آشنایی مختصر با ذرات سازنده ماده

بطور کلی تمامی ذرات تشکیل دهنده عالم ماده به سه دسته کلی تقسیم بندی میشوند:

? بوزون ها

به ذرات حامل انرژی بوزون می گویند که غالبأ جرم صفر یا ناچیزی دارند. بوزون ها خود به چند دسته تقسیم می شوند که می توان نام برد:

بوزون هیگز، گلوئون، بوزون z ، بوزون w ، فوتون

از نام آشناترین آنها میتوان به فوتون که ناشی از برهم کنش میدانهای الکتریکی و مغناطیسی(الکترو مغناطیسی) است اشاره کرد.

? لپتون ها

شاید بتوان گفت زیربنای ماده لپتون ها هستند که شامل ، نوترینو ها، میون ها، الکترون ها و ضد آن یعنی پوزیترون ها هستند. در پست های قبلی توضیحات مفصلی درباره این ذرات و ذرات پوزیترون ارائه کردیم که میتوانید با جستجوی نام هریک، برای مثال کلمه «پوزیترون» آن را مطالعه کنید

? هادرون ها

هادرون ها ذرات غیر بنیادی هستند که از جز کوچکتری بنام کوآرک تشکیل میشوند.
کوآرک ها در سه دسته طبقه بندی میشوند که هریک برهم کنش خاص خود را دارند و میتوان آنها را جز غیر صحیح از ماده دانست.

از خانواده هادرون ها میتوان به پروتون ، نوترون و پیون اشاره کرد.
نوترون سنگین ترین آنهاست که بیشترین جرم را دارد و فاقد بار هست و جز اصلی هسته را تشکیل میدهد.
پیون ها که بسیار ناپایدار اند و در سه دسته ، پیون مثبت، منفی و خنثی قرار گرفته و غیر بنیادی اند.

✔️ میدانیم جهان هستی از دوجز کلی ماده و انرژی تشکیل شده است.
لپتون ها و هادرون ها که جز سازنده ماده هستند را فرمیون گویند و انرژی همان جز دیگر یعنی بوزون میباشد.

فرمیون ها :

?در فیزیک ذرات، فرمیون (نامی که توسط پل دیراک با الهام گرفتن از نام خانوادگی انریکو فرمی ابداع شد) به ذره‌ای گفته می‌شود که توسط آمار فرمی-دیراک مشخص شود. مهم‌ترین ویژگی این ذرات پیروی از اصل طرد پاولی است. فرمیون‌ها همهٔ کوارک‌ها و لپتون‌ها و هر ذره مرکبی که از ترکیب تعداد فردی از این‌ها تشکیل شود (مانندباریون‌ها و اتمها و هسته‌های اتمی) را شامل می‌شوند. تفاوت فرمیون با بوزون در این است که بوزون‌ها از آمار بوز-اینشتین پیروی می‌کنند.

?یک فرمیون ممکن است یک ذره بنیادی باشد، مانند الکترون یا ممکن است که یک ذرهٔ مرکب باشد مانندپروتون. طبق قضیه اسپین-آمار، ذرات با اسپین صحیح بوزون هستند و ذراتی با اسپین نیمه‌صحیح فرمیون‌های نوترون هستند. در قضیه اسپین – آمار، نشان داده می‌شود که یک تابع موج، با تعویض جای دو فرمیون همسان، منفی می‌شود. البته در سیستم‌های بوزونی، با جابه جایی دو بوزون، تابع موج هیچ تغییری نمی‌کند.

?علاوه بر این ویژگیِ اسپین، فرمیون‌ها یک ویژگی خاص دیگر دارند:
اعداد کوانتومی باریون یا لپتونی پایسته دارند؛ بنابراین آنچه از آن به رابطهٔ اسپین آمار یاد می‌شود، در واقع یک رابطهٔ اسپین آمار-عدد کوانتومی است.

?در نتیجه اصل طرد پائولی، در یک لحظهٔ معین، تنها یک فرمیون می‌تواند یک حالت کوانتومی خاص را اشغال کند. بدین معنی که اگر چند فرمیون توزیع احتمال فضایی یکسانی داشته باشند، حداقل یک ویژگی هر فرمیون، مانند اسپین باید با سایرین متفاوت باشد. فرمیون‌ها را معمولاً به ماده نسبت می‌دهند در حالی که بوزون‌ها معمولاً حامل نیرو هستند، اگرچه که در وضعیت کنونی فیزیک ذرات، تمایز میان این دو مفهوم روشن نیست. در دماهای پایین فرمیون‌ها، در ذرات بدون بار ابرشارگی، و در ذرات باردار، ابر رسانایی از خود نشان می‌دهند.(هر یک از این پدیده ها را قبلأ مورد بررسی قرار دادیم که با جستجوی کلمه «ابر رسانا » میتوانید آن را مطالعه کنید) .
فرمیون‌ها مرکب مانند پروتون و نوترون سنگ بنای ماده معمولی هستند.

?در مدل استاندارد، دو گونه فرمیون بنیادی وجود دارد:
کوارک‌ها و لپتون‌ها. در کل ۲۴ فرمیون متفاوت وجود دارد: ۶ کوارک و ۶ لپتون، که هر کدام با پاد ذرهٔ متناظرش همراه است.
در قسمت بعدی به معرفی بوزون ها خواهیم پرداخت.

? معرفی بوزون:

? برای دانستن مفهوم بوزون ابتدا باید اسپین راشناخت.به طور ساده تعریف اسپین به این صورت است که:

می دانیم که وقتی به دنیای ذرات کوانتومی می رویم،همه چیز کوانتیده می شود،حتی تکانه زاویه ای،پس هر ذره با تکانه زاویه ای مشخصی می چرخد که به آن اسپین گویند.

?اسپین ها می‌توانند مقادیر صحیح و نیمه صحیح به خود گیرند.اگر مقدار اسپین، صحیح باشد آن را بوزون گویند واگر مقدار آن نیمه صحیح باشد به آن فرمیون گویند. بوزون ها مانند فوتون و یا پایون یا بوزون هیگز.

?در واقع ذرات بوزون‌ها ذرات زیر اتمی هستند که از آمار بوز-اینشتین تبعیت میکنند. بوزون‌ها بر اساس نام ساتیندرا بوز و آلبرت اینشتین نام گذاری شده اند .در مقابل آنها فرمیونها هستند که از آمار فرمی-دیراک تبعیت می کنند. چندین بوزون می‌توانند حالت کوانتومی مشابهی را اشغال کنند، بنا براین بوزون هایی با انرژی یکسان می‌توانند مکان مشابهی را در فضا اشغال نمایند. بنابراین بوزون‌ها اغلب ذراتی هستند که حاملین نیرو هستند در حالیکه فرمیون‌ها معمولاً بخش اصلی ماده می باشند .

?همهٔ ذرات بنیادی که ما می شناسیم یا بوزون هستند یا فرمیون، که بنا به اسپین آن ها : ذرات با اسپین نیمه صحیح را فرمیون و ذرات با اسپین صحیح بوزون‌ها هستند. در کوانتوم مکانیکی این مشاهده کاملا تجربی است در حالیکه در کوانتوم نسبیتی بنا به قضیه اسپین-آمار، ذرات با اسپین نیمه صحیح نمی‌توانند بوزون و ذرات با اسپین صحیح نمی‌توانند فرمیون باشند.

?در سیستم‌های بزرگ تفاوت میان تعداد بوزون‌ها و فرمیون ها فقط در غلظت‌های بالا معلوم می‌شود. همه ذرات بنیادی یا بوزون هستند یا فرمیون. بوزون‌های ساده یا بنیادی مشاهده شده، بوزون‌های پیمانه‌ای هستند مثل فوتون‌ها و بوزون‌های w, z و گلوئون.

?فوتون‌ها حامل نیروی میدان الکترومغناطیسی هستند. بوزون‌های Z و ±W، حامل نیروهای ضعیف هسته‌ای هستند. گلوئون حامل نیروی بنیادین (نیروی قوی هسته‌ای) هستند.

?در آخر، بسیاری از رویکردهای گرانش کوانتومی، حامل نیرویی برای گرانش در نظر می‌گیرند به نام گراویتون (Graviton) که یک بوزون با اسپین ۲ است. وجود این ذره هنوز اثبات نشده‌است.