دنیای شفگت‌انگیز کوارک‌‌ها، گلئون‌ها

از دید فیزیکدانان

یکی از بزرگترین چالش‌هایی که فیزیکدانان در درک چگونگی کوچک‌ترین ذرات بینادی با آن روبرو هستند، بیش‌ترین جرم را در عالم تشکیل می‌دهد.

ذرات کوچکی که کوارک‌ها و گلئون‌ها نام گرفته اند سنگ بنای پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند که خود هسته‌ی اتم را تشکیل را می‌دهند. با این حال کوارک‌ها و گلئون‌ها رفتاری کاملا متفاوت از ذرات بزرک‌تر از خود دارند.

یبه گزارش «سانیس دیلی»، جان نگله (John Negele)، استاد دانشگاه ام.آی. تی درباره‌ی نظریه‌ای توضیح‌ می‌دهد که این ذرات با هم برهمکنش دارند. این فرآیند را «کرومودینامیک کوانتمی» (QCD) می‌نامیم. نگله در کنفرانس سالیانه‌ی فیزیک «ایالات متحده» توضیح می‌دهد که چگونه دانشمندان با استفاده از ابررایانه‌ها و مفهومی به‌نام نظریه‌ی شبکه‌ی میدان رفتار ذراتی مانند گلئون‌ها و کوارک‌ها را که کوچک‌ترین ذرات شناخته شده هستند، بررسی می‌کنند.

وی می‌افزاید که انگیزه‌ی درک سنگ بنای ذرات بنیادی به کشف‌های متوالی می‌انجامد که ما را با لایه‌های درونی دنیای کوانتمی ذرات بنیادی بیش‌تر آشنا خواهد کرد.

مولکول‌ها از اتم‌ها ساخته می‌شوند و هسته‌های آن‌ها از پروتون و نوترون. کنش‌های آن‌ها را به خوبی می‌شناسیم. گام بعدی در این روند شناخت دنیای کوانتمی، کنش‌های غیر معمول گلئون‌ها و کوارک‌ها هستند که حتی نوع بررسی آن‌ها هم از ذرات بنیادی متفاوت است. عوامل متعددی این بررسی را مشکل می‌سازند. یکی از آن‌ها محبوس بودن کوارک‌ها در ذرات بزرگتر است. همچنین نیروی‌ بین دو کوارک با فاصله‌گرفتن آن‌ها از هم بزرگ‌تر می‌شود. این در حالی است که در مورد هسته و الکترون و دو هسته برعکس است!

این تفاوت‌ها را با ویژگی‌هایی درجه‌ی آزادی ذرات می‌توان توصیف کرد که در سال 2004 «فرانک ویلچک»، «دیوید گراس» و «دیوید پولیتزر» استاد کرسی «هرمان فشباخ» دانشگاه ام.آی.تی، به‌خاطر آن برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شدند. این ویژگی توصیف می‌کند که چگونه نیرو به‌وسیله‌ی تبادل گلئون‌ها با نزدیک شدن کوارک‌ها به‌هم کم می‌شود. هیچ کدام از روش‌های تحلیلی برای حل مسائل فیزیک اتمی و هسته‌ای در مورد کوارک‌ها و گلئون‌ها مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.

در عوض فیزیکدانان از نظریه‌ی شبکه‌ی میدان برای بررسی اندرکنش‌های QCD مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از ابررایانه‌های بزرگ محققان می‌توانند QCD را درست مانند یک بلور، در فضا-زمان چهار بُعدی به صورت نقاط ناپیوسته‌ی شبکه تحلیل کنند.

محاسبه‌ها به‌وسیله‌ی رایانه‌ها بخصوص آن‌دسته که فقط برای چنین منظوری ساخته شده‌اند، انجام می‌شوند.

در این سخنرانی نگله ایده‌های بنیادی را بیان می‌کند که چگونه QCDرا با استفاده از شبکه‌ی چهار بُعدی فضا-زمان می‌توان حل کرد و نتایج محاسبه‌ها را برای ویژگی‌های اساسی و شناخته شده‌ی پروتون، نوترون و دیگر اندرکنش‌های قوی ذرات را نشان داد.