اسپین: یک ویژگی ذرات

با استفاده از اتاقک حباب و ابزارهای دیگر، چند صد ذره جدید کشف شدند. البته سه شکل بنیادین ماده (الکترون، پروتون و نوترون) قابل پیش بینی بودند، اما این چند صد ذره دیگر از کجا آمدند؟ این یک معمای حسابی بود چون فرض می شد که طبیعت، ساده و باشکوه است نه پیچیده و زشت!

در تلاش برای یافتن سادگی طبیعت، فیزیک دان ها شروع به طبقه بندی ذرات برحسب ویژگی های مختلف آن ها کردند. یکی از این ویژگی ها اسپین بود.

اسپین مقدار تکانه زاویه ای است که به هر ماده نسبت داده می شود. وقتی فرفره ای می چرخد، مقدار معینی تکانه زاویه ای دارد. هر چه چرخش آن سریع تر باشد، تکانه زاویه آن نیز بیشتر می شود. فیزیک دانان پی بردند که ایده تکانه زاویه ای برای ذرات نیز می تواند به کار رود اما به نظر می رسد که مقدار آن یک ویژگی ذاتی و تغییر ناپذیر،برای ذرات است. مثلاً اسپین یک الکترون همیشه برابر با 2/ است. (  خوانده می شود h بار، برحسب ژول در ثانیه )

در تئوری کوانتومی، تکانه زاویه ای با یکای اندازه گیری شناخته می شود و مقدار آن برابر است با :

تکانه زاویه ای: یک کمیت پایسته

اسپین نوعی تکانه زاویه ای ذاتی در تمام ذرات است. اما تکانه زاویه ای به حرکت یک جسم به دور جسمی دیگر هم ربط دارد. هنگامی که زمین به دور خورشید می گردد، نه تنها تکانه زاویه ای ذاتی خود را دارد، بلکه تکانه زاویه ای ناشی از حرکت به دور خورشید را نیز دارد.

تکانه زاویه ای کلی یک جسم که مربوط به اسپین و حرکت دورانی آن است، کمیت مفیدی برای بررسی است چون مقدارش همیشه ثابت است! در یک شتاب دهنده هنگامی که ذرات به هم برخورد می کنند ذرات دیگری به وجود می آیند، اما مقدار تکانه زاویه ای کل پایسته و مانند قبل است. تکانه زاویه ای کل در تمام مراحل قبل از برخورد، هنگام و بعد از برخورد همواره ثابت می ماند. این را پایستگی تکانه زاویه ای می نامند.

در شکل زیر دو ذره ( الکترون و پوزیترون ) با انرژی غیر قابل تصوری به هم برخورد می کنند.

اما در این شکل هنگامی که ذره ها نابود می شوند، دو ذره جدید به وجود می آیند.

حال در این مرحله دو ذره با اسپین 1/2 ممکن است دو ذره با اسپین صفر را تشکیل بدهند.

تکانه زاویه ای کل کجا رفت؟

آیا می توان گفت که تکانه زاویه ای کل پای اِستار نیست؟

در شکل سمت راست همانطور که مشاهده می کنید، تکانه زاویه ای هنوز پایسته است. تنها شکل آن تغییر کرده است. ابتدا به شکل اسپین بوده است و حالا به تکانه زاویه ای ناشی از دوران تبدیل شده است. درست مانند زمین و خورشید، ذرات هم به خاطر حرکت به دور نقطه برخوردشان تکانه زاویه ای دارند.

پس، تکانه زاویه ای پایسته است و تکانه زاویه ای اسپینی به تکانه زاویه ای دورانی تبدیل شده،  اما تکانه زاویه کل ثابت و بدون تغییر مانده است.

طبقه بندی ذرات

در آزمایش های فیزیکی، ذراتی با اسپین مشخص به یکدیگر برخورد می کردند و ذرات جدید دیگری را تولید می کردند از آن جا که فیزیک دان ها اسپین کل ذراتی را که در برخورد شرکت داشتند، می دانستند، از بقای تکانه زاویه ای کل استفاده کردند تا اسپین ذرات محصول را به دست آورند. آن ها پی بردند که اسپین تمام ذرات یا مضرب درستی از است ( یعنی ...3 و 2 و 1 و 0) و یا به صورت  است.

بسیاری از ذرات تازه کشف شده، بخشی از یک طبقه معمولی ذرات به نام هادرون ها بودند.

هادرون ها هم به دو دسته مزون ها با مقدار اسپین صحیح و باریون ها با مقدار اسپین نیمه صحیح، طبقه بندی می شوند .

مترجم: احسان انصاری

تنظیم: مریم فروزان کیا