالی که روش بدست آوردن یک نوترون (با بار 0) این است که دو کوارک پایین را با یک کوارک بالا ترکیب کنید (از ⅓- + ⅓- + ⅔ = 0).
دلیل اینکه شما به سه کوارک نیاز دارید، نحوهٔ عملکرد نیروی قوی است. نیروی قوی چیزی است که به کوارک ها اجازه می دهد تا حالت های محدود را تشکیل دهند و از قوانین نظریه ای به نام کرومودینامیک کوانتومی (quantum chromodynamics) پیروی می کند. در کرومودینامیک، هر کوارک یک "بار رنگ" برای خود دارد که هر گلوئون ترکیب "رنگ-پاد رنگ" به آن اختصاص داده شده است. رنگ ها می توانند قرمز، سبز و آبی باشند، در حالی که پاد رنگ ها، رنگ های متضاد آنها در چرخهٔ رنگ هستند: فیروزه ای، سرخابی و زرد. با این حال، تنها حالت‌های پایدار و محدودی که اجازهٔ وجود دارند، ترکیباتی هستند که در کل کاملاً بی رنگ هستند.

ادامهٔ مطلب
-
«Channel of Science is for all»