ذرات زیراتمی اجزای سازنده جهان هستند، اجزایی که کوچکتر از یک اتم هستند. آنها برای درک قوانین طبیعت و ساختار ماده اساسی هستند. در طول این درس، ما به کاوش در مورد این ذرات، خواص آنها و نحوه تعامل آنها می پردازیم و زمینه را برای درک فیزیک ذرات فراهم می کنیم.
مدل استاندارد نظریه ای است که سه نیروی بنیادی شناخته شده در جهان را به استثنای گرانش توصیف می کند و تمام ذرات زیر اتمی شناخته شده را طبقه بندی می کند. این ذرات را به فرمیون ها (ذرات ماده) و بوزون ها (حامل نیرو) دسته بندی می کند.
فرمیون ها بیشتر به کوارک ها و لپتون ها تقسیم می شوند، در حالی که بوزون ها شامل فوتون ها، بوزون های W و Z، گلوئون ها و بوزون هیگز هستند. کوارک ها برای تشکیل پروتون ها و نوترون ها، اجزای هسته اتم، ترکیب می شوند، در حالی که لپتون ها شامل الکترون هایی هستند که به دور هسته می چرخند.
کوارک ها در شش نوع یا "طعم" وجود دارند: بالا، پایین، جذاب، عجیب، بالا و پایین. آنها هر چهار نیروی اساسی را تجربه می کنند، از جمله نیروی هسته ای قوی که آنها را در پروتون ها و نوترون ها کنار هم نگه می دارد. کوارک ها به دلیل پدیده ای به نام "حبس رنگ" هرگز به صورت مجزا یافت نمی شوند. آنها به صورت جفت یا در گروه های سه تایی وجود دارند و هادرون هایی مانند پروتون (دو کوارک بالا و یک کوارک پایین) و نوترون (دو کوارک پایین و یک کوارک بالا) تشکیل می دهند.
از سوی دیگر لپتون ها نیروی هسته ای قوی را تجربه نمی کنند. الکترون شناخته شده ترین لپتون است که اغلب در ابرهای اطراف هسته اتم یافت می شود. لپتون‌های دیگر شامل میون، تاو و نوترینوهای مربوط به آنها هستند که تقریباً بدون جرم هستند و برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده دارند.
بوزون ها ذراتی هستند که میانجی نیروهای بنیادی هستند. فوتون حامل نیروی الکترومغناطیسی است، در حالی که بوزون های W و Z مسئول نیروی هسته ای ضعیف هستند که مسئول فرآیندهای فروپاشی هسته ای هستند. گلوئون ها حامل نیروی هسته ای قوی هستند و کوارک ها را درون پروتون ها و نوترون ها کنار هم نگه می دارند. بوزون هیگز که در سال 2012 در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) کشف شد، با میدان هیگز مرتبط است که به ذرات جرم می دهد.
هر نوع ذره در مدل استاندارد دارای یک پادذره متناظر است که از نظر جرم یکسان است اما از نظر خواص دیگر مانند بار الکتریکی متضاد است. هنگامی که ذرات و پادذرات به هم می رسند، از بین می روند و جرم خود را مطابق معادله انیشتین به انرژی تبدیل می کنند، \(E = mc^2\) که در آن \(E\) انرژی، \(m\) جرم است و \(c\) سرعت نور است.
چندین آزمایش در درک ما از ذرات زیراتمی بسیار مهم بوده است:
QCD نظریه ای است که نیروی هسته ای قوی را توضیح می دهد، یکی از چهار نیروی اساسی که بین کوارک ها و گلوئون ها عمل می کند. این فرض می‌کند که کوارک‌ها دارای خاصیتی به نام «بار رنگ» هستند و تبادل گلوئون‌ها، که حامل بار رنگی نیز هستند، واسطه نیروی قوی است. با نزدیک‌تر شدن کوارک‌ها، قدرت نیروی قوی کاهش می‌یابد که به آن «آزادی مجانبی» می‌گویند.
نظریه الکتروضعیف نیروهای هسته ای الکترومغناطیسی و ضعیف را در یک چارچوب واحد متحد می کند. توضیح می‌دهد که چگونه در سطوح انرژی بالا (مانند سطوحی که بلافاصله پس از انفجار بزرگ) این دو نیرو به‌عنوان یکی رفتار می‌کنند. این نظریه وجود بوزون‌های W و Z را پیش‌بینی می‌کند که بعداً به صورت تجربی تأیید شد.
با وجود موفقیت، مدل استاندارد کامل نیست. این گرانش را که توسط نظریه نسبیت عام توصیف شده است، در بر نمی گیرد، یا ماده تاریک و انرژی تاریکی که بیشتر جهان را تشکیل می دهند را توضیح نمی دهد. تئوری هایی مانند ابرتقارن و نظریه ریسمان توسعه هایی را برای مدل استاندارد پیشنهاد می کنند و ذرات و مفاهیم جدیدی را در تلاش برای پرداختن به این اسرار معرفی می کنند.
در نتیجه، ذرات زیراتمی، بنیادی ترین اجزای ماده، برای درک ساختار جهان و نیروهای زیربنایی شکل دهنده آن ضروری هستند. مطالعه این ذرات، از طریق چارچوب های نظری مانند مدل استاندارد و آزمایش های پیشگامانه، همچنان به چالش و گسترش دانش ما از کیهان ادامه می دهد.
