در این فصل ابتدا توضیحی در مورد ذرات تشکیل دهنده جهان و خصوصیات آنها داده شده و در انتها به صورت مختصر مطالبی که در فصول بعدی مورد بحث قرارگرفته آورده شده است.

نمودار شکل (1-1)، یک خط زمانی از ابتدای جهان، که به اصطلاح «مهبانگ[1]»  نامیده می­ شود، تا به حال را نشان می­دهد و می­رساند که چگونه و طی چه مراحلی جهان سرد شده تا به دنیای کنونی رسیده­ایم. با نگاهی به اولین لحظات جهان، مشاهده می­ شود که در ده میکرو­ثانیه اول بعد از مهبانگ و در دماهای بالاتر از  درجه کلوین، حالتی از ماده شامل کوارک­ها و گلوئون­ها به صورت یک پلاسمای کوارک- گلوئونی به نام «پلاسمای کوارک- گلوئونی[2]» (QGP) وجود داشته است. این حالت ناپایدار کوارک- گلوئونی در مدت بسیار کوتاهی سرد شده و پروتون­ها و نوترون­ها (هادرون­سازی[3])، سپس هسته­ها (هسته­سازی[4]) و به دنبال آن اتم­ها ایجاد شده ­اند. در نهایت این اتم­ها در کنار یکدیگر مولکول­ها را تشکیل داده و دنیای کنونی را که در آن زندگی می­کنیم به وجود آورده­اند.

امروزه تحقیقات فیزیک ذرات نمایانگر جاه­طلبانه­­ترین و هماهنگ­ترین تلاش انسان برای پاسخ به این سوال است که جهان از چه ساخته شده است؟ به همین منظور ابتدا مروری بر فیزیک ذرات خواهیم داشت [2،1].

 

قانونمندی­های جدول مندلیف راهی بود به سوی هسته­ها و ذراتی به نام پروتون­ها و نوترون­ها (که مجموعاً به نام نوکلئون­ها خوانده می­شوند) که با نیروی قوی هسته­ای به هم چسبیده­اند تا هسته­ها را تشکیل دهند. اینها از طریق نیروی الکترومغناطیسی با الکترون­ها جفت شده ­اند تا اتم­ها و عناصر شیمیایی را ایجاد کنند. تبدیل نوترون­ها به پروتون­ها از طریق برهم­کنش ضعیف مسئول واپاشی بتایی هسته­ها و همچنین واپاشی آرام نوترون به پروتون به همراه یک الکترون و یک پادنوترینو می­باشد. مشخص شد که نوترون­ها و پروتون­ها تنها نیستند، بلکه سبک­ترین ذرات در یک طیف از حالات فرمیونی به نام باریون­ها هستند که در برهم­کنش قوی شرکت می­ کنند. به طور مشابه بوزون­های شرکت کننده در برهم­کنش­های قوی  به نام مزون­ها، نیز کشف شدند که پایون سبک­ترین آنها بود. فرمیون­ها (بوزون­ها) به حالات ذراتی با اسپین  دلالت می­ کند که n عدد صحیح فرد (زوج) است. تمام ذراتی که در برهم­کنش­های قوی شرکت می­ کنند، مانند باریون­ها و مزون­ها، مجموعاً به نام “هادرون­ها” خوانده می­شوند.

 

الکترودینامیک کوانتومی ساده­ترین مثال از چنین نظریه­ای می­باشد. تصور می­ شود برهم­کنش­های ضعیف و قوی کوارک­ها و لپتون­ها، هر دو به وسیله نظریه ­های پیمانه­ای قابل توصیف باشند. مدل وحدت یافته الکتروضعیف[1] و کرومودینامیک کوانتومی (QCD)، اثر متقابل مدل­ها و ایده­ ها که در چارچوب کلی نظریه ­های پیمانه­ای

خرید اینترنتی فایل متن کامل :

 

 

 فرمولبندی شده ­اند، به همراه اطلاعات تجربی جدید، زمینه مساعدی را برای پیشرفت­های مکرر فراهم ساخته­اند.

شواهد فراوانی دال بر اینکه نوکلئون­ها از ذراتی به نام کوارک تشکیل شده ­اند، وجود دارد. باریون­ها حالت مقید سه کوارک می­باشند و مزون­ها از یک کوارک و یک پاد کوارک تشکیل یافته­اند. بنابراین طرح کوارکی بطور طبیعی با تقسیم هادرون­ها به دو دسته باریون­ها (حالت فرمیونی سه کوارکی) و مزون­ها (حالت بوزونی کوارک-پادکوارک) مطابقت دارد.

یک موفقیت آنی مدل کوارکی در طبیعت نظری آن مستتر است. پروتون­ها و نوترون­ها اشیایی نسبتاً پیچیده با اندازه و ساختار کوارکی درونی می­باشند. از طرف دیگر نظریه میدان­های کوانتومی مربوط به ذرات بنیادی نقطه­ای، یعنی اشیاء بدون ساختار، مثل الکترون، می­باشد. کوارک­های بدون ساختار به جای نوکلئون­ها، سرشت­های بنیادینی هستند که با نظریه میدان­های کواتومی توصیف می­شوند. معرفی آنها ما را قادر به کاوش برهم­کنش­های دیگر با همان تکنیک­های نظری قدرتمندی می­سازد که در توصیف خواص و برهم­کنش­های الکترومغناطیسی الکترون­ها بسیار موفق بوده ­اند (الکترودینامیک کوانتومی).

به علت اصل طرد پائولی برای ذرات با اسپین 2/1 برای حالت­های باریونی و مزونی، یک خاصیت یا عدد کوانتومی جدید برای کوارک­ها (نه برای لپتون­ها) به نام”رنگ” پیشنهاد شد. فرض می­ شود که کوارک­ها به سه رنگ اصلی پدیدار می­شوند: قرمز، سبز و آبی. تمام رنگ­های طبیعی را می­توان از ترکیب سه رنگ اصلی ساخت. عدد کوانتمی رنگ را باید به طریقی معرفی کرد که تعداد حالات مجاز را زیاد نکند، در غیر این صورت نظریه با مشاهده در تناقض خواهد بود. این عمل بدین صورت انجام می­­شود که تاکید شود تمام ذرات قابل مشاهده باید بدون رنگ یا سفید باشند.

واسط برهم­کنش­های قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف همگی بوزون­های برداری با اسپین 1 هستند. این بوزون­های برداری واسطه، در برهم­کنش­ها با بارهای ذرات جفت می­شوند. شناخته­شده­ترین نوع بار، بار الکترونیکی است. انتشار دهنده برهم­کنش الکترومغناطیسی، فوتون، به بار الکتریکی ذره جفت می­ شود. انتشار دهنده­های برهم­کنش­های ضعیف، W و Z، به بار ضعیف جفت می­شوند و انتشار دهنده­های نیروهای قوی، گلوئون­ها، نیز به بار رنگی جفت می­شوند، که اولین بار توسط گرینبرگ[2] در سال 1964 بیان شد. بنابرین در حالیکه تنها یک نوع بار الکتریکی وجود دارد،  سه نوع بار رنگی وجود دارد و نتیجتاً برهم­کنش قوی با گروه تقارنی (3)SU شرح داده می­ شود که به آن (3)SU رنگ گفته می­ شود.

واقعیت دیگر برهم­کنش قوی آن است که کوارک­های آزاد در طبیعت وجود ندارند. مکا­نیسم نبود کوارک­های آزاد را محبوسیت[3] می­نامند که ناشی از این واقعیت است که گلوئون­ها خودشان بار حمل می­ کنند. لذا چون گلوئون­ها رنگ حمل می­ کنند می­توانند به یکدیگر مقید شوند. پدیده خود-جفت­شدگی در الکترومغناطیس وجود ندارد زیرا فوتون بار الکتریکی  ندارد.