کوچک‌ترین و بزرگ‌ترین ذره در گیتی و اطلاعاتی جالب درباره آنها

نوترینوها تعامل بسیار ضعیفی با ماده دارند و پس از فوتون ها که بیشتر شبیه امواج رفتار می کنند تا ذرات واقعی، دومین ذره فراوان هستند.

عصر ایران - گیتی مکان بزرگی است اما از تکه های کوچکی ساخته شده است. جدول تناوبی شامل عناصری مانند اکسیژن، کربن و دیگر بلوک های سازنده ای است که ستاره ها، گربه ها یا فنجان های قهوه را شکل می دهند. اما از اوایل قرن بیستم، دانشمندان در فکر ذرات بنیادی کوچک‌تر و کوچک‌تر و یافتن آنها بوده اند. این ذرات کوچک‌تر از اتم هایی هستند که گیتی را پر می کنند. اما کدام یک از این ذرات بنیادی کوچک‌ترین است؟ و بالعکس، کدام یک بزرگ‌ترین است؟

کوچک‌ترین ذره در گیتی چیست؟ بزرگ‌ترین ذره چطور؟

دکتر دان لینکلن، دانشمند ارشد در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فِرمی (FermiLab)، یکی از افرادی است که تلاش می کند به این پرسش پاسخ دهد. در فرمی‌لب، دانشمندان از یک شتاب دهنده ذرات برای برخورد ذرات منفرد با یکدیگر و بررسی بقایا یا ذرات بنیادی جدید احتمالی استفاده می کنند. به گفته لینکلن، دو روش برای اندازه گیری اندازه ذرات وجود دارند: بررسی جرم و اندازه گیری اندازه فیزیکی آنها مانند محاسبه قطر یک توپ.

از نظر جرم، پاسخ این پرسش ها نسبتا ساده هستند. نوترینو پایین‌ترین ذره جرم غیرصفری است که می شناسیم. لینکلن به این نکته اشاره دارد که امکان اندازه گیری دقیق جرم نوترینو را نداریم زیرا ابزارهای فعلی مورد استفاده برای محاسبه جرم ذرات بنیادی از حساسیت کافی برخوردار نیستند.

به گفته لینکلن، نوترینو ذره ای است که به نوعی شبح دنیای زیراتمی محسوب می شود. نوترینوها تعامل بسیار ضعیفی با ماده دارند و پس از فوتون ها که بیشتر شبیه امواج رفتار می کنند تا ذرات واقعی، دومین ذره فراوان هستند. در حقیقت، تریلیون ها نوترینو در هر ثانیه از بدن ما عبور می کنند. نوترینوها تقریبا هیچ وزنی ندارند و نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند.

هسته اتم از نوترون ها، پروتون ها و الکترون ها تشکیل شده است. خود پروتون ها و نوترون ها تقریبا به اندازه یک دهم هسته هستند. یک الکترون دارای جرم نزدیک به صفر است اما در واقع وزن آن 500 هزار برابر بیشتر از یک نوترینو است و بار دیگر باید به این نکته اشاره داشت که اندازه گیری دقیق در حال حاضر غیرممکن است.

به گفته لینکلن، فیزیکدان ها از الکترون‌ولت (eV) برای اندازه گیری جرم ذرات زیراتمی استفاده می کنند. از نظر فنی، واحد برابر با eV/c^2 است که در آن c سرعت نور است. یک الکترون‌ولت برابر با حدود 19-^10 × 1.6 ژول است. برای مشخص کردن جرم یک ذره زیراتمی، سپس از معادله مشهور آلبرت اینشتین یعنی E=mc^2 برای بدست آوردن جرم به کیلوگرم استفاده می شود.

به گفته لینکلن، یک الکترون 511,000 الکترون‌ولت وزن دارد که برابر با 31-^10 × 9.11 کیلوگرم است. برای مقایسه، یک پروتون عادی در هسته یک اتم عادی 938 میلیون الکترون‌ولت یا 27-^10 × 1.6 کیلوگرم وزن دارد.

در مقابل، بزرگ‌ترین ذره بنیادی (از نظر جرم) که می شناسیم به نام "کوارک سر" (Top Quark) شناخته می شود که بزرگی آن 172.5 میلیارد الکترون‌ولت است. کوارک ها از دیگر ذرات بنیادی هستند که تا آنجا که می دانیم نمی توانند به بخش های بیشتری تقسیم شوند. دانشمندان شش نوع کوارک را شناسایی کرده اند که شامل بالا، پایین، افسون، شگفت، ته و سر می شوند. کوارک های بالا و پایین پروتون ها و نوترون ها را شکل می دهند و به ترتیب 3 میلیون و 5 میلیون الکترون‌ولت وزن دارند. در مقایسه، کوارک سر 57,500 برابر بیشتر از کوارک بالا وزن دارد.

پاسخ به پرسش اندازه فیزیکی دشوارتر است. ما اندازه فیزیکی برخی ذرات را می دانیم اما نه کوچک‌ترین آنها را. برخی ذرات کوچک که افراد در زندگی روزمره نام آنها را می شنوند، مانند ذرات ویروسی، در واقع بسیار بزرگ هستند.

یک ذره ویروسی عادی حدود 250 تا 400 نانومتر (یک نانومتر برابر با یک میلیاردیم متر یا 9-^10 متر است) طول دارد و هسته اتمی عادی حدود 14-^10 متر (0.00000000000001 متر) طول دارد. این بدان معناست که یک هسته اتمی به اندازه ای نسبت به یک ویروس کوچک‌تر است که یک ویروس برای ما کوچک به نظر می رسد.

در حال حاضر، کوچک‌ترین اندازه فیزیکی که دانشمندان می توانند با یک شتاب دهنده ذرات اندازه گیری کنند 2,000 برابر کوچک‌تر از یک پروتون یا 20-^10 × 5 متر است. تاکنون، دانشمندان قادر به تشخیص این بوده اند که کوارک ها از این کوچک‌تر هستند اما از میزان دقیق این اختلاف آگاهی ندارند.

ترجمه: محمدمهدی حیدرپور

بیشتر بخوانید: