نيروى برهمكنش قوى



نيروى برهمكنش قوى كه اغلب به آن برهمكنش رنگى نيز مى گويند يكى از چهار نيروى بنيادين طبيعت است. اين نيرو بين كوارك ها كه ذرات بنيادى سازنده پروتون ها، نوترون ها و نوكلئون ها هستند عمل مى كند. ديويد گراس، ديويد پوليتزر و فرانك ويلچك خاصيتى از نيروى برهمكنش قوى را كشف كردند كه به كمك آن مى توان توضيح داد به چه علت رفتار كوارك ها تنها در انرژى هاى بسيار زياد مانند رفتار ذرات آزاد است. (در حالى كه بقيه ذرات بنيادى در انرژى هاى معمول نيز چنين رفتارى را از خود بروز مى دهند. به عبارت ديگر كوارك ها در انرژى هاى پايين هميشه در دل ذرات كه از دو يا سه كوارك ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژى هاى پايين هميشه به صورت تركيب شده باكوارك هاى ديگر ديده مى شوند.



اين تئورى از بسيارى جهات توسط آزمايش هاى مختلفى به خصوص در سال هاى اخير در آزمايشگاه سرن (CERN) بررسى شده است. اين كشفيات توانسته اند پايه اى براى تئورى برهمكنش رنگ ها (كروموديناميك كوانتومى (QCD پى ريزى نمايند.



مدل استاندارد و چهار نيروى بنيادى طبيعت



اولين نيرويى كه انسان ها با آن آشنا شدند نيروى گرانش است. اين نيرو باعث افتادن اجسام بر روى زمين و همچنين گردش سيارات به دور خورشيد و حركت ستاره ها در كهكشان است. به نظر مى رسد كه نيروى گرانش نيروى بسيار قويياى است به عنوان مثال ارسال يك موشك به خارج از جو زمين احتياج به صرف انرژى و سوخت بسيارى دارد. با اين حال در جهان ريز (ميكرو سكوپيك) در مقايسه با نيروى بين ذراتى از قبيل الكترون و پروتون نيروى گرانش نيروى بسيار ضعيفى است [شكل (1)]. سه نيروى ديگر طبيعت كه اثر آنها اغلب در حوزه جهان هاى ريز (ميكروسكوپيك) ديده مى شود عبارتند از نيرو هاى برهمكنش.



الكترو مغناطيسى بر همكنش ضعيف و برهمكنش قوى. چگونگى عملكرد اين سه نيرو توسط نظريه مدل استاندارد توضيح داده مى شود. اين نظريه، نظريه اى بسيار قوى است براى اينكه مى تواند نظريه نسبيت خاص اينشتين و مكانيك كوانتومى را يكجا دربربگيرد. (البته به خاطر مسائل و مشكلات تكنيكى هنوز نمى توان آن را نظريه اى كامل و سازگار دانست.)



مدل استاندارد مى تواند توضيحى براى كوارك ها، لپتون ها و ذراتى كه نيروها را حمل مى كنند ارائه كند. كوارك ها به عنوان نمونه سازنده ذراتى مانند پروتون ها نوترون ها هستند.



الكترون ها كه سازنده پوشش بيرونى اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تاجايى كه مى دانيم الكترون ها خود از ساختار هاى ريزترى تشكيل نشده اند.



7برهمكنش الكترومغناطيسى سازنده نور و چسبندگى مواد



برهمكنش الكترو مغناطيسى مى تواند توصيفى مشترك براى بسيارى از پديده ها كه در جهان ما را دربرگرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطكاك، مغناطيس و علت اينكه چرا جسمى بر روى ميز از درون ميز عبور نمى كند، به كمك اين نيرو قابل توضيح هستند.نيروىالكترومغناطيسى كه در اتم هيدروژن، الكترون و پروتون را به هم پيوند مى دهد به اندازه غيرقابل تصور 1041 بار از نيروى گرانشى بين آ نها قوى تر است. اندازه اين دو نيرو متناسب با مربع فاصله كاهش مى يابد با اين حال نيروى هاى بلند برد محسوب مى شوند.



هر دوى اين نيرو ها يعنى الكترو مغناطيس و گرانش توسط ذرات حامل كه به ترتيب فوتون (ذرات نور) و گراويتون هستند حمل مى شوند. برخلاف فوتون ذره گراويتون هنوز به صورت آزمايشگاهى كشف نشده است. دليل بلندبرد بودن اين دو نيرو را مى توان به كمك اين واقعيت كه ذرات حامل اين نيرو ها بدون جرم هستند توضيح داد.فيزيكدانان توانسته اند به كمك تئورى الكتروديناميك كوانتومى QED توصيف مناسبى براى برهمكنش الكترو مغناطيسى ارائه نمايند. اين تئورى يكى از موفقيت آميزترين تئورى هاى فيزيكى است كه با دقت يك در ده ميليون با نتايج آزمايشگاهى توافق دارد. توموناگا، جوليان شوينگر و ريچارد فاينمن جايزه نوبل فيزيك در سال 1965 را براى اين نظريه از آن خود كردند. يكى از دلايل موفقيت اين نظريه وجود يك ثابت كوچك به اسم ثابت كوپلاژ با مقدار 137/1 در معادلات است. وجود اين ثابت كوچك تر از يك اين امكان را فراهم مى سازد كه براى محاسبه اثر نيروى الكترو مغناطيس از بسط سرى ها در معادلات استفاده شود. اين روش رياضى كه به آن روش حل اختلالى مى گويند توسط فاينمن بسط و گسترش يافت.



يكى از خواص مهم نظريه الكترو ديناميك كوانتومى (QED) اين است كه ثابت كوپلاژ در انرژى هاى مختلف مقادير مختلفى دارد. اين مقدار با افزايش انرژى افزايش مى يابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده CERN مقدار آن به جاى 137/1 ، 128/1 در انرژى حدود 100 بيليون الكترون ولت اندازه گيرى شده است. اگر نمودار اندازه ثابت كوپلاژ نسبت به انرژى رسم شود، آن گاه اين منحنى داراى يك شيب آرام به سمت بالا خواهد بود كه
فيزيكدانان اصطلاحاً مى گويند شيب منحنى يا تابع بتا مثبت است.



7برهمكنش ضعيف و واپاشى راديواكتيويته



نيروى برهمكنش ضعيف توسط ذرات بوزونى +- Wو Z0 حمل مى شود كه برخلاف فوتون و گراويتون داراى جرم هستند (حدود 100 برابر جرم پروتون!) و اين توضيحى است براى اينكه چرا اين نيرو يك نيروى كوتاه برد است. اين نيرو هم بر روى كوارك ها و هم برروى لپتون ها اثر مى كند و علت واپاشى راديواكتيويته است. اين نيرو نسبت بسيار نزديكى با نيروى الكترو مغناطيس دارد به طورى كه فيزيكدانان توانستند هر دوى آنها را به صورت نيروى واحدى به نام برهمكنش الكترو ضعيف وحدت ببخشند (1970). جرارد هوفت و مارتينز ولتمن به خاطر فرمول بندى اين دو نيرو در يك نظريه واحد جايزه نوبل سال 1999 را از آن خود كردند.



برهمكنش قوى _ بار و رنگ



از دهه 1960 مشخص شده بود كه پروتون و نوترون از ذرات بنيادى ترى به اسم كوارك ساخته شده اند. اما نكته عجيب اين بود كه امكان ساخت ذره كوارك به صورت آزاد وجود نداشت. آنها هميشه محبوس هستند و اين خاصيتى بنيادى براى اين ذرات است.



تنها جمع كوارك ها به صورت دوتايى و سه تايى مى تواند وجود داشته باشد. بار الكتريكى كوارك ها كسرى از بار الكتريكى پروتون است به صورت يك سوم يا دو سوم بار پروتون و اين خاصيتى است عجيب كه هنوز توضيحى براى آن يافت نشده است. هر كوارك علاوه برداشتن بار الكتريكى خاصيت ويژه ديگرى نيز دارد كه مانند بار الكتريكى كميتى كوانتنيزه است و تنها مى تواند مقادير ويژه اى داشته باشد. به اين خاصيت بار رنگى
گفته مى شود. كوارك ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر كوارك يك پادكوارك نيز وجود دارد مانند پوزيترون كه پاد ذره الكترون است. پادكوارك ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى يا پاد سبز هستند. جمع كوارك هايى كه در طبيعت مى توانند وجود داشته باشند بايد داراى بار رنگى خنثى باشند همانطور كه تشكيل مولكول هاى خنثى (از نظر الكتريكى) به خاطر جاذبه الكتريكى بين اجزاى مثبت و منفى آن است. نيروى بين پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نيروى بين بار هاى رنگى كوارك هاى تشكيل دهنده آنها به وجود مى آيد.نيروى بين كوارك ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. اين ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار رنگى هستند. همين خصوصيت باعث پيچيدگى توضيح اين نيرو و تفاوت آن با نيروى الكترو مغناطيس است.



براى سال ها فيزيكدانان اعتقاد داشتند كه نمى توان روشى براى محاسبه برهمكنش قوى ميان كوارك ها يافت كه شبيه روش محاسبات برهمكنش هاى الكترو مغناطيسى و ضعيف باشد. به اين دليل كه ثابت كوپلاژ براى برهمكنش قوى بزرگ تر از يك است و نمى توان روش اختلالى فاينمن (كه در بالا توضيح داده شد) را براى محاسبات اين نظريه به كار برد. متاسفانه تا به امروز نيز روش رضايت بخشى براى محاسبه برهمكنش قوى يافت نشده است.به نظر مى رسد كه شرايط در انرژى هاى بالا بدتر هم باشد البته به شرط آنكه تابع بتا براى اين تئورى مثبت باشد كه در نتيجه ثابت كوپلاژ با بالا رفتن انرژى افزايش مى يابد و محاسبات را دشوارتر مى سازد.كورت زيمانسكى فيزيكدان آلمانى دريافت كه تنها راه رسيدن به يك نظريه معقول پيدا كردن يك تابع بتا منفى براى اين نظريه است. اين رهيافت همچنين مى تواند علت آنكه گاهى اوقات كوارك ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشكار مى سازند توضيح دهد. اثرى كه در آزمايش برخورد ميان الكترون و پروتون ديده مى شود.



متاسفانه زيمانسكى خود نتوانست به اين نظريه دست يابد حتى جرارد هوفت در تابستان 1972 به اين كشف نزديك شده بود ولى فيزيكدانان ديگر نااميد شده بودند زيرا شواهد نشان مى داد كه يك نظريه واقعى بايد داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه ديگرمشخص شده است كه اين موضوعى نادرست است زيرا در ژانويه 1973 دو مقاله پى در پى در مجله فيزيكال ريويولترز توسط گراس و ويلچك و ديگرى توسط پوليتزر به چاپ رسيدند كه در كمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادير منفى داشته باشد. آنها زمانى اين كشف را انجام دادند كه كاملاً جوان بودند در اين حد كه حتى گراس و ويلچك هنوز دانشجويان تحصيلات تكميلى بودند.مطابق نظريه آنها حامل هاى نيروى برهمكنش قوى يعنى گلوئون ها داراى خاصيتى غيرمنتظره و ويژه هستند به اين صورت كه آنها نه تنها با كوارك ها بلكه خودشان نيز برهمكنش مى كنند.طبق اين خاصيت هنگامى كه كوارك ها به يكديگر نزديك مى شوند برهمكنش بار رنگى ميان آنها كاهش مى يابد. كوارك ها موقعى به يكديگر نزديك مى شوند كه انرژى آنها افزايش يافته باشد و طبق اين نظريه اندازه برهمكنش در اين هنگام كاهش مى يابد. اين خاصيت كه به آن «آزادى مجانبى» مى گويند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت ديگر برهمكنش با افزايش فاصله افزايش مى يابد كه اين مى تواند توضيحى براى اين باشد كه چرا كوارك ها هميشه در نوكلئون ها محبوس هستند. آزادى مجانبى اين امكان را فراهم مى سازد كه بتوان فاصله اى را كه در آن كوارك ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى كنند، محاسبه كرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسيار زياد با يكديگر مى توان آنها را به اندازه كافى به يكديگر نزديك كرد. هنگامى كه آزادى مجانبى كشف شد و نظريه QCD فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسيار خوبى با نتايج آزمايشگاهى از خود نشان دهند. يكى از مهم ترين اثبات هاى نظريه QCD توسط آزمايش برخورد الكترون و پاد ذره آن يعنى پوزيترون در انرژى هاى بالا صورت مى گيرد. در اين آزمايش الكترون و پوزيترون يكديگر را نابود مى كنند و مطابق معادله اينشتين E=mc2 انرژى اين ذرات مى تواند به صورت ذرات جديدى ظاهر شود، به عنوان مثال ذرات كوارك. در اين فرآيند ذرات كوارك در فواصل بسيار نزديك به هم آفريده مى شوند و با سرعت بسيار زيادى از يكديگر دور مى شوند.
امروزه مى توان اين فرآيند را به كمك مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه كرد.در حقيقت وقتى كوارك ها مى خواهند از يكديگر دور شوند تحت تاثير نيروى افزايش يابنده برهمكنش قوى قرار مى گيرند (در بخش قبل توضيح داده شد) كه اين نيرو باعث توليد زوج ذرات جديد كوارك مى شود و بدين ترتيب آبشارى (رگبارى) از ذرات در جهت كوارك و پادكوارك اوليه توليد مى شود. با اين حال اين فرآيند خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اوليه را در خود نگه مى دارد كه مى توان تاثير آن را بر احتمالات وقايعى كه در آبشار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه كرد. نتايج اين محاسبات با آزمايش ها توافق زيادى دارد.واقعه بسيار قانع كننده ديگرى كه در شتاب دهنده DESY در هامبورگ آلمان در اواخر 1970 يافت شد وجود سه آبشار در آ زمايشات بود كه اين فرآيند را مى توان در نظر گرفتن تابش گلوئون از كوارك _ پادكوارك اوليه به خوبى توضيح داد.آزادى مجانبى حتى توانست پديده اى را كه قبلاً در شتاب دهنده استانفورد ديده شده بود توجيه نمايد. (فريدمن_ كندال و تيلور- جايزه نوبل 1990) اجزاى سازنده پروتون ها كه
داراى بار الكتريكى هستند (كوارك ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى كنند در اين حالت اندازه حركت كوارك ها تنها نصف اندازه حركت پروتون ساخته شده از آنها است و بقيه اندازه حركت پروتون ناشى از اندازه حركت گلوئون ها است.



به وجود آمدن امكان توصيف واحد براى نيروهاى طبيعت



QCD يكى از جالب ترين آثار آزادى مجانبى در نظريه است. هنگامى كه نمودار مقدار ثابت كوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمكنش هاى الكترومغناطيسى، ضعيف و قوى بررسى مى كنيم، اين موضوع آشكار مى شود كه اين سه نمودار يكديگر را در يك نقطه اى با انرژىبالا (به طور تقريبى نه به صورت دقيق) قطع مى كنند و در اين نقطه مقدار يكسانى دارند. بدين ترتيب مى توان ديد كه اين سه نيرو با همديگر يكى شده اند و اين يكى از روياهاى قديمى فيزيكدانان است كه دوست دارند قوانين طبيعت را به ساده ترين زبان ممكن توضيح دهند.با اين حال براى آنكه روياى وحدت نيروها به واقعيت بپيوندد بايد اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. يك راه ممكن در نظر گرفتن ذرات جديدى به اسم ذرات ابرتقارن است كه اگر جرمشان به اندازه كافى كم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت LHC در CERN بررسى كرد.اگر ابرتقارن كشف شود مى تواند پشتوانه قويى براى نظريه ابرريسمان ها باشد كه آن نيز شايد بتواند نيروى گرانش را با بقيه نيروها وحدت ببخشد. صرف نظر از اين پيشرفت ها كشف آزادى مجانبى در QCD تغييرات عميقى را در فهم ما از نيروهاى بنيادين طبيعت به وجود آورده است