کوارک‌؛ ذره‌ای با ۶ «طعم» و ۳ «رنگ» که هرگز آن را نچشیده و ندیده‌اید!

این رفتار غیرمنتظره، همان نیروی هسته‌ای قوی یا برهم‌کنش قوی، یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت و ضامن انسجام پروتون‌ها، نوترون‌ها و در نهایت، ساختار پایدار ماده در جهان است. اکنون اگر نیروی کافی وارد کنیم، ممکن است در نهایت موفق شویم کوارک را از دل پروتون بیرون بکشیم؛ اما درست در همان لحظه، انرژی عظیمی که در پیوند بین کوارک‌ها ذخیره شده بود، آزاد می‌شود. این انرژی آزادشده بلافاصله تبدیل به یک جفت ذره‌ی جدید می‌شود: یک کوارک و یک پادکوارک. در نتیجه، اگرچه کوارک اول از پروتون جدا شده، اما حالا تنها نیست و با یک پادکوارک جدید جفت شده است.

این پدیده‌ی شگفت‌انگیز را حبس رنگ (Color Confinement) می‌نامند. طبق این اصل، کوارک‌ها هرگز به‌صورت مستقل وجود ندارند و طبیعت همواره آن‌ها را در ترکیب‌هایی با بار رنگی خنثی نگه می‌دارد. همین قانون است که باعث می‌شود پروتون‌ها و نوترون‌ها پایدار بمانند و هسته‌ی اتم‌ها از هم نپاشد.

پیدایش مفهوم کوارک‌ها، برخلاف تصور رایجی که از کشفیات علمی داریم، نه یک لحظه‌ی ناگهانی و درخشان بود، نه حاصل شهود ناگهانی یک نابغه. بلکه نتیجه‌ی سال‌ها تلاش پیگیر، آزمایش‌های دقیق و همکاری جمعی دانشمندان بود. در سال ۱۹۶۴، دو فیزیکدان به نام‌های ماری گل-من و جرج زویگ، دو فیزیکدان آمریکایی، که هر دو در مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا (CalTech) فعالیت می‌کردند، به‌طور مستقل به این نتیجه رسیدند که ذراتی کوچک‌تر از پروتون و نوترون باید وجود داشته باشند، ذراتی که بعدها به نام کوارک شناخته شدند.

در دهه‌ی ۱۹۵۰، فیزیکدانان موفق شده بودند فهرستی بلندبالا از ذرات زیراتمی کشف‌شده تهیه کنند؛ کاری شبیه به طبقه‌بندی گیاهان در زیست‌شناسی. اما در این میان، جای نظریه‌ای منسجم که بتواند پشتوانه‌ای مفهومی برای این ذرات فراهم کند، خالی بود.

یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل آن زمان، وجود ذراتی به نام هیپرون‌ها بود؛ ذراتی ناپایدار که خیلی سریع واپاشی می‌کردند، اما برخلاف پیش‌بینی‌ها، مسیر واپاشی آن‌ها غیرعادی به‌نظر می‌رسید. گل‌-من با بررسی دقیق الگوهای واپاشی آن‌ها متوجه شد که باید پای یک ویژگی کوانتومی ناشناخته در میان باشد. او این ویژگی را به‌دلیل رفتار غیرمنتظره‌اش، شگفتی (strangeness) نامید.

نکته‌ی جالب‌تر آن است که هر ذره می‌تواند ترکیب خاصی از این عددها را داشته باشد و همین ترکیب‌ها باعث می‌شوند ذرات در الگوهای مشخصی مرتب شوند؛ مثل مجموعه‌ای از قطعات پازل که با نظم خاصی کنار هم چیده شده‌اند. فیزیکدان‌ها به این الگوهای منظم، چندتایی‌ها (Multiplet) می‌گویند. در دهه‌ی ۱۹۶۰، موری گل‌-من و جرج زویگ هنگام بررسی این الگوهای چندتایی به ایده‌ای انقلابی رسیدند: شاید تمامی این ذرات متنوع، از ترکیب چند ذره‌ی بنیادی‌تر و مشترک ساخته شده باشند، ذراتی که امروز آن‌ها را با نام کوارک می‌شناسیم.

زویگ ابتدا نام آس (Ace) را برای کوارک‌‌های کوچک پیشنهاد داد، اما این اسم چندان مورد توجه جامعه‌ی علمی قرار نگرفت. در مقابل، گل‌-من با نگاهی خلاقانه‌تر واژه‌ی کوارک را انتخاب کرد؛ واژه‌ای که از جمله‌ای در رمانِ شاعرانه‌ی بیداری فینیگان اثر جیمز آگوستین آلویسیوس جویس، نویسنده‌ی ایرلندی، الهام گرفته شده بود: Three quarks for Muster Mark. در داستان، این عبارت به سه فرزند یک شخصیت اشاره دارد. گل‌-من این نام را به این دلیل برگزید که پروتون‌ها نیز از سه کوارک تشکیل می‌شوند و این تشابه برایش معنا داشت.

از آن زمان، کوارک‌ها نه‌فقط به‌عنوان اجزای سازنده‌ی ذرات مرکب، بلکه به‌عنوان یکی از مفاهیم کلیدی در نظریه‌ی استاندارد فیزیک ذرات شناخته شدند. کوارک‌های بالا، پایین و شگفت، سه کوارک اولیه‌ای بودند که معرفی شدند. نام‌گذاری بالا و پایین بیشتر ماهیتی قراردادی داشت، اما نام شگفت براساس ویژگی کوانتومی شگفت انتخاب شد؛ چرا که عدد شگفتی این کوارک ۱- بود.

همان‌طور که پیش‌تر گفتیم، نیروی هسته‌ای قوی با واسطه‌ی گلوئون‌ها، کوارک‌ها را درون ذرات مرکبی مانند پروتون و نوترون کنار هم نگه می‌دارد. این نیرو آنقدر قدرتمند است که جدا کردن حتی یکی از کوارک‌ها از دل یک هادرون، به انرژی خارق‌العاده‌ای نیاز دارد و همین قدرت بی‌نظیر است که نام نیروی قوی را برایش توجیه می‌کند.

در تاریخ کیهان، چنین انرژی عظیمی تنها در لحظات بسیار ابتدایی پس از بیگ‌بنگ وجود داشت؛ زمانی حدود ده میلیاردم تا یک میلیونیم ثانیه پس از آغاز جهان که دمای کیهان به حدود ۲ تریلیون درجه‌ی سلسیوس می‌رسید. در چنین شرایطی، کیهان از ماده‌ای بسیار ویژه پر شده بود: پلاسمای کوارک–گلوئون. این حالت، شبیه به سوپی از کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد بود که هنوز به ذرات بزرگ‌تر متصل نشده بودند.